DE102010013646B4

DE102010013646B4 - Verfahren zum Bilden einer Reibrührschweißverbindung

Info

Publication number: DE102010013646B4
Application number: DE102010013646.8A
Authority: DE
Inventors: Robert T. Szymanski; Sri Krishna Chimbli; Mark T. Hall; Yen-Lung Chen
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-04-06
Filing date: 2010-04-01
Publication date: 2018-09-13
Anticipated expiration: 2030-04-02
Also published as: US20110214799A1; DE102010013646A1; US8960523B2; US20100089976A1; US7997472B2; CN101856771A

Abstract

Verfahren zum Bilden einer Reibrührschweißverbindung zwischen zwei oder mehreren Metallwerkstücken (11, 110, 210; 12, 112, 216) aus verschiedenartigen Metallen oder metallbasierten Legierungszusammensetzungen,- wobei das Verfahren umfasst, dass:- eine Anordnung gebildet wird, in der zumindest zwei Werkstücke (11, 110, 210; 12, 112, 216) Stoßflächen mit einer Stoßflächen-Schweißverbindungsstelle (40, 42) aufweisen, an der die Reibrührschweißverbindung gebildet werden soll, und wobei ein Werkstück eine Fläche mit einer Reibrühr-Eingriffstelle zum Eingriff mit einem rotierenden Reibrührschweißwerkzeug aufweist;- eine Zwischenlagenzusammensetzung (22, 122, 225) an einer oder beiden von der Reibrühr-Eingriffstelle oder der Stoßflächen-Schweißverbindungsstelle (40, 42) angeordnet wird, wobei die Zwischenlagenzusammensetzung (22, 122, 225) eine Mischung aus einem Klebstoff und zumindest einem Metallpulver umfasst; und- die Metallwerkstücke (11, 110, 210; 12, 112, 216) mit einem Reibrührwerkzeug (24, 124, 224) reibgerührt werden, welches anfänglich in die Reibrühr-Eingriffstelle eingreift und die Werkstücke (11, 110, 210; 12, 112, 216) zu jeder Stoßflächen-Schweißverbindungsstelle (40, 42) durchdringt,- wobei die Wirkung des Reibrührwerkzeuges (24, 124, 224) das Mischen der Zwischenlagenzusammensetzung (22, 122, 225) mit Metallelementen der Werkstücke (11, 110, 210; 12, 112, 216) bewirkt und ein Schweißverbindungsmaterial an der Stoßflächen-Schweißverbindungsstelle (40, 42) bildet, wobei das Schweißverbindungsmaterial Bestandteile von der Zwischenlagenzusammensetzung (22, 122, 225), jedem Metallwerkstück (11, 110, 210; 12, 112, 216) und jeglichen umgesetzten Produkten umfasst,- wobei die Wirkung des Reibrührwerkzeuges (24, 124, 224) bewirkt, dass zumindest ein Teil des Klebstoffes aushärtet und die Metallwerkstücke (11, 110, 210; 12, 112, 216) aneinander klebt,- wobei ein Metallwerkstück (11, 110, 210; 12, 112, 216) ein Magnesiumlegierungswerkstück ist und ein Metallwerkstück (11, 110, 210; 12, 112, 216) ein Aluminiumlegierungswerkstück ist und- wobei die Kombination der Bestandteile der Zwischenlagenzusammensetzung (22, 122, 225) Kupfer, Zinn und Zink aufweist und so mit den Bestandteilen der Metallwerkstücke (11, 110, 210; 12, 112, 216) und deren umgesetzten Produkten die Korrosionseigenschaften und die Festigkeit der Schweißfügestelle verbessert und die Viskosität des geschmolzenen Rührzonenmaterials während des Schweißens erhöht.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bilden einer Reibrührschweißverbindung. Die Erfindung betrifft insbesondere die Verwendung des Reibrührschweißens zum Fügen von Elementen aus verschiedenartigen Metallen wie z. B. einer Platte aus einer Magnesiumlegierung und einem Verstärkungsteil aus einer Aluminiumlegierung. Im Spezielleren betrifft diese Erfindung das Anordnen eines Zwischenlagenmaterials wie z. B. einer Mischung aus einem Klebstoff und einem metallischen Pulver zwischen einander zugewandten Flächen der Elemente aus verschiedenen Metallzusammensetzungen zum Einbau in das Fügematerial, welches durch das Reibrührschweißwerkzeug hergestellt wird, um die Festigkeit der geschweißten Fügestelle zu erhöhen.
Hintergrund der Erfindung
Es gibt Fertigungsanwendungen, bei denen es zweckdienlich sein könnte, Elemente aus verschiedenartigen Metallzusammensetzungen zu verschweißen, um z. B. relativ leichtgewichtige Artikel zu erzeugen. Es könnte z. B. in der Fertigung von Kraftfahrzeug-Karosserieteilen erwünscht sein, eine Verstärkungsstrebe aus einer Aluminiumlegierung mit einer Platte aus einer Magnesiumlegierung zu verbinden. Es ist of schwierig, solche Elemente aus verschiedenartigen Metallen durch herkömmliche Fügetechniken wie z. B. Schmelzschweißprozesse zu fügen, da sie massive, spröde intermetallische Zusammensetzungen bilden, die die Fügestelle schwächen. Es wird in Erwägung gezogen, dass solche Teile aus verschiedenartigen Metallen mithilfe von Reibrührschweißmethoden gefügt werden könnten.
Beim Reibrührschweißen wird ein rotierendes Werkzeug mit einer axialen Sonde und Schulter in eine Fläche einer Anordnung von Metallwerkstücken gepresst. Die rotierende Sonde und Schulter greifen an einer Schweißstelle in die Werkstücke ein. Die Reibungswärme und der fortgesetzte Druck auf der Sonde und Schulter erweichen, verflüssigen und mischen temporär das Material in den in Eingriff stehenden Abschnitten der Werkstücke. Wenn das rotierende Werkzeug allgemein rechtwinklig in einen Punkt an den Werkstücken gepresst und dann zurückgezogen wird, wird eine Reibrühr-Punktschweißverbindung gebildet. Das Reibrührwerkzeug kann zurückgezogen und sukzessive in Eingriff entlang der Fläche eines oder mehrerer Werkstücke bewegt werden, um eine Reihe von Reibrühr-Punktschweißverbindungen zu bilden. Wenn das rotierende Werkzeug in eine Werkstückfläche gepresst und in der Fläche bewegt wird, kann eine lineare Reibrührschweißverbindung oder -nahtschweißverbindung gebildet werden. Ebenso kann das Reibrührwerkzeug entlang einer Grenzfläche von anliegenden Kanten von zwei oder mehreren Werkstücken bewegt werden, um eine Reibrühr-Stoßschweißverbindung zu bilden. Diese verschiedenen Schweißbilder werden kollektiv als Reibrührschweißen (FSW von friction stir welding) bezeichnet. Das FSW kann das Reibrührpunktschweißen (FSSW von friction stir spot welding) umfassen.
Wenn die Zusammensetzung der zu fügenden Metallteile eine geeignete Schweißzone ergibt, können gute Festigkeiten der Fügestelle erzielt werden. Wenn einige verschiedenartige Metalle mittels FSW gefügt werden, kann die Bildung von spröden intermetallischen Materialien mit niedrigem Schmelzpunkt in der Schweißzone schwache oder spröde Schweißfügeverbindungen ergeben. Dies kann z. B. der Fall sein, wenn es erwünscht ist, ein Element aus einer Magnesiumlegierung an ein Teil aus einer Aluminiumlegierung zu fügen.
Die DE 10 2005 029 882 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Reibrührschweißen, bei welcher zwei oder mehr Bauteile über Stoßflächen aneinandergefügt und durch eine Anordnung von Reibflächensegmenten über einen Reibrührschweißvorgang miteinander dauerhaft verbunden werden. Dabei kann zusätzlich ein Kanal mit einer Öffnung zum Einbringen von Zuschlagsstoffen in die auszubildende Schweißnaht vorgesehen sein.
Die US 6,543,670 B2 offenbart eine Anordnung für ein erstes und ein zweites Werkstück zur Ausbildung von Schweißverbindungen. Dabei wird zwischen aneinander anstoßenden ersten und zweiten Werkstücken eine Zwischenschicht ausgebildet, die entweder aus einer zinnbasierten oder einer zinkbasierten Legierung besteht und in der Metallmatrix Keramikpartikel enthalten kann, um das Ausbilden einer Schweißverbindung über einen Reibrührschweißvorgang zu verbessern.
Die DE 20 2005 021 318 U1 lehrt eine Vorrichtung zum Fügen von mindestens zwei Bauteilen aus artverschiedenen Werkstoffen, wobei zwischen zur Anlage gebrachten Bauteilen eine Aluminium- oder eine Zinkzwischenschicht, gegebenenfalls in Kombination mit einer Klebeschicht, ausgebildet sein kann, durch welche die durch Reibrührschweißen auszubildende Schweißverbindung in ihren Eigenschaften verbessert werden soll.
Es ist ein Ziel dieser Erfindung, ein Verfahren zum Erzielen starker Reibrührschweißfügeverbindungen zwischen Werkstücken aus verschiedenartigen Metallzusammensetzungen wie z. B. zwischen Werkstücken aus einer Magnesiumlegierung und Werkstücken aus einer Aluminiumlegierung bereitzustellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Bilden einer Reibrührschweißverbindung zwischen zwei oder mehreren Metallwerkstücken aus verschiedenartigen Metallen oder metallbasierten Legierungszusammensetzungen erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Methoden dieser Erfindung sind nützlich in Reibrührschweiß-Situationen, in denen Werkstücke aus verschiedenartigen Metallen gefügt werden sollen und die jeweiligen Zusammensetzungen der Werkstücke mit herkömmlichen Reibrührschweißtechniken keine guten Fügeverbindungfestigkeiten erzielen. Zum Beispiel können durch Reibrühren verflüssigte Aluminium- und Magnesiumlegierungen eine Zusammensetzung mit einer niedrigen Schmelztemperatur bilden, die eine vorgesehene Schweißverbindung schwächt. Während des Reibrührschweißens von Aluminium an Magnesium kann die Temperatur der Schweißverbindungsstelle ausreichend hoch sein, um eine niedrig schmelzende eutektische Al-Mg-Flüssigkeit zu produzieren. Diese Flüssigkeit begrenzt nicht nur die Größe der Rührzone, sondern neigt auch dazu, an dem Reibrührschweißwerkzeug zu kleben, wenn das Werkzeug von der Schweißverbindungsstelle zurückgezogen wird. Die Bildung solch eines flüssigen Materials stellt eine schwache Fügeverbindung zwischen den Aluminium- und Magnesiumwerkstücken her.
Die Fügestellenfestigkeit einer Reibrührpunktschweißverbindung hängt von der Größe ihrer Rührzone ab, die während des Schweißens gebildet wurde. Wenn eine Reibrühr-Verflüssigung einer Grenzfläche, die Elemente aus zwei verschiedenartigen Metallelementen umfasst, keine gute Reibrührfügeverbindung zu erzeugen vermag, kann es vorteilhaft sein, die Zusammensetzung der reibgerührten Zone zu ändern, indem ein oder mehrere Zwischenlagenmaterialien zugesetzt wird/werden, welche/s z. B. einen mit Metallpulvern und/oder nicht metallischen Pulvern gemischten Klebstoff an der/den Grenzflächen der Werkstücke, die gefügt werden sollen, umfasst/en.
Der Klebstoff kann als ein Vehikel für das Metall- und/oder Nichtmetallpulver verwendet werden, das auf die Fügestelle zum FSW aufgebracht werden soll. Der Klebstoff kann das Metall- und/oder Nichtmetallpulver einbauen und eine bessere Haftung der Pulver an Oberflächen bereitstellen, die dem FSW unterzogen werden. Die Klebstoff- und Pulvermischung kann an der und/oder um die Schweißverbindungsstelle herum aufgebracht werden. Außerdem kann der Klebstoff, der während des FSW-Prozesses nicht weg gebrannt wird, während des Fertigungsprozesses aushärten und die Festigkeit der Fügestelle z. B. von etwa 340 kg auf etwa 680 kg Überlappungsscherfestigkeit erhöhen. Diese zusätzliche Festigkeit kann von dem zusätzlichen Fügeverbindungsbereich herrühren, der durch den Klebstoff erzeugt wird. In einer Ausführungsform wird der Klebstoff unter und/oder benachbart zu dem FSSW-Stiftwerkzeug wegbrennen, wobei das Pulver zurückgelassen wird, um mit den Grundmetallen zu reagieren. Der Klebstoff entfernt von dem Stiftwerkzeug wird an einem Punkt in dem Fertigungsprozess aushärten und der Fügestelle Festigkeit hinzufügen.
In Ausführungsformen der Erfindung, in denen ein Aluminiumelement an ein Magnesiumelement gefügt werden soll, können vorgesehene Schweißverbindungsstellen mit einer Lage versehen sein, die eine Mischung aus (a) Klebstoff und Kupfer- und Zinnpulvern oder (b) Klebstoff und Kupfer-, Zinn- und Zinkpulvern oder (c) Klebstoff und Zinkpulver oder (d) Klebstoff und anderen geeigneten metallischen und/oder nicht-metallischen Pulverzusammensetzungen und -mischungen umfasst, welche z. B. zumindest eines von Aluminium, Magnesium, Silizium, Strontium, Cer (oder anderen Lanthaniden), Silber, Titan, Antimon, Nickel, Chrom, Mangan, Eisen, Vanadium, Niob, Zirconium, Yttrium, Molybdän, Wolfram, Messing, Bronze, Stählen, Kohlenstoff, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Siliziumoxid, Titanoxid oder Eisenoxiden oder Kombinationen davon umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind. Beispiele von Klebstoffen, die in der Mischung verwendet werden können, umfassen zumindest eines von Epoxyden, Polyurethanen, Acrylen, einem Bandklebstoff oder Sprühklebstoffen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Der Klebstoff kann in einer beliebigen geeigneten Form, z. B. als Flüssigkeit, Spritzmittel, Sprühnebel, Paste oder Partikel, vorhanden sein, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Der Klebstoff und die Metallpulver können in separaten Lagen aus einer einzigen Komponente oder als eine Lage aus einer Mehrkomponentenmischung zugefügt sein. Solch eine Zusammensetzung ist als eine geeignete Beschichtung oder Zwischenlage auf Zwischengrenzflächen der zu schweißenden Teile aufgebracht. Dann werden die Teile zusammengesetzt und für das Reibrührschweißen abgestützt. Diese Beschichtungen können auch auf der oberen Fläche des Werkstücks angeordnet werden, die dem Reibrührschweißwerkzeug zugewandt ist. Während des Schweißens werden die zugefügten Materialien gerührt und gemischt und können mit dem benachbarten Aluminium und Magnesium in der vom Rühren betroffenen Zone reagieren. Die resultierende, komplexere Mischung bildet eine stärkere Schweißfügeverbindung. Die Beschichtung kann auch die Korrosionseigenschaften der Schweißfügestelle verbessern.
Solche Klebstoff- und Pulverzusammensetzungen werden aus Erfahrung oder experimentell gewählt, um die mechanischen Eigenschaften des FSW zu verbessern. Zum Beispiel kann die Klebstoff- und Pulverzusammensetzung mit den Grundmetallen (z. B. einer Aluminiumlegierung und einer Magnesiumlegierung) reagieren, um Bestandteile mit einer höheren Schmelztemperatur (höher als jene der Bestandteile, welche sich aus den Grundmetall-Wechselwirkungen allein bilden können) in der Rührzone zu bilden, oder die Viskosität der erzeugten intermetallischen Flüssigkeit zu erhöhen, sodass die Rührzone relativ fest oder solide wird und sich ihre Tendenz, an dem Schweißwerkzeug zu kleben, verringert. Nach dem Schweißen kann jeglicher zurückbleibender Klebstoff aushärten und die Fügeverbindung zwischen den benachbarten Werkstücken festigen. Die zugefügten Pulvermaterialien können mit den Grundmetallen reagieren, um weitere mikrostrukturelle Bestandteile zu bilden. Das Aushärten des Klebstoffes und eine Erhöhung der Schmelztemperatur des Rührzonenmaterials und/oder eine Erhöhung der Rührzonensolidität mit einer Dispersion von kleinen Partikeln aus zugefügtem Pulvermaterial und/oder Reaktionsprodukten kann die Festigkeit und/oder Widerstandsfähigkeit der resultierenden Fügestelle zwischen Werkstücken aus verschiedenartigen Metallen erhöhen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die die Verwendung von den die Grenzflächenzusammensetzung ändernden Pulvern ergänzt, wird ein Amboss mit hoher thermischer Leitfähigkeit verwendet, um die Werkstücke gegen das Reibrührwerkzeug zu stützen und die Wärmeübertragung von der Reibzone zu begünstigen, um die Bildung von intermetallischen Materialien mit einem niedrigen Schmelzpunkt während des Reibrührschweißens zu minimieren. Die erhöhte Abkühlgeschwindigkeit wird verwendet, um ein Schmelzen im Schweißbereich zu verhindern oder zu minimieren. Die erhöhte Abkühlgeschwindigkeit wird verwendet, um die Menge an gebildeten intermetallischen Materialien mit einem niedrigen Schmelzpunkt zu minimieren und die Solidität der resultierenden Mischung aus Metallen und intermetallischer Flüssigkeit zu erhöhen.
Wie oben angeführt, kann das die Zusammensetzung ändernde Pulvermaterial durch Erfahrung oder experimentell entwickelt und spezifiziert werden. Zum Beispiel kann die Temperatur in der Rührzone während des Reibrührschweißens von Aluminium- und Magnesiumwerkstücken ohne weiteres 450 °C oder mehr betragen. Zinn und Zink besitzen relativ niedrige Schmelztemperaturen von ca. 232 °C bzw. 420 °C. Daher werden während des Reibrührschweißens das Zinn und das Zink geschmolzen und die Zinn- oder Zink-Flüssigkeit kann mit den benachbarten Aluminium- oder Magnesiummaterialien reagieren. Zum Beispiel kann Zinn mit Magnesium reagieren, um eine Mischung aus festen Mg₂Sn-Partikeln (mit einer Schmelztemperatur von 770,5 °C) und einer zinnreichen Mg-Sn-Flüssigkeit während des Reibrührschweißens zu bilden. Und der Klebstoff, der während des FSW-Prozesses nicht weg gebrannt wird, härtet aus und trägt zu der Fügeverbindung zwischen den Aluminium- und Magnesiumwerkstücken bei. Inzwischen können Aluminium und Magnesium eine eutektische Al-Mg-Flüssigkeit bilden. Die so gebildeten Mg₂Sn-Partikel und die zugefügten Partikel wie z. B. Kupferpartikel zusammen mit den Einschlusspartikeln, die innerhalb der Grundmaterialien vorhanden waren, mischen sich mit der eutektischen Al-Mg-Flüssigkeit, um ihre Fluidität zu verringern und ihre Solidität zu erhöhen. Diese Mischung mischt sich weiter mit den nicht umgesetzten Aluminium- und Magnesium-Grundmaterialien in der vom Rühren betroffenen Zone, was eine relativ solide und starke Rührzone zur Folge hat. Diese Solidität hat auch die Neigung des Rührzonenmaterials, an dem Schweißwerkzeug zu kleben, verringert. Beim Abkühlen wird eine starke und widerstandsfähige Schweißverbindung aus einem komplizierten Verbund aus Aluminiumlegierung, Magnesiumlegierung, Mg2Sn, einer intermetallischen Al-Mg-Verbindung wie z. B. Al₃Mg₂ und Kupfer gebildet. Sie kann auch etwas Zinn enthalten.
In einer Ausführungsform wird die Zwischenlagenmaterial-Zusammensetzung in der Form eines Pulvers oder dergleichen verwendet, um das Klebefügeverbinden und die Verteilung in und das Legieren mit dem durch das Reibrührwerkzeug verflüssigten Metall von den benachbarten, einander zugewandten Werkstücken zu ermöglichen. Das zusätzliche Beschichtungsmaterial wird auf die Kontaktbereiche von überlappenden oder aneinanderstoßenden Werkstücken aus verschiedenen Metallzusammensetzungen aufgebracht. Das Beschichtungsmaterial kann als ein loses Pulver auf einander zugewandten Flächen eines oder beider Stücke angeordnet werden, bevor sie zusammengesetzt und für das FSW gestützt werden. Das Hinzufügen des Zwischenlagenmaterials kann mithilfe jedes geeigneten Beschichtungsverfahrens wie z. B. Kaltspritzen, Elektronenstrahl-Vakuumbedampfen, thermisches Spritzen etc. oder durch Plattieren oder einfach durch Hinzufügen eines dünnen Stückes aus einem Material mit einer geeigneten Zusammensetzung zusätzlich zur Anwendung als lose Pulver erfolgen.
Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus einer detaillierten Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung offensichtlich.
Figurenliste

1 ist ein Graph, der die Überlappungsscherfestigkeit von FSSW-Fügestellen mit Zwischenlagenzusammensetzungen aus Klebstoff-Metallpulvermischungen und Metallpulvern ohne Klebstoff zeigt.
2 veranschaulicht die Bildung einer linearen Sequenz von Reibrührpunktschweißverbindungen in der Fläche von überlappenden Kanten eines z. B. ersten Metalllegierungswerkstückes mit einem zweiten Metalllegierungswerkstück. Ein Reibrührschweißwerkzeug ist in einer zurückgezogenen Position, bereit für die Bildung einer dritten Punktschweißverbindung, veranschaulicht. Eine Beschichtung aus gemischtem Klebstoff und pulverisiertem Material wurde zwischen die überlappenden Flächen entlang des Weges von vorgesehenen Punktschweißverbindungen angeordnet.
3 veranschaulicht eine Querschnittsdarstellung einer einzelnen Punktschweißverbindung und eines benachbarten Bereiches, die in der Anordnung von 2 gebildet wurden, wobei die verformten Bereiche des ersten und des zweiten Metalllegierungsstückes mit der Rührzone und dem sich daneben befindenden Beschichtungsmaterial gezeigt sind.
4 veranschaulicht aneinander stoßende Stücke aus verschiedenartigen Metallbändern oder -platten mit einer Lage Beschichtungsmaterial aus Klebstoff und Legierungspulvern, die zwischen den aneinanderstoßenden Flächen angeordnet ist.
5 veranschaulicht ein Reibrührwerkzeug in dem Prozess des Bildens einer kontinuierlichen Reibrühr-Stoßschweißnaht zwischen den aneinanderstoßenden Metallstücken von 4.
6 veranschaulicht das Reibrührschweißen von überlappten Blechen aus verschiedenen Basislegierungszusammensetzungen mit einer dünnen Zwischenlage aus Klebstoff und Metallpulvern, die zwischen den Metallblechen entlang des Weges der Schweißverbindungen angeordnet ist.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Das Reibrührschweißen von verschiedenartigen Metallen, z. B. von Werkstücken aus einer Aluminiumlegierung an solche aus einer Magnesiumlegierung verursacht oft die Bildung einer relativ großen Menge von spröden, intermetallischen Phasen mit einem niedrigen Schmelzpunkt, was für die Erreichung von hohen Fügestellenfestigkeiten unerwünscht ist. Das Schmelzen in FSW-Arbeitsschritten kann bewirken, dass das Rührzonenmaterial an dem Stiftwerkzeug klebt und daher nur geringe Fügestellenfestigkeiten erreicht werden.
In verschiedenen Beispielen wurde eine Reibrührpunktschweißung von 1,6 mm dicken Bändern aus einer AA5754 Aluminiumlegierung an 1,3 mm dicken Bändern aus einer AZ31 Magnesiumlegierung durchgeführt. Die Stücke wurden auf einem Stahlamboss gestützt. Ein Reibrührwerkzeug mit einer Sondenhöhe von etwa 2,4 mm, einem Sondendurchmesser von etwa 3 mm und einem Werkzeugschulter-Durchmesser von etwa 10 mm wurde mit einer Drehzahl von etwa 1600 U/min gedreht und auf die Aluminiumfläche mit einer Kraft von etwa 8 kN aufgebracht. Die Sonde wies eine mit einem Gewinde versehene Außenfläche auf. Die Sonde drang durch das Aluminiumband und in das Magnesiumband. Die verflüssigte Punktschweißverbindung wurde in wenigen Sekunden gebildet und das Werkzeug und die Sonde wurden zurückgezogen. Nachdem eine Punktschweißverbindung gebildet war, wurden die Bleche einer Scherbelastung unterzogen, um die Festigkeit zu testen, die den gefügten Stücken durch die einzelne Punktschweißverbindung bereitgestellt wurde. Es wurde ein Überlappungsscherfestigkeitswert von nur etwa 41 kg erhalten. Während die Schmelzpunkte der jeweiligen Bänder über 600 °C lagen, ist bekannt, dass Magnesium und Aluminium eutektische Zusammensetzungen bilden, die um mehr als 150 °C niedriger schmelzen. Es scheint, dass solche spröden Zusammensetzungen mit einem niedrigen Schmelzpunkt, die während des Reibrührschweißens gebildet werden, zu der Schwäche der Punktschweißverbindung geführt haben.
Es wurde festgestellt, dass viel höhere Punktschweißverbindungs-Festigkeitswerte erhalten werden können, wenn z. B. eine Mischung aus Kupfer- und Zinnpulverpartikeln oder eine Mischung aus Kupfer-, Zinn- und Zinkpulvern oder Zinkpartikel zwischen den Aluminium- und Magnesiumwerkstücken eingebracht werden. Diese Mischungen können auch die Korrosionseigenschaften der Schweißfügestelle verbessern. Der Zusatz eines Klebstoffes zu den Pulverpartikeln erhöht ferner die Punktschweißverbindungsfestigkeitswerte. Der Klebstoff stellt ein Vehikel zum Aufbringen der Pulver auf die zu schweißende Fügestelle bereit. Der Anteil des Klebstoffes, der während des Schweißens nicht weg gebrannt wird, bildet eine klebeverbundene Fügestelle. Der Zusatz des Klebstoffes kann so die Gesamtfügestellenfestigkeit von etwa 318 kg auf etwa 680 kg erhöhen.
Die Überlappungsscherfestigkeit der reibrührpunktgeschweißten Fügestellen von 1,6 mm AA5754 Aluminium an 1,3 mm AZ31 Magnesium unter Verwendung von Kupfer-Zinnpulver-Zwischenlagenmaterialien, wobei der Gewichtsanteil von Kupfer zwischen 0,1 und 0,9 variierte, wurde von etwa 41 kg auf 91 - 204 kg für jene Schweißverbindungen ohne die Kupfer-Zinn-Zwischenlagen verbessert. Die Pulvermischung mit einem Kupferanteil von 0,25 ergab die Überlappungsscherfestigkeit von 204 kg. In einer weiteren Ausführungsform, in der ein Band aus einem 1,3 mm AZ31 Magnesiumblech (das an der Oberseite, d. h. an der Werkzeugseite angeordnet ist) an ein Band aus einem 2,5 mm AA5754 Blech mit einem Stahlamboss reibrührpunktgeschweißt wurde, wurde eine Überlappungsscherfestigkeit von etwa 91 kg ohne jegliche Beschichtungszusätze erhalten.
Bei der Verwendung einer Zwischenlage aus Zinkpulver wurde eine Überlappungsscherfestigkeit von etwa 191 kg erhalten. Bei der Verwendung einer Zwischenlage aus einem Klebstoff und 25 Gew.-% Cu, 75 Gew.-% Sn-Metallpulver gemeinsam mit einem Kupferamboss wurde eine Überlappungsscherfestigkeit mit einer Höhe von 680 kg für ein an ein 1,3 mm Band aus AZ31 Magnesium geschweißtes 1,6 mm Band aus AA5754 Aluminium erhalten. FSW-Fügestellen, die mit der Klebstoff- und Metallpulvermischung hergestellt wurden, hatten eine 20-50 %ige Erhöhung der Festigkeit im Vergleich zu Fügestellen zur Folge, die nur durch den Zusatz der Metallpulver ohne den Klebstoff hergestellt wurden.
In weiteren Versuchen wurden Reibrühr-Punktschweißverbindungen an überlappenden Aluminium- und Magnesiumbändern gebildet, während sie auf einem Kupferamboss mit hoher thermischer Leitfähigkeit gestützt wurden. Der Amboss mit hoher thermischer Leitfähigkeit war dimensioniert und geformt, um überschüssige Wärme (die ein Schmelzen verursacht) von dem Reibrühr-Punktschweißverbindungsbereich des unteren von den Werkstücken, welches gegen den Kupferamboss gepresst wurde, schnell abzuleiten. Es zeigte sich, dass drei Metallpulverzusammensetzungen, die, auf das Gewicht bezogen, einen Teil Kupfer auf drei Teile Zinn, jeweils einen Teil Kupfer, Zinn und Zink (hierin nachfolgend als Kupfer-Zinn-Zink bezeichnet) und 100 % Zink umfassen, die Überlappungsscherfestigkeit einer zwischen den Bändern aus Aluminium- und Magnesiumlegierung gebildeten Reibrühr-Punktschweißverbindung deutlich erhöhen.
In einer Testreihe wurden Beschichtungen aus gemischten Kupfer-, Zinn- und Zinkpartikeln mittels einer Kaltspritz-Beschichtungsprozedur bis zu einer Dicke von etwa 0,2 mm auf die Aluminiumbänder aufgebracht. Das Kaltspritzen kann unter Verwendung eines Ultraschallträgergases, um die Metallpulver in Richtung des zu beschichtenden Substrats anzutreiben ausgeführt werden. Die Hochgeschwindigkeitspartikel prallen auf das Substrat und verformen sich zu einer dichten und haftenden Beschichtung. Die Gastemperatur in der Spritzdüse liegt unter der Schmelztemperatur der Partikel. Bei der zusätzlichen Verwendung eines Kupferambosses wurden Überlappungsfügestellen-Scherfestigkeiten über 340 kg für FSSW-Fügestellen des 1,6 mm dicken AA5754 Aluminiums zu dem 1,3 mm dicken AZ31 Magnesium erhalten. Zum Beispiel ergab die Beschichtungszugabe von jeweils einem Teil Kupfer, Zinn und Zink eine durchschnittliche Überlappungsscherfestigkeit von 272 kg, 100 % Zink 295 kg, und einem Teil Kupfer auf drei Teile Zinn 340 kg. Die Verwendung eines Kupferambosses und/oder eines wassergekühlten Ambosses, z. B. eines wassergekühlten Stahlambosses, reduziert die Temperatur der Rührzone während des Schweißens durch Abführen der überschüssigen erzeugten Wärme und ist hilfreich, um eine solide oder relativ feste Rührzone aufrechtzuerhalten.
Es wurden auch FSSW-Versuche mit auf einem Kupferamboss gestützten 1,6 mm dicken AA5754 Aluminium zu 1,3 mm dicken AZ31 Magnesium unter Verwendung anderer Pulvermischungen wie z. B. 10Cu-90Sn (227 kg), 25Ag-75Sn (227 kg), 25Ag-65Sn-10Zn (279 kg), Zn (295 kg), 10C-90Sn (227 kg), Al₂O₃ (249 kg), 50Al-50Al₂O₃ (275 kg) (wobei die Zusammensetzungen in Gewichtsprozent angegeben sind) im Vergleich mit einer Überlappungsscherfestigkeit von bis zu 113 kg ohne die Zugabe irgendwelcher Beschichtungs- oder Pulvermischungen durchgeführt. Die Zusammensetzungen sind in Gewichtsprozent angegeben, wobei die durchschnittlichen Überlappungsscherfestigkeiten in den Klammern nach jeder Pulvermischung angegeben sind. Es gibt andere Pulvermischungen, welche die Fügestellenfestigkeit ebenfalls deutlich erhöhten, z. B. ergab eine Al₂O₃- und 25 Gew.-% Cu-75 Gew.-% Sn-Pulvermischung (annähernd gleiche Volumenanteile) eine durchschnittliche Überlappungsscherfestigkeit von 315 kg. Die Pulverzugaben können auch an der oberen Fläche (d. h. an der Reibrührwerkzeugseite) oder der oberen Fläche und den Stoßflächen erfolgen. Zum Beispiel ergab ein FSSW von einem 1,3 mm AZ31 Blech an ein 2,5 mm AA5754 Aluminiumblech mit Aluminiumpulvern auf der Oberseite des AZ31 Blechs und Kupfer-Zinn-Zink-Pulvern an den Stoßflächen eine Überlappungsscherfestigkeit von 263 kg.
Es wurden auch FSSW-Versuche mit durch einen Kupferamboss abgestütztem 1,6 mm dicken AA5754 Aluminium zu 1,3 mm dickem AZ31 Magnesium unter Verwendung von Zwischenlagenzusammensetzungen mit und ohne Klebstoff ausgeführt. 1 zeigt die Überlappungsscherfestigkeit der FSSW-Fügestellen aus diesen Versuchen und einer ohne FSSW verbundenen Fügestelle, gegenüber der unteren Dicke (in Millimeter) der endgültigen Tiefe der Schweißverbindungen. Die Rautendatenpunkte stehen für FSSW-Fügestellen mit einer Klebstoff- und Metallpulvermischung. Die Kreisdatenpunkte stehen für FSSW-Fügestellen mit einer 25 Gew.-% Cu-75 Gew.-% Sn-Beschichtung, die mittels der Kaltspritzbeschichtungsprozedur bis zu einer Dicke von etwa 0,2 mm aufgebracht wurde. Die Dreieckdatenpunkte stehen für FSSW-Fügestellen mit einer Cu-Sn-Zn-Beschichtung (gleiche Gewichtsprozent), die mithilfe der Kaltspritzbeschichtungsprozedur bis zu einer Dicke von etwa 0,1 mm aufgebracht wurde. Die Quadratdatenpunkte stehen für Fügestellen, die ohne einen FSSW-Arbeitsschritt verbunden werden, wobei eine Klebstoff- und Metallpulvermischung auf die Fügestellen aufgebracht wurde. Wie durch die Rautendatenpunkte zum Ausdruck kommt, erhöht die Zugabe des Klebstoffes die Festigkeit der FSSW-Verbindung signifikant. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Klebstoff, der während des FSSW-Prozesses nicht weg gebrannt wird, aushärtet und die Fügestellenfestigkeit erhöht.
Es werden weitere Methoden des Reibrührschweißens mit Pulverbeschichtungen beschrieben.
In 2 überlappt eine Kante 14 eines Bandes 10 (oder eines Blechs oder einer Platte oder einer anderen Werkstückform) aus einer ersten Metallzusammensetzung eine Kante 16 eines zweiten Bandes 12 (oder eines Blechs oder einer Platte oder einer anderen Werkstückform) aus einer zweiten Metallzusammensetzung. Zur Illustration kann die erste Metallzusammensetzung eine Aluminiumlegierung sein und die zweite Metallzusammensetzung kann eine Magnesiumlegierung sein. Die untere Fläche 18 des oberen Bandes 10 liegt gegen die obere Fläche 20 des Bandes 12 an. In dieser Ausführungsform sind die überlappenden Kanten 14, 16 der jeweiligen Bänder parallel, und es ist vorgesehen, eine Reihe von Reibrühr-Punktschweißverbindungen in einer Linie zwischen den parallelen Kanten 14, 16 zu bilden. Eine Beschichtungslage oder Zwischenlagenzusammensetzung 22 mit einer Zusammensetzung, die vorbestimmt ist, um die Festigkeit der Punktschweißverbindungen zu verbessern, wurde auf eine Fläche zumindest eines der Bänder 10, 12 aufgebracht, bevor sie in der veranschaulichten überlappenden Position zusammengesetzt wurden. In diesem Beispiel ist die Beschichtungslage 22 in einem allgemein rechtwinkligen Band (Kante in Volllinie und Strichlinien in 2) zwischen den einander zugewandten Flächen 18, 20 der Bleche 10, 12 aufgebracht. Die Beschichtungslage 22 erstreckt sich den Weg der vorgesehenen Punktschweißverbindungen entlang. Die Zwischenlagenzusammensetzung 22 kann eine Klebstoff- und metallische und/oder nichtmetallische Pulverzusammensetzung oder -mischungen umfassen. In einer Ausführungsform, in der die Metallteile jeweils aus einer Magnesiumlegierung und einer Aluminiumlegierung gebildet sind, können Zwischenlagenzusammensetzungen wie jene, die oben beschrieben sind, in den Beschichtungen verwendet werden.
Die überlappenden Bänder 10, 12 werden zusammengesetzt und gegen die angewendete Kraft eines Reibrührwerkzeuges 24 gestützt. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung sind die Werkstücke 10, 12 auf einem Amboss mit hoher thermischer Leitfähigkeit gestützt, wie in 6 veranschaulicht und in Verbindung mit dieser Fig. ausführlicher beschrieben ist. Der Stützamboss ist in 2 nicht veranschaulicht. Das Reibrührwerkzeug 24 weist einen runden zylindrischen Körper 26, der in eine konzentrische, kegelstumpfförmige konische Spitze 28 übergeht, und eine mit einem Gewinde versehene axiale Sonde 30 auf. Die Sonde kann auch eine konische Form aufweisen. Die Gewinde an der Sonde 30 können durch stufenförmige Spiralen oder andere geeignete Profile ersetzt sein, die das Reibrühren und die Bildung einer starken Schweißverbindung unterstützen. Die untere Fläche der kegelstumpfförmigen konischen Spitze stellt eine ringförmige Schulter 32 bereit, von der sich die axial verlaufende Sonde 30 weg erstreckt. Die Sonde 30 und die Schulter 32 werden beim Reibrührschweißen gedreht und in Eingriff mit einer vorbestimmten Reibrührkontaktfläche von Werkstücken gepresst. Wie bekannt, können die Schulter 32 und die Sonde 30 separat betätigt werden und mit verschiedenen Drehzahlen rotieren, wobei deren Mechanismen hierin nicht beschrieben sind. In der Ausführungsform, die in 2 veranschaulicht ist, sind Punktschweißstellen an der oberen Fläche 34 des Werkstückbandes 10 speziell vorgesehene Kontaktbereiche für die Sonde 30 und die Schulter 32 des Reibrührwerkzeuges 24.
Bei Reibrührschweiß-Arbeitsschritten ist das Reibrührwerkzeug 24 fest in einer elektrischen Reibrührmaschine, nicht gezeigt, gehalten, welche geeignet ist, um die Werkzeugsonde 30 und die ringförmige Schulter 32 gegen eine oder mehrere Flächen eines Werkstückes oder von Werkstücken anzuordnen. In 2 ist das Reibrührwerkzeug 24 in einer Stellung mit der Rotationsachse 36 des Werkzeuges einschließlich der Sonde 30 allgemein rechtwinklig zu einer Punktschweißstelle (durch das Kreuzzeichen 38 in 2 angegeben) ausgerichtet positioniert. Die Reibrührmaschine ist geeignet, um das Reibrührwerkzeug 24 wie durch den Drehpfeil angezeigt zu drehen. Die Reibrührmaschine rückt das Werkzeug kraftvoll vor (senkt das Werkzeug in 2 durch den nach unten gerichteten Pfeil), sodass die rotierende Sonde 30 und Schulter 32 zuerst in die Fläche 34 des Bandes 10 eingreifen und durch das Band 10 in das Band 12 eindringen. Wie in größerem Detail unter Bezugnahme auf 3 beschrieben wird, erzeugt der Reibungskontakt zwischen der rotierenden Sonde 30 und Schulter 32 und den Materialien der jeweiligen Werkstücke eine intensive lokale Erwärmung. Das in Eingriff stehende Material wird verflüssigt. Nach einer kurzen Dauer eines solchen Reibrührens wird das Werkzeug 24 vorübergehend von dem Kontakt mit den Werkstücken zurückgezogen. Das verflüssigte oder gerührte Metall verfestigt sich, um eine Punktschweißverbindung (z. B. die Punktschweißstellen 40, 42 in 2) zu bilden, und das Werkzeug 24 rückt in eine nächste Reibrühr-Punktschweißposition wie z. B. über die Stelle 38 vor. Die Punktschweißstellen 40 und 42 spiegeln das Eindringen der mit einem Gewinde versehenen Sonde 30 und den Eingriff der Fläche 34 des Bandes 10 mit der Schulter 32 des Werkzeuges 24 wider. In diesem Beispiel beträgt die Rotationsgeschwindigkeit des Werkzeuges 24 1600 U/min, wenn es mit einer Kraft von 8 kN in die Werkstücke gepresst wird. Die Sonde kann etwa 2,5 mm durch das Band 10 und in das Band 12 eindringen.
3 ist eine schematische (und nicht unbedingt maßstabgetreue) Querschnittsansicht einer Reibrühr-Punktschweißstelle wie z. B. des Bereiches der Reibrühr-Punktschweißstelle 40 in 2. In 3 sind fragmentarische Abschnitte des oberen Bandes 10 und des unteren Bandes 12 zu sehen. Im Allgemeinen bleibt ein konisches Loch 44 an der Punktschweißstelle nach dem Herausziehen des Werkzeuges 24 nach oben, das die Sonde 30 und die Schulter 32 von deren Eindringen in die Werkstücke anhebt. Das Loch 44 erstreckt sich durch den betroffenen Abschnitt des Bandes 10 und durch etwa 50 % oder mehr der Dicke des Bandes 12 hindurch. Im Fall dieser Punktschweißverbindung fügt eine ringförmige Masse aus verfestigtem gerührten Material 46 die Bänder 10, 12 lokal in der Punktschweißverbindung. Es sind stufenförmige, spiralförmige Vertiefungen 47 von der Sonde 30 in dem gerührten Material 46 zu sehen. Es ist eine dünne Lage aus unverbrauchter Zwischenlagenzusammensetzung 22, welche einen Klebstoff umfassen kann, der während des Fertigungsprozesses ausgehärtet ist, zu sehen, welche die Punktschweißstelle 40 umgibt. Die Grenzfläche zwischen den Bändern 10 und 12 ist durch die Punktschweißverbindung verformt, wie aus der oberen Krümmung der Zwischenlagenzusammensetzung 22 neben dem verfestigten Schweißverbindungsmaterial 46 zu sehen. Das verfestigte gerührte Material 46 umfasst Materialien von dem Band 10, dem Band 12, der aufgebrachten Pulverzusammensetzung 22 und deren umgesetzten Produkten, falls vorhanden.
Somit umfasst die Rührzone 46 in dem Beispiel, in dem das Band 10 eine Aluminiumlegierung ist, das Band 12 eine Magnesiumlegierung ist und das Beschichtungsmaterial einen Klebstoff, Kupfer, Zinn und/oder Zink umfasst, jedes von Magnesium (und einige seiner Legierungsbestandteile), Aluminium (und einige seiner Legierungsbestandteile), Kupfer, Zinn, Zink und deren Legierungen oder Verbindungen (z. B. Mg₂Sn, Al₃Mg₂), die sich während des Reibrührprozesses bilden können und jeglichen Klebstoff, der während des Prozesses nicht weg gebrannt wurde.
4 veranschaulicht aneinanderstoßende Bänder (oder Platten oder andere Werkstückformen) 110, 112. Das Band 110 ist aus einer ersten Metallzusammensetzung hergestellt und das Band 112 ist aus einer zweiten und verschiedenartigen Metallzusammensetzung gebildet. Die Bänder 110, 112 weisen komplementäre, ausgerichtete aneinanderstoßende, einander zugewandte Kanten auf, zwischen denen eine Lage 122 aus einem Beschichtungsmaterial angeordnet ist, um die Bildung einer starken Reibrühr-Stoßschweißverbindung entlang der aneinanderstoßenden Kontaktflächen zu verbessern. Die Zusammensetzung der Beschichtungslage 122 ist aus Erfahrung oder experimentell vorbestimmt, um mikrostrukturelle Bestandteile für die Schweißverbindung vorzusehen, um die Schweißfügestelle zwischen den jeweiligen verschiedenartigen Zusammensetzungen der Bänder 110 und 112 zu festigen. Die Beschichtungslage 122 kann einen Klebstoff und/oder metallische Pulver und/oder nichtmetallische Pulver, wie oben beschrieben, umfassen. Die Dicke der Beschichtungslage 122 kann in der Größenordnung von wenigen Zehntelmillimetern bis wenigen Millimetern oder ähnlich liegen und bestimmt sein, um eine geeignete Menge von Klebstoff und Legierungselementen oder Festigungsbestandteilen für die Stoßschweißverbindungsstelle bereitzustellen.
5 veranschaulicht die Wirkung eines Reibrührwerkzeuges 124, wenn es gedreht (siehe Drehrichtungspfeil) und in die Pulver- oder Beschichtungslage 122 und die aneinanderliegenden Kanten der Bänder 110 und 112 gepresst wird (abwärts gerichteter Pfeil). In dieser Reibrührschweiß-Ausführungsform wird das rotierende Werkzeug 124 in die aneinanderstoßenden oberen Flächen der Werkstückbänder 110, 112 an der linken Seitenkante (wie in 5 zu sehen) gesteckt und fortschreitend entlang deren Grenzfläche querüber bewegt (quer gerichteter Pfeil, der nach rechts zeigt). Die benachbarten verschiedenartigen Metallflächen und die dazwischen angeordnete Pulver- oder Beschichtungslage 122 werden gerührt und gemischt. Wenn das Reibrührwerkzeug 124 die einander zugewandten Werkstückflächen entlang vorrückt, wird eine verfestigte Raupe 146 aus gerührtem Material gebildet, die eine lineare Nahtschweißverbindung mit der Schweißfläche 134 zwischen den aneinanderstoßenden Bändern 110, 112 bereitstellt. Wenn eine vollständige Durchdringungs- (durch die Dicke)-Nahtschweißverbindung durch Schweißen nur von einer Seite aus nicht erzielt werden kann, dann kann ein zusätzlicher Schweißarbeitsschritt von der gegenüberliegenden Seite aus erfolgen. Eine vollständige Durchdringungsschweißverbindung kann auch durch Verwendung eines selbstreagierenden Stiftwerkzeuges erzielt werden, wie aus der offen zugänglichen Literatur bekannt.
Die Zusammensetzung der verfestigten Raupe 146 aus gerührtem Material umfasst Elemente der Metallzusammensetzungen der Bänder 110, 112 und der Grenzflächen-Beschichtungslage 122, einschließlich eines jedweden Klebstoffes, der während des FSW-Prozesses nicht weg gebrannt wurde. Die kombinierten Zusammensetzungen stellen eine stärkere Schweißfügestelle zwischen den Bändern 110 und 112 bereit, als eine, die ohne die Verwendung der Beschichtungszusammensetzung 122 erhalten wird.
6 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, in der eine lineare Nahtschweißverbindung zwischen überlappenden Aluminiumlegierungs- und Magnesiumlegierungsblechen durch einen Reibrührschweißprozess gebildet ist. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Verwendung einer Beschichtungslage aus einem Klebstoff und zusätzlichen pulverisierten Legierungselementen durch die Verwendung eines Stützambosses mit hoher thermischer Leitfähigkeit ergänzt, um die Fügeverbindungsfestigkeit der Reibrührschweißverbindung zu erhöhen.
Wie in 6 veranschaulicht, weist ein erstes rechteckiges Aluminiumlegierungsblech 210 eine Kante 212 auf, die über einer Kante 214 eines rechteckigen Magnesiumlegierungsblechs 216 liegt und diese überlappt. Die Dicke der Bleche 210, 216 kann oft im Bereich von etwa einem halbem Millimeter bis etwa vier Millimeter liegen; allerdings kann das untere Werkstück 216 dicker als vier Millimeter sein, wenn ein/e dicke Platte, Strangguss oder Gussteil ein Teil der Reibrührschweißanordnung sein soll. In diesem Beispiel sind die Bleche 210, 216 mit derselben Dicke gezeigt und ihre Dicke ist etwas übertrieben, um den Reibrührschweißprozess zu veranschaulichen. Auch sind in diesem Beispiel die Kanten 212 und 214 parallel und eine lineare Nahtschweißverbindung soll in einer Linie allgemein parallel zu den Blechkanten 212, 214 und zwischen diesen angeordnet gebildet werden.
Eine Beschichtungslage 225 mit einer Zusammensetzung, welche vorbestimmt ist, um die Festigkeit der Überlappungsnahtschweißverbindung zu verbessern, wurde auf eine Fläche zumindest eines der Bleche 210, 216 aufgebracht, bevor sie in der veranschaulichten überlappenden Position zusammengesetzt wurden. In diesem Beispiel ist die Beschichtungslage 225 in einem allgemein rechteckigen Band (Kante in Volllinie und Strichlinien in 6) zwischen den einander zugewandten Flächen der Bleche 210, 216 aufgebracht. Die Beschichtungslage 225 erstreckt sich den Weg der vorgesehenen linearen Nahtschweißverbindung entlang. In einer Ausführungsform, in der die Metallteile jeweils aus einer Aluminiumlegierung und einer Magnesiumlegierung gebildet sind, kann die Beschichtungslage Mischungen aus einem Klebstoff und Kupfer-Zinn, Kupfer-Zinn-Zink, Zink oder andere Zusammensetzungen wie die oben beschriebenen umfassen. In diesen Fällen, in denen mehr als zwei Bleche geschweißt werden sollen, können Zwischenlagenmaterialien wie z. B. die Beschichtungslage 225 auf einige oder alle der Stoßflächen aufgebracht sein. Die Beschichtungszusammensetzungen können auch, je nach den Zusammensetzungen von zwei benachbarten Grundmaterialien, an verschiedenen Stoßflächen verschieden sein. Dieser Fall gilt sowohl für die linearen Reibrührschweißals auch für die Reibrührpunktschweißprozesse, die oben beschrieben sind.
Unter neuerlicher Bezugnahme auf 6 sind die Abschnitte, die aus überlappenden Blechen 210, 216 geschweißt werden sollen, auf einem Stapel aus drei rechteckigen Kupferlegierungs-Ambossplatten 218, 220, 222 angeordnet, welche in diesem Beispiel die gleiche Größe und Form aufweisen. Die Anordnung von überlappenden Blechen 210, 216 für das Reibrührschweißen ist durch ein geeignetes Spann- oder Einspannmittel, nicht gezeigt, fixiert. In 6 erstrecken sich die Ambossplatten 218, 220, 222 über die Kanten 212, 214 der Bleche 210, 216 hinaus. In diesem Beispiel wird ein Stapel von drei Ambossplatten 218, 220, 222 verwendet. Es kann jedoch eine einzige Ambossplatte oder eine andere Anzahl von Platten verwendet werden, um eine geeignete Wärmeabfuhr von der Reibrührschweißstelle auf den dünnen Magnesium- und Aluminiumblechen zu erhalten. Manchmal ist z. B. eine größere Ambossmasse oder eine Wasserkühlung der Ambossplatten erwünscht, wenn Reibrührschweiß-Arbeitsschritte kontinuierlich und anhaltend stattfinden und die Temperatur des Ambosses ansteigen kann.
Ein Reibrührwerkzeug 224 mit einem runden zylindrischen Werkzeugkörper 226 und einem kegelstumpfförmigen konischen Endabschnitt 228, der eine profilierte Sonde 230 trägt, wird bei der Herstellung der Nahtschweißverbindung verwendet. Das Reibrührwerkzeug 224 ist in dem Futter einer angetriebenen Reibrührschweißmaschine, nicht gezeigt, gepackt, die das Reibrührwerkzeug 224 um eine Längsachse am Zentrum des runden Werkzeugkörpers 226, des konischen Endabschnitts 228 und der axialen Sonde 230 dreht. Die Reibrührmaschine positioniert das Reibrührwerkzeug 224 über die überlappenden Bleche 210, 216, wobei die Sonde 230 fast rechtwinklig an der oberen Fläche 232 des oberen Blechs 210 geführt wird. In diesem Beispiel dreht die Reibrührmaschine das Reibrührwerkzeug 224, wie durch den gekrümmten umlaufenden Pfeil in 6 angezeigt, und presst das Ende der Sonde 230 gegen die Fläche 232 des Aluminiumlegierungsblechs 210, wie durch den vertikalen Pfeil angezeigt.
Wenn die rotierende Sonde 230 des Reibrührwerkzeuges 224 in das Blech 210 gepresst wird, verflüssigt es sich und rührt das darunter liegende und benachbarte Aluminiumlegierungs- und Magnesiumlegierungs-Blechmaterial wie auch die dazwischen liegende Beschichtungsmateriallage 225. Die Reibrührsonde 230 dringt durch die Dicke des Aluminiumlegierungsblechs 210 in das Magnesiumlegierungsblech 216 ein. Bei der Bildung der Nahtschweißverbindung, wie in 6 veranschaulicht, wird das Reibrührwerkzeug 224 mit der sich drehenden Sonde 230, welche in das Werkstückmaterial eindringt, in einem linearen Weg allgemein parallel zu den Blechkanten 212, 214 bewegt, um das Metall und die dazwischen liegende Beschichtungslage, die durch das Reibrührwerkzeug 224 in Eingriff stehen, fortschreitend zu rühren und zu erwärmen. Wenn das rotierende Reibrührwerkzeug 224 sich geradlinig entlang seines vorbestimmten Weges bewegt, kühlen und verfestigen sich die zurückbleibenden gerührten, erwärmten und gemischten Blechmetalllagen und das Beschichtungsmaterial wieder. Dieses wieder verfestigte Material ist schematisch bei 234 als teilweise gebildete Schweißnaht veranschaulicht. Die Schweißnaht 234 umfasst gemischte Elemente des Aluminiumlegierungsblechs 210, des Magnesiumlegierungsblechs 216 und der dazwischen liegenden Beschichtungslage 225, um einen Verbund aus den Grundmaterialien und den während des Schweißens gebildeten mikrostrukturellen Bestandteilen wie Mg₂Sn und Al₃Mg₂ zu bilden und eine starke Schweißraupe bereitzustellen. Die Schweißnaht 234, welche Materialien von der Lage 225 enthält, welche jeglichen Klebstoff umfasst, der während des Schweißprozesses nicht weg gebrannt wurde, ist stärker als eine Schweißnaht, die nur aus den ursprünglichen Aluminium- und Magnesiumlegierungsbestandteilen gebildet ist.
In diesem Beispiel dringt die Sonde 230 durch die Dicke des oberen Blechs 210 und in das darunterliegende Blech 216 bis zu einer vorbestimmten Tiefe ein. Nachdem das rotierende Reibrührwerkzeug 224 eine vorbestimmte Länge über die überlappenden Bleche 210, 216 hinweg bewegt wurde, erstreckt sich die lineare Schweißnaht 234 über die Breite der Bleche 210, 216 mit einer vorbestimmten Länge hinweg.
In dieser Ausführungsform ist ein Stapel von drei Kupferplatten 218, 220, 222 gewählt, um überschüssige Wärme von dem vom Reibrühren betroffenen Bereich der Anordnung von überlappenden Blechen zu entziehen, um das Schmelzen des vom Rühren betroffenen Materials zu vermeiden oder zu minimieren. Die thermische Leitfähigkeit und die Masse der drei Platten (oder einer anderen Anzahl oder Größe der Platten) wird experimentell oder durch ein anderes Untersuchungsmittel vorbestimmt, um das Reibrührschweißen der Bleche 210, 216 zu erleichtern, um die erwünschte Güte der Schweißverbindung und der überlappenden Blechanordnung zu erhalten.
Die obige Ausführungsform beschreibt ein Beispiel des Reibrührschweißens eines Aluminiumblechs an ein Magnesiumblech, wobei sich das Aluminiumblech oben (d. h. an der Eintrittseite des Reibrührschweißwerkzeuges 224) befindet. In dieser Ausführungsform werden Ambosse mit hoher thermischer Leitfähigkeit wie z. B. Hartkupferlegierungs- oder wassergekühlte Stahlambosse verwendet, um überschüssige Wärme zu entziehen und entsprechende Temperaturen an der Schweißverbindungsstelle aufrechtzuerhalten, um die erwünschte Güte der Schweißverbindung und der überlappenden Blechanordnung zu erhalten.
In einer weiteren Ausführungsform, in der sich das Magnesiumlegierungsblech oben befindet und die Aluminiumlegierung das untere Werkstück in Kontakt mit dem stützenden Amboss ist, kann ein Stahl- oder ein thermisch weniger leitfähiger Amboss verwendet werden, wenn das Wärmeentziehungsvermögen des Aluminiumwerkstückes kombiniert mit dem Amboss übermäßig ist, sodass die erforderliche Güte der Schweißverbindung und der überlappenden Blechanordnung nicht erhalten werden kann. Dieser Fall gilt sowohl für die linearen Reibrührschweiß- als auch für die Reibrührpunktschweißprozesse, die oben beschrieben sind.

Claims

Verfahren zum Bilden einer Reibrührschweißverbindung zwischen zwei oder mehreren Metallwerkstücken (11, 110, 210; 12, 112, 216) aus verschiedenartigen Metallen oder metallbasierten Legierungszusammensetzungen, - wobei das Verfahren umfasst, dass: - eine Anordnung gebildet wird, in der zumindest zwei Werkstücke (11, 110, 210; 12, 112, 216) Stoßflächen mit einer Stoßflächen-Schweißverbindungsstelle (40, 42) aufweisen, an der die Reibrührschweißverbindung gebildet werden soll, und wobei ein Werkstück eine Fläche mit einer Reibrühr-Eingriffstelle zum Eingriff mit einem rotierenden Reibrührschweißwerkzeug aufweist; - eine Zwischenlagenzusammensetzung (22, 122, 225) an einer oder beiden von der Reibrühr-Eingriffstelle oder der Stoßflächen-Schweißverbindungsstelle (40, 42) angeordnet wird, wobei die Zwischenlagenzusammensetzung (22, 122, 225) eine Mischung aus einem Klebstoff und zumindest einem Metallpulver umfasst; und - die Metallwerkstücke (11, 110, 210; 12, 112, 216) mit einem Reibrührwerkzeug (24, 124, 224) reibgerührt werden, welches anfänglich in die Reibrühr-Eingriffstelle eingreift und die Werkstücke (11, 110, 210; 12, 112, 216) zu jeder Stoßflächen-Schweißverbindungsstelle (40, 42) durchdringt, - wobei die Wirkung des Reibrührwerkzeuges (24, 124, 224) das Mischen der Zwischenlagenzusammensetzung (22, 122, 225) mit Metallelementen der Werkstücke (11, 110, 210; 12, 112, 216) bewirkt und ein Schweißverbindungsmaterial an der Stoßflächen-Schweißverbindungsstelle (40, 42) bildet, wobei das Schweißverbindungsmaterial Bestandteile von der Zwischenlagenzusammensetzung (22, 122, 225), jedem Metallwerkstück (11, 110, 210; 12, 112, 216) und jeglichen umgesetzten Produkten umfasst, - wobei die Wirkung des Reibrührwerkzeuges (24, 124, 224) bewirkt, dass zumindest ein Teil des Klebstoffes aushärtet und die Metallwerkstücke (11, 110, 210; 12, 112, 216) aneinander klebt, - wobei ein Metallwerkstück (11, 110, 210; 12, 112, 216) ein Magnesiumlegierungswerkstück ist und ein Metallwerkstück (11, 110, 210; 12, 112, 216) ein Aluminiumlegierungswerkstück ist und - wobei die Kombination der Bestandteile der Zwischenlagenzusammensetzung (22, 122, 225) Kupfer, Zinn und Zink aufweist und so mit den Bestandteilen der Metallwerkstücke (11, 110, 210; 12, 112, 216) und deren umgesetzten Produkten die Korrosionseigenschaften und die Festigkeit der Schweißfügestelle verbessert und die Viskosität des geschmolzenen Rührzonenmaterials während des Schweißens erhöht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Anordnung auf einem Amboss (218, 220, 222) getragen ist, der ausgebildet ist, ein Schmelzen an der Schweißverbindungsstelle zu vermeiden oder zu minimieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kombination der Bestandteile der Zwischenlagenzusammensetzung (22, 122, 225) mit den Bestandteilen der Metallwerkstücke (11, 110, 210; 12, 112, 216) die Schmelztemperatur des Schweißverbindungsmaterials erhöht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Anordnung von Werkstücken (11, 110, 210; 12, 112, 216) eine erste und eine zweite Stoßfläche mit einer ersten und einer zweiten Stoßflächen-Schweißverbindungsstelle (40, 42) aufweist und dieselbe Zwischenlagenzusammensetzung (22, 122, 225) in das Schweißverbindungsmaterial jeder von der ersten und der zweiten Stoßflächenschweißverbindungsstelle (40, 42) gemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Anordnung von Werkstücken (11, 110, 210; 12, 112, 216) eine erste und eine zweite Stoßfläche mit einer ersten und einer zweiten Stoßflächen-Schweißverbindungsstelle (40, 42) aufweist und eine erste Zwischenlagenzusammensetzung (22, 122, 225) an der ersten Schweißverbindungsstelle in das Schweißverbindungsmaterial gemischt wird und eine zweite, andere Zwischenlagenzusammensetzung (22, 122, 225) an der zweiten Schweißverbindungsstelle in das Schweißverbindungsmaterial gemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zwischenlagenzusammensetzung (22, 122, 225) den Klebstoff und eines oder mehrere von Aluminiumoxid, Aluminium und Silber aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zwischenlagenzusammensetzung (22, 122, 225) Kohlenstoff aufweist.