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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen artungleicher Fügepartner, insbesondere von Aluminium- und Kupferbauteilen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Durch ein breites Anwendungsspektrum besteht ein zunehmendes Interesse am Fügen artungleicher metallischer Werkstücke. Um den entsprechenden Randbedingungen Genüge zu leisten, ist der traditionelle elektrotechnische Werkstoff Kupfer mit seiner verlustarmen Stromtragfähigkeit und hohen Wärmeabfuhr gut geeignet, jedoch bietet auch insbesondere Aluminium unter Kostenaspekten und anderer technischer Eigenschaften, wie geringes Gewicht, gute Gründe zum Einsatz in vielerlei Applikationen. Um jeweils eine optimale Materialauswahl bei unterschiedlichen Elementen der Systeme treffen zu können, ergeben sich zwangsweise vielfach Übergänge zwischen Grundwerkstoffen, wie beispielsweise Kupfer und Kupferlegierungen sowie Aluminium und Aluminiumlegierungen. Dabei erfordert die Aufbau- und Verbindungstechnik oft Fügetechniken an ausreichend großen Querschnitten derartiger Werkstoffpaarungen unter knappen Platzverhältnissen.
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Insgesamt hängen die mechanischen und elektrischen Eigenschaften von Verbindungsstellen zwischen verschiedenen metallischen Grundwerkstoffen sehr stark von der Verteilung der beim Verschweißen entstehenden intermetallischen Phasen ab. Insbesondere in Form eines zusammenhängenden Netzwerks können diese Phasen das Verformungsvermögen der Verbindung sowie den elektrischen Widerstand stärker beeinträchtigen als in Form kleiner, voneinander getrennter Einlagerungen. Insgesamt können sich durch die intermetallische Phasen die an sich guten Basiseigenschaften der einzelnen Werkstoffe oftmals empfindlich verschlechtern.
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Die genannte Problematik wird bereits in den Patentschriften
US 2,916,815 und
US 2,790,656 im Zusammenhang mit Löt- oder Schweißverbindungen der Fügepartner Aluminium und Kupfer angeführt. Hierbei wird insbesondere eine störende Härtesteigerung und Versprödung der Fügenaht angesprochen.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2004 009 651 B4 ist ein Verfahren zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner, insbesondere von Aluminium-Kupfer-Verbindungen bekannt, wobei zwischen den zwei Fügepartnern Schichten einer Lage eines wiederum metallischen Schweißzusatzwerkstoffes angeordnet wird und die beiden Fügepartner unter Einbindung des Schweißzusatzwerkstoffes mit Hilfe eines Laserstrahls verschweißt werden. Als bevorzugter Zusatzwerkstoff ist Silber oder Nickel genannt, der in Form einer separaten Folienlage mit einer Dicke von etwa 100 μm zum Einsatz gelangt. Angedacht ist dabei auch, dass die flächigen Fügepartner und die Zusatzwerkstoff-Lage mittels eines gepulsten Laserstrahls stumpf an ihren freiliegenden Randkanten miteinander punktverschweißt werden, wobei der Laserstrahl gegenüber den Fügeflächen versetzt in Richtung zu einem der beiden Fügepartner hin appliziert wird. Die Verbesserung der Schweißergebnisse durch den Versatz wird auf eine gezielte Änderung der Mischungs- sowie Abkühlverhältnisse zurückgeführt. Im speziellen System Aluminium-Kupfer ist ein Versatz in Richtung zum Aluminium gewählt, da die Kupferoberfläche aufgrund ihrer hohen Reflektivität eine geringe Einkopplung für den Laserstrahl zeigt.
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Des Weiteren ist aus der
EP 0 794 032 B1 ein Verfahren zur Herstellung miteinander verschweißter Teile aus einem Aluminium- und Kupferwerkstoff bekannt, wobei die Teile wiederum durch eine Laserstrahlschweißung verbunden werden. Hierbei kann der Aluminiumwerkstoff mit einer Wärmeabsorptionsschicht beschichtet sein. Mit dieser Verbindungstechnik können offenbar auch beschichtete Teile miteinander verbunden werden, ohne dass die Beschichtung während des Verschweißens außerhalb des unmittelbaren Schweißnahtbereichs beschädigt wird. Insbesondere bei der Verbindung dünner Bleche oder Folien aus Aluminium mit Kupfer kann es sich als zweckmäßig erweisen, die Schweißung mit einem Zusatzwerkstoff durchzuführen. Eine bevorzugte Anwendung des Verfahrens zur Herstellung von Sonnenkollektoren und Wärmeaustauschern wird im stoffschlüssigen Verbinden von Rohren aus einem Kupferwerkstoff mit Blechen oder Folien aus einem Aluminiumwerkstoff gesehen.
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Um die Duktilität der Fügezone zu erhalten, muss beispielsweise beim Schweißen von Cu und Al die Bildung großer Anteile der bereits angesprochenen intermetallischen Phasen vermieden werden. Nach aktuellem Stand der Technik wurde dies bisher mit noch keinem Schmelzschweißverfahren erreicht. Zum direkten Verbinden von Cu und Al sind deshalb anscheinend nur Schweißverfahren geeignet, die ohne ein Aufschmelzen der Fügepartner auskommen, wie z. B.: Diffusionsschweißen, Pressschweißen, Walzplattieren, Sprengplattieren, Reibschweißen, eventuell Reibrührschweißen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner und insbesondere von Aluminium-Kupfer-Verbindungsstellen anzugeben, das insbesondere verbesserte Eigenschaften des Materialübergangs erzielt.
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Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
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Die Erfindung schließt ein Verfahren zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner ein, insbesondere von Bauteilen aus Aluminium und Kupfer, einschließlich deren Legierungen, mit folgenden Verfahrensschritten: Bereitstellen der beiden Fügepartner aus metallischem Werkstoff sowie des Schweißzusatzwerkstoffs Silber oder einer Silberlegierung im Fügespalt, wobei an den freiliegenden Randkanten ein stumpfes oder überlappendes Verschweißen der beiden Fügepartner miteinander mit Hilfe des Wolfram-Inertgas-Schweißens (WIG-Schweißen) oder des Plasma-Schweißverfahrens durchgeführt wird und sich hierbei im Fügespalt im Bereich des erstarrten Schmelzebades der mittlere Härtewert HV 550 bis 800 ausbildet. In bevorzugter Weise werden als metallische Fügepartner Bänder verwendet.
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Als prozesstechnisch problematisch wird in erster Linie der Umstand angesehen, dass insbesondere die Werkstoffe Kupfer und Aluminium sowie deren Legierungen große Unterschiede in der Schmelztemperatur und thermischen Ausdehnung zeigen, die zum einen zur Segregation von hoch und niedrig schmelzenden Phasen beim Schmelzschweißen führen und zum anderen den Aufbau von Eigenspannungen in der Fügezone hervorrufen können. Schließlich zeigen beide Werkstoffe in flüssigem Zustand eine vollständige und in festem Zustand eine begrenzte Löslichkeit ineinander. Bei einem Kupfergehalt unter ca. 1 Massen-% beziehungsweise einer Aluminiumkonzentration unter ca. 8 Massen-% kommt es bei einer langsamen Abkühlung zur Mischkristallbildung, während im dazwischen liegenden Konzentrationsbereich das Gefüge im Gleichgewichtsfall Anteile an intermetallischen Verbindungen enthält. Die Mikrohärte solcher intermetallischer Phasen, die im System Cu-Al entstehen können, ist signifikant größer als die von reinem Aluminium beziehungsweise Kupfer. Höhere Härten von intermetallischen Verbindungen bedingen eine Verringerung der Duktilität und führen zu einer Kerb- und Rissempfindlichkeit der Verbindungen. Wegen ihrer nicht reinmetallischen Natur zeigen intermetallische Phasen gegenüber den Grundmaterialien auch einen grundsätzlich höheren spezifischen Widerstand.
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Demgegenüber geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass sich mittels der genannten Wolfram-Inertgas- oder Plasma-Schweißverfahren gerade an der besonders empfindlichen Fügestelle intermetallische Phasen mittlerer Härte einstellen. Silber und Silberlegierungen reduzieren in Verbindung mit dem verwendeten Schweißverfahren überraschend die Bildung von intermetallischen Phasen im Bereich des erstarrten Schmelzebades. Auch wird hierbei der elektrische Widerstand der Schweißverbindung auf einem entsprechend geringen Maß gehalten. Gegenüber den Ausgangsmaterialien findet eine geringe Härtesteigerung in Verbindung mit einer Erhöhung der Bruchfestigkeit statt. Es können sich sogar biegbare Schweißverbindungen ausbilden, die weniger anfällig gegenüber einer Kontaktkorrosion sind. Bei freier Biegung im Bereich der Fügezone findet eine Verformung in der Wärmeeinflusszone eines der beiden Fügepartner statt. Unter Zugbelastung versagt hierbei die Fügeverbindung in der Wärmeeinflusszone eines der beiden Fügepartner.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung können Au-, Cu-, Mn-, Pd-, Sn-, In- oder Ni-haltige Silberlegierungen verwendet werden. Bei der Verwendung unterschiedlicher Legierungssysteme ist letztendlich in deren Zusammensetzung darauf zu achten, dass die mittleren Härtewerte HV 550 bis 800 mittels des WIG-Schweißens oder des Plasma-Schweißverfahrens eingestellt werden.
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Vorteilhafterweise wird vor dem Verschweißen der beiden Fügepartner der Zusatzwerkstoff durch eine Beschichtung auf zumindest eine der Fügeflächen aufgebracht. Derartige Beschichtungen lassen sich durch geeignete physikalische oder chemische Aufdampfverfahren im Vorfeld des eigentlichen Fügeprozesses abscheiden.
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Demgegenüber ist es auch möglich, dass eine separate Folienlage verwendet wird. Die Folien werden üblicherweise unmittelbar vor Schweißprozess zwischen den Fügepartnern angeordnet.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Beschichtung oder die separate Folienlage eine Dicke von 0,2 bis 5 mm aufweisen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Schaubilder näher erläutert.
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Darin zeigen:
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1 ein Schaubild zur Härtemessung über den Bereich eines erstarrten Schmelzebades mit dem Schweißzusatzwerkstoff Silber, und
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2 Spannungs-Dehnungskurven einer mit dem Schweißzusatzwerkstoff Silber gefügten Probenserie.
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Zur Messung der Härte wurden von verschiedenen Proben Längsschliffe hergestellt. An diesen wurden Härteprofile gemessen, die den Verlauf der Härte, ausgehend vom Cu-Blech, über das erstarrte Schmelzebad bis hin zum Al-Blech wiedergeben. 1 zeigt beispielhaft ein Schaubild zur Härtemessung über den Bereich eines erstarrten Schmelzebades mit dem Schweißzusatzwerkstoff Silber. Die beiden Fügepartner Aluminium und eine niedrig legierte Kupferlegierung sind mit niedrigen Härtewerten in Zone 1 bzw. 2 angeordnet. Dazwischen befindet sich in Zone 2 das erstarrte Schmelzebad im Bereich des Fügespaltes. In diesem Fall handelt es sich um den Schweißzusatzwerkstoffs Silber. Der mittlere Härtewert im Bereich des Fügespalts beträgt ca. HV 650.
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In 2 sind mehrere Spannungs-Dehnungs-Diagramme dargestellt, die das Zugverhalten der unterschiedlichen Schweißverbindungen charakterisieren. Die mit Silber als Pufferwerkstoff geschweißten Bleche zeigen Zugfestigkeiten von 70–80 MPa. Ein Bruch erfolgt dabei stets außerhalb der Schweißnaht, im vorliegenden Fall im Aluminiumblech. Obwohl die Schweißnaht gegenüber dem übrigen Fügewerkstoff spröder ist, hat sie offensichtlich bei dieser Belastungsart eine höhere Festigkeit als das Aluminium in unmittelbarer Nähe zur Schweißnaht. Das Aluminium schnürt dabei ein und reißt bei ungefähr 70–80 MPa.
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Zu Vergleichszwecken wurden Zugversuche an nicht geschweißten, reinen Aluminium-Zugstäben gleicher Abmessung durchgeführt. Diese zeigen eine etwas höhere Festigkeit von etwa 110 MPa. In unmittelbarer Nähe zur Schweißnaht ist das Aluminium also weniger fest als im Grundzustand. Eine plausible Erklärung für diese Beobachtung wäre eine Kornvergröberung durch Kornwachstum in der Wärmeeinflusszone beim Schweißen.
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Silber als Pufferwerkstoff führt zwar bis zu einem gewissen Grad zur Bildung härterer intermetallischer Phasen, die Schweißnaht ist jedoch längst nicht so rissanfällig und zeigt im Zugversuch eine höhere Festigkeit als die Wärmeeinflusszone des Al-Blechs. Wenn man derartige Schweißnähte hin- und her biegt, so hält die Schweißnaht üblicherweise stand, die Probe verbiegt sich in der Wärmeeinflusszone des Aluminiumblechs. Es hat sich gezeigt, dass die Schmelzebaddynamik beim WIG-Schweißen oder Plasmaschweißen so hoch ist, dass stets eine komplette Vermischung der beteiligten Elemente im flüssigen Zustand stattfindet. Es wird durch die erfindungsgemäße Lösung jedoch ein Schmelzschweißprozess angegeben, in dem die intermetallischen Sprödphasen in ausreichend geringen Anteilen auftreten. Dabei ist eine geringfügige Aufhärtung der Fügezone akzeptabel.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2916815 [0004]
- US 2790656 [0004]
- DE 102004009651 B4 [0005]
- EP 0794032 B1 [0006]
