DE102011103617B4

DE102011103617B4 - Verfahren zum Bilden einer Festkörper - Schweißverbindung

Info

Publication number: DE102011103617B4
Application number: DE102011103617.6A
Authority: DE
Inventors: David R. Sigler; James G. Schroth
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-06-14
Filing date: 2011-06-08
Publication date: 2016-05-12
Anticipated expiration: 2031-06-09
Also published as: US8590768B2; US20110303736A1; CN102310287A; CN102310287B; DE102011103617A1

Abstract

Verfahren zum Bilden einer Festkörper-Schweißverbindung zwischen einem ersten Metall- oder Metalllegierungswerkstück und einem zweiten Metall- oder Metalllegierungswerkstück, wobei das erste Metall oder die erste Metalllegierung Aluminium oder Kupfer ist, das zweite Metall oder die zweite Metalllegierung Aluminium oder Kupfer ist, mit der Maßgabe, dass, wenn eine/s von den ersten oder zweiten Metallen oder Metalllegierungen Aluminium ist, das/die andere von den ersten oder zweiten Metallen oder Metalllegierungen Kupfer ist, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein reaktives Material gewählt wird, wobei das reaktive Material ein metallisches Element oder eine Legierung aus zwei oder mehreren Elementen oder eine Mischung aus zwei oder mehreren verschiedenen Elementen oder Legierungen in einer Form ist, um zwischen und in Kontakt mit einer ersten Fügefläche des ersten Metalllegierungswerkstückes und einer ersten Fügefläche des zweiten Metalllegierungswerkstückes angeordnet zu werden, wobei die metallischen Elemente oder die Legierung derart gewählt sind/ist, dass sie mit zumindest der ersten Fügefläche des ersten Metalllegierungswerkstückes reagieren/t, wenn sie auf eine Temperatur unter der Solidustemperatur der ersten Metalllegierung erwärmt werden/wird, um ein flüssigkeitshaltiges Reaktionsprodukt zu bilden, welches das/die metallische/n Element/e und das erste Metalllegierungselement umfasst; eine Anordnung aus dem ersten Metalllegierungswerkstück und dem zweiten Metalllegierungswerkstück hergestellt wird, wobei ihre jeweiligen ersten Fügeflächen durch das reaktive Material Seite an Seite getrennt sind, wobei die Menge des reaktiven Materials vorbestimmt ist, um eine speziell festgelegte Menge eines oder beider Werkstücke/s beim Bilden des Reaktionsproduktes zu verbrauchen; die Anordnung auf einem ersten Druckniveau gepresst wird, sodass die einander zugewandten ersten Fügeflächen mit dem reaktiven Material in Eingriff stehen, und das reaktive Material für eine vorbestimmte Zeit erwärmt wird, um das Reaktionsprodukt zu bilden und Abschnitte der einander zugewandten Werkstücke zu verbrauchen; im Wesentlichen das gesamte gebildete Reaktionsprodukt zwischen den verbleibenden Fügeflächen heraus gezwungen wird; und ...

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft allgemein Schweißverfahren und im Spezielleren Festkörper-Schweißverfahren zum Fügen von Werkstücken aus Metall oder Metalllegierungen wie z. B. Aluminiummetall oder -legierungen oder Kupfermetall oder -legierungen.
Hintergrund der Erfindung
Das Fügen von Metallen wie z. B. Aluminiumlegierungen oder Kupferlegierungen wird durch das Vorhandensein von sich schnell bildenden Oxidschichten wie auch ihre inhärent hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit erschwert. Punktschweißen kann schwierig sein und erfordert die Vorbereitung der Werkstückoberfläche, hohe Ströme, starke Kräfte und mechanisch gut ausgerichtete und stabile Elektroden. Auf Grund der Reaktion zwischen der Aluminiumwerkstücklegierung und der Kupferelektrode oder des Schweißens der Kupferwerkstücklegierung an die Kupferelektrode ist eine kurze Elektrodenlebensdauer häufig. Die resultierende Schweißverbindung zwischen Aluminiumwerkstücken kann eine hohe Festigkeit, unter gewissen Bedingungen jedoch ein schlechtes Hochzyklus-Ermüdungsverhalten, aufweisen.
Lithium-Batterien für Fahrzeuganwendungen benötigen ein Verfahren, um die Batteriezellen an eine Leiter- oder Sammelschiene zu fügen. Die Batteriezellen verwenden typischerweise dünne Aluminium- und Kupferbleche als Elektrodensubstrate. Diese Elektrodenbleche beinhalten eine Erweiterung, die als Kontaktfahne bekannt ist und sich von der Zellentasche nach außen erstreckt und verwendet wird, um das Elektrodenblech während der Batteriemontage an die Kupferleiter- oder -sammelschienen zu fügen. Es werden üblicherweise zwei Arten von Kontaktfahnenmaterialien im Batterieaufbau verwendet: Aluminium und Kupfer. In einigen Fällen können/kann die Kupferkontaktfahnen und/oder der Kupferleiter mit einer dünnen Schicht aus Nickel beschichtet sein, um die Korrosionsbeständigkeit und das Fügen zu verbessern, während Aluminiumkontaktfahnen mit einer Anodisierungsschicht beschichtet sind.
Das Fügen der dünnen Kontaktfahnenmaterialien an den viel dickeren Kupferleiter ist aus mehreren Gründen schwierig. Erstens erfordern die Aufstapelungen das Fügen mehrerer separater Teile aus Metall, z. B. drei separater Kontaktfahnen an einen Leiter, in einem Arbeitsschritt. Zweitens umfasst eine der Aufstapelungen eine Metallkombination, d. h. Kupfer und Aluminium, von der bekannt ist, dass sie spröde intermetallische Verbindungen bildet. Drittens ist das Dickenverhältnis zwischen dem Leiter und den Kontaktfahnen hoch, typischerweise mindestens etwa 5:1.
Ultraschallschweißen wurde für diese Anwendung mit einem gewissen Erfolg verwendet. Es ermöglicht das Fügen von verschiedenartigen Metallen und ist in der Lage, Materialien mit beträchtlichen Unterschieden in der Blechdicke zu fügen. Es besteht jedoch eine beträchtliche Schwierigkeit beim Fügen von Aufstapelungen, die mehr als zwei Bleche enthalten, da sich die Ultraschallenergie, d. h. die Schwingungen parallel zu der Blechoberfläche, nicht gut über die Blech/Blech-Grenzflächen hinweg überträgt. Das oberste Blech koppelt sich gut mit der Ultraschallenergiequelle, da es mit dem Ultraschallwerkzeug oder der Sonotrode in direktem Kontakt steht. Es reagiert daher stark mit dem benachbarten Blech. Die Bleche jedoch, welche in dem Stapel weiter unten angeordnet sind, einschließlich der Leiterschiene, nehmen nicht so viel Ultraschallenergie auf und die resultierende Schweißverbindung kann unter Umständen nicht so stark sein.
Es wurden auch mechanische Befestigungselemente wie z. B. Schrauben oder Klemmen verwendet. Diese sind auf einen sehr geringen Kontaktwiderstand angewiesen, um eine gute elektrische Leitfähigkeit zu erreichen. Der Kontaktwiderstand kann sich jedoch mit der Zeit durch den Aufbau von Oberflächenverunreinigungen, z. B. Oxiden, oder durch Altern des Befestigungselements verschlechtern.
Es können auch gelötete Fügestellen verwendet werden. Allerdings kann die Verwendung von Lötmitteln mit Flussmitteln insbesondere bei Aluminium die Bildung von korrosiven Flussrückständen zur Folge haben, welche die umgebenden Materialien oder die Fügestelle mit der Zeit schwächen, wenn sie nicht durch Reinigungsarbeitsschritte entfernt werden. Diese Arbeitsschritte bringen zusätzliche Kosten mit sich und können je nach Montageablauf in einigen Fällen nicht möglich sein.
Bezüglich des allgemeinen Standes der Technik sei an dieser Stelle ergänzend auf die Druckschriften US 2009/0 001 056 A1 , DE 29 14 314 C3 , US 6 257 481 B1 , US 5 464 146 A , WO 96/31 312 A1 und US 2005/0 136 270 A1 verwiesen.
Es bleibt ein Bedarf an einem Verfahren zum Schweißen von Batteriezellenkontaktfahnen an Leiter- oder Sammelschienen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es werden Werkstücke aus Metall oder Metalllegierungen wie z. B. Aluminium und Kupfer mithilfe eines Reaktionsmetallurgiefügeprozesses gefügt. Durch Anordnen einer Schicht aus einem geeigneten reaktiven Material zwischen den zu schweißenden Oberflächen zum Zweck des Legierens mit dem Oberflächenmaterial und Bilden eines transienten, beweglichen, flüssigkeitshaltigen Reaktionsprodukts (oft eine eutektische oder eine nahezu eutektische Mischung) wird in-situ eine Festkörper-Schweißverbindung gebildet. Die Bildung dieser flüssigkeitshaltigen Phase dient dazu, Oxide und andere Barrieren für das Festkörperschweißen an der vorgesehenen Schweißgrenzfläche zu entfernen. Der Grenzflächenbereich der zusammengebauten Werkstücke wird erwärmt, um das mobile Reaktionsprodukt zu bilden, wird aber bei einer Temperatur unter der Solidustemperatur der Werkstücke gehalten. In dem Prozess zur Ausübung seiner Oberflächenvorbereitungsfunktion wird das Reaktionsprodukt von der Grenzfläche herausgepresst und die gereinigten, erwärmten, in Kontakt stehenden festen Oberflächen werden zusammengepresst, um eine Festkörper-Schweißverbindung zu bilden.
Das Verfahren kann verwendet werden, um Aluminium- oder Kupferwerkstücke (Metalle oder Legierungen einschließlich vernickeltes Kupfer) an andere Aluminium- oder Kupferwerkstücke (Metalle oder Legierungen einschließlich vernickeltes Kupfer) zu fügen.
Das Reaktionsmetallurgiefügeverfahren kann verwendet werden, um viele verschiedene Werkstückformen zu schweißen. Die einander zugewandten Oberflächen können z. B. durch flache Batteriezellenkontaktfahnen und Leiter mit einer flachen Fläche oder durch geformte Flächen bereitgestellt werden.
Die Anwendung dieses Reaktionsmetallurgiefügeprozesses wird als Erstes im Hinblick auf das Fügen von Werkstücken aus ähnlichen Metalllegierungen, z. B. das Fügen einer oder mehrerer Kupferlegierungs-Batteriezellenkontaktfahnen an einen Kupferlegierungsleiter, beschrieben. Die Fügeflächen für die Werkstücke können zuerst von dem vorherigen Bearbeitungsmaterial und anderem Fremdmaterial, welches einen guten Kontakt zwischen den zu schweißenden Oberflächen behindert, gereinigt werden.
Das Reaktionsmetallurgiefügeverfahren umfasst das Anordnen einer Schicht aus einem reaktiven Material, das ein Metallelement oder eine Metalllegierung umfassen kann, zwischen den Kupfer-Batteriezellenkontaktfahnen und dem Kupferleiter. Dieses Material, das zwischen und gegen Fügeflächen angeordnet ist, wird erwärmt und verwendet, um mit den einander zugewandten Werkstückoberflächen zu reagieren, typischerweise durch Diffundieren in die und Legieren mit den Werkstückelemente/n, um ein Reaktionsprodukt zu bilden, das eine geeignete Menge einer Flüssigkeit mit einer niedrigen Schmelztemperatur umfasst (d. h., die Flüssigkeit wird unterhalb des Solidus eines jeden der einander zugewandten Werkstücke gebildet). Das Reaktionsprodukt wird gebildet, um Oxide und andere chemischen Hindernisse für eine Schweißverbindung zwischen dem Material auf Kupferbasis (oder Aluminiumbasis) der Werkstücke zu entfernen. Zusätzlich zu der Flüssigkeit kann das Reaktionsprodukt gebildete Feststoffe oder mitgerissene Feststoffe oder dergleichen umfassen, aber die Flüssigkeit mit der niedrigen Schmelztemperatur ist ein notwendiger Teil des Reaktionsprodukts. Die Zusammensetzung und Menge des dazwischen eingefügten reaktiven Materials sind vorbestimmt, um eine geeignete Menge des flüssigen Reaktionsprodukts und ein geeignetes Fließvermögen für dieses zum Reinigen der Oberflächen zu bilden, und dann, um von der Grenzfläche im Wesentlichen (mit jeglichen darin umfassten Feststoffen) herausgedrückt zu werden. Dies wird bei einer Temperatur unter der/den Solidustemperatur/en der Werkstücke bewerkstelligt. Die Reaktion des dazwischen eingefügten reaktiven Materials mit den Werkstückoberflächen entfernt somit Material von den Werkstücken. Dies kann kritische Abmessungen des/der Werkstücke/s verändern. Dementsprechend wird die Menge des eingesetzten reaktiven Materials, beispielsweise durch Berechnung, aus Erfahrung oder mithilfe von Experimenten, vorbestimmt, um Werkstückoberflächen ohne übermäßiges Entfernen von Werkstückmaterial vorzubereiten. Darüber hinaus kann das Werkstückmaterial mit einer zusätzlichen Dicke ausgeführt sein, um die Ausdünnung, die während der Fügereaktion stattfindet, zu kompensieren.
Das eingesetzte reaktive Material kann in der Form eines dünnen Blechs, von Drähten, Gittern, Blättchen oder Partikeln vorhanden sein. In der Ausführungsform zum Fügen von Kupferlegierungs-Batteriezellenkontaktfahnen an einen Kupferleiter ist das zugesetzte Material derart gewählt, dass es mit dem Kupfer in den einander zugewandten Blechflächen in Kontakt steht und reagiert, um (eine) eutektikumartige Phase/n mit einem niedrigen Schmelzpunkt mit einem Schmelzpunkt unter etwa 1085°C zu bilden. Es gibt eine Anzahl von Elementen, die Flüssigkeiten mit einem niedrigen Schmelzpunkt mit Kupfer bilden. Diese umfassen Al, Si und Zn. Al und Si bilden beide Eutektika mit Cu, und diese weisen Schmelzpunkte von 548°C für Cu-Al und 802°C für Cu-Si auf. Das Cu-Zn-System weist einen großen Bereich von Phasen mit niedrigen Schmelzpunkten von 420°C bis 902°C auf. Neben Reinmetallen können Legierungen als das Zusatzmittel verwendet werden, das Kombinationen aus dem Substratbasismetall mit den Zusatzmittelelementen, z. B. Cu-Al- oder Cu-Si-Legierungen, umfassen würde. Darüber hinaus könnten Zusatzmittel, die aus Cu-P-Legierungen zusammengesetzt sind, verwendet werden, um Kupfersubstrate zu fügen, da das Eutektikum zwischen Cu und P einen Schmelzpunkt von 710°C deutlich unter dem Schmelzpunkt von Cu aufweist, und sind dafür bekannt, dass sie Oberflächenoxide auf Kupfer reduzieren und/oder entfernen.
Zum Fügen von vernickelten Kupferkontaktfahnen aneinander und/oder an einen vernickelten Kupferleiter sollte das Zusatzmittel eine eutektikumartige Flüssigkeit mit einem Schmelzpunkt unter etwa 1085°C bilden und sollte auch mit der Vernickelung reagieren und diese lokal entfernen. Die Vernickelung ist typischerweise etwa 10 Mikrometer oder etwa 5% des Kupferkontaktfahnenblechs dick. Wie oben angeführt, umfassen die Elemente, die Flüssigkeiten mit einem niedrigen Schmelzpunkt mit Cu bilden, Al, Si und Zn. Al und Si bilden beide Eutektika mit Cu und diese weisen Schmelzpunkte von 548°C für Cu-Al und 802°C für Cu-Si auf. Das Cu-Zn-System weist einen großen Bereich von Phasen mit niedrigen Schmelzpunkten von 420°C bis 902°C auf. Um die Vernickelung wirksam zu durchbrechen, sollte das Zusatzmittel keine intermetallischen Verbindungen mit einem hohen Schmelzpunkt mit Nickel bilden und sollte mit diesem ein Eutektikum mit niedriger Temperatur aufweisen. Al weist ein Eutektikum mit Ni bei 640°C auf, bildet jedoch intermetallische Nickel-Alumininid-Verbindungen (Al₃Ni). Damit die Reaktion effektiv ist, sollten der Aluminiumzusatz und die Nickelschicht keine übermäßigen Mengen von Al₃Ni (42 Gew.-% Al) produzieren. Um ein Minimum von 50% Flüssigkeit als das Reaktionsprodukt sicherzustellen, sollte ausreichend Al zur Verfügung stehen, sodass die Gesamtzusammensetzung des Reaktionsprodukts weniger als etwa 30 Gew.-% Ni aufweist. Das erforderliche Minimalvolumen an reinem Al-Zusatzmittel würde, wenn man von einer 10 Mikrometer dicken Vernickelung auf beiden Substraten ausgeht, nur etwa 70% des Volumens der Vernickelung betragen, oder, geht man von einer einheitlichen Al-Folie aus, würde die Folie nur etwa 14 Mikrometer dick sein (Al-Dichte von 2,70 g/cm³ und Ni-Dichte von 8,90 g/cm³). Dickere Folien würden die Bildung von größeren Flüssigkeitsmengen zur Folge haben. Dies würde sicherstellen, dass die eutektische Flüssigkeit die Vernickelung weglösen und die Reaktion mit dem Substrat beginnen könnte, ohne übermäßige Mengen von intermetallischen Verbindungen mit einem hohen Schmelzpunkt zu bilden. Silizium würde nicht so gut funktionieren, da die niedrigste Temperatur, bei der Ni und Si eine Flüssigkeit bilden, 954°C beträgt. Zink würde ebenfalls nicht so gut funktionieren, da nur sehr zinkreiche Legierungen niedrige Schmelzpunkte aufweisen, so weist z. B. eine γ-Phase mit 80 Gew.-% Zn einen Schmelzpunkt von 881°C auf. Neben Reinmetallen können Legierungen als das Zusatzmittel verwendet werden, das Kombinationen aus dem Substratbasismetall mit den Zusatzmittelelementen, z. B. Cu-Al-Legierungen, umfassen würde.
Zum Fügen von Aluminiumelektroden an einen Kupferleiter (oder Kupferelektroden an einen Aluminiumleiter) sollte das Zusatzmittel ein Material mit einem niedrigen Schmelzpunkt mit einem Schmelzpunkt unter jenem von Aluminium, d. h. 660°C, bilden. Al kann als das Zusatzmittel verwendet werden, da es ein Eutektikum mit Cu bei 548°C bildet. Sobald das Eutektikum gebildet ist und eine Reaktion mit dem Substrat beginnt, kann sich die Reaktion durch Verbrauch sowohl des Aluminiumblechelektroden- als auch des Kupferleitermaterials fortsetzen. In diesem Fall könnte die Steuerung des Fügeprozesses entweder durch Einsatz der entsprechenden Zeit zum Erwärmen der Fügestelle, oder bevorzugt, durch Verdrängungsregelung der Auflageplatten aufrechterhalten werden, die die Reaktion beenden würde, sobald eine festgelegte Menge von Blech/Leitermaterial verbraucht wurde.
Um Aluminium-Batteriezellenkontaktfahnen (Metall oder Legierungen) aneinander zu fügen, sollte das Zusatzmittel mit Aluminium, welches einen Schmelzpunkt von 660°C aufweist, eine Flüssigkeit mit einem niedrigen Schmelzpunkt bilden. Geeignete Zusatzmittel umfassen Kupfer, Silizium, Zink und Magnesium. Die minimalen Solidustemperaturen von binären Legierungen, welche aus Aluminium und diesen Elementen gebildet sind, betragen 548°C für Cu-Al, 577°C für Si-Al, 381°C für Zn-Al und 437°C für Mg-Al. Legierungen, welche diese Elemente umfassen, können als das reaktive Material verwendet werden, vorausgesetzt, dass ein geeignetes Flüssigkeitsvolumen bei einer Temperatur unter der Solidustemperatur der Werkstücke gebildet wird. Es können Legierungen als das reaktive Material verwendet werden, die Kombinationen aus dem Werkstückbasismetall mit den Zusatzmittelelementen, z. B. Al-Si-Legierungen oder Al-Si-Cu-Legierungen, zum Fügen von Aluminiumlegierungskomponenten umfassen können.
Als eine weitere Ausführungsform der Erfindung könnten Mischungen aus Partikeln mit deutlich verschiedenen Zusammensetzungen, welche reagieren, um eine flüssigkeitshaltige Phase zu bilden, verwendet werden. Eine geeignete Mischung aus Kupfer- und Aluminiumpartikeln würde z. B. eine Flüssigkeit produzieren, welche mit Aluminiumfügeflächen reagiert und diese benetzt, erzeugt jedoch eine beträchtliche Menge von Reaktionsprodukt, ohne übermäßige Mengen der zu fügenden Komponenten zu verbrauchen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Fügefläche eines oder beider Werkstücke/s mit Oberflächenmerkmalen wie z. B. Mulden, Erhöhungen, flachen Taschen oder Hohlräumen zum Festhalten von reaktivem Grenzflächenmaterial gebildet sein. Im Fall von Hohlräumen können diese durch Auflagen oder Vorsprünge zum Eingriff einer zugewandten Werkstückoberfläche begrenzt sein. Diese Oberflächenmerkmale des Werkstückmaterials sind derart geformt, dass sie das reaktive Material temporär festhalten, bis die montierten Werkstücke erwärmt werden, um den Schweißprozess zu beginnen. Dann reagiert das reaktive Material mit den Werkstückoberflächenmerkmalen, um das Reaktionsprodukt mit seiner Flüssigkeit mit einem niedrigen Schmelzpunkt zu bilden und die Werkstückoberfläche für die Schweißverbindung zu ebnen. In dem Fall, in dem Merkmale wie z. B. Mulden oder Erhöhungen in einem Blech von einheitlicher Dicke gebildet sind, würden die Merkmale das reaktive Material temporär festhalten, bis die montierten Werkstücke erwärmt werden, um den Schweißprozess zu beginnen. Dann reagiert das reaktive Material mit der Werkstückoberfläche, wobei es sich über der gesamten Oberfläche ausbreitet, wenn die Merkmale unter der Belastung verformt werden, um eine kontinuierliche Schweißverbindung zu bilden.
Die Werkstücke mit dazwischen eingefügtem reaktiven Material können auf geeigneten Rahmen, Halterungen, Aufhängern oder dergleichen getragen sein. Es werden eine Heizeinrichtung und eine Presseinrichtung verwendet, um die Werkstücke gegen das reaktive Material zu pressen, und das reaktive Material wird auf eine Temperatur unter den Solidustemperaturen der Werkstücke, aber auf eine Temperatur erwärmt, die geeignet ist, Reaktionen zu unterstützen, die das Reaktionsprodukt bilden, und die Metalloberflächen zu reinigen. In vielen Ausführungsformen der Erfindung können die montierten Werkstücke direkt auf Mechanismen oder einer Einrichtung zum gesteuerten Erwärmen und Pressen der Werkstücke getragen sein. Es können z. B. geeignet geformte Heizblöcke verwendet werden, um mit den Rückseiten (d. h. den nicht fügenden Seiten) der Werkstücke in Eingriff zu stehen. Solche Heizblöcke (die z. B. mittels elektrischem Widerstand erwärmte Blöcke sein können) sind derart geformt, dass sie mit den nach außen weisenden Werkstückoberflächen in Eingriff stehen, um die Fügeflächen der Werkstücke gegen das koextensiv angeordnete reaktive Material zu pressen, und um Wärme durch zumindest eines der Werkstücke hindurch zu dem reaktiven Material zu leiten. Allerdings ist die praktische Umsetzung dieser Erfindung nicht auf Widerstanderwärmung beschränkt. Es können viele andere Heizmittel und Energie liefernde Mittel verwendet werden, um das an den zu fügenden Flächen angeordnete reaktive Material zu erwärmen.
Diese reaktive Metallurgiemethode ist sehr nützlich, um Werkstücke zusammenzuschweißen. In Übereinstimmung mit dieser Erfindung wird das Verfahren praktisch umgesetzt, um die Abmessungen des geschweißten Gegenstandes zu regeln und den Verzug der Einzelteile an der geschweißten Grenzfläche zu minimieren. Dies kann von spezieller Bedeutung sein, wenn die Werkstücke Dicken von nur wenigen Millimetern oder weniger aufweisen, z. B. Batteriezellenkontaktfahnen, welche typischerweise etwa 0,2 mm dick sind. Eine solche maßliche Steuerung wird durch Steuern der Menge von Werkstückmaterial, das von dem reaktiven Material verbraucht und als Reaktionsprodukt verworfen wird, sowie durch Steuern des Ausmaßes der Verformung, welche die Werkstücke während des Fügens erfahren, bewerkstelligt. Für den Fall eines sehr dünnen Materials, das z. B. weniger als 1 mm dick ist, bei dem eine spezifische Endmaterialdicke erwünscht ist, könnte das Material mit einer größeren Dicke produziert und dann sowohl durch die Reaktion als auch durch Spannung auf die gewünschte Enddicke ausgedünnt werden.
Die Temperatur der Grenzfläche wird in dem Heizschritt genau gesteuert, um das mobile Reaktionsprodukt zu bilden, während sie unter den Solidustemperaturen der Werkstückoberflächen bleibt. Ein AA6061-Werkstück kann z. B. einen Solidus von etwa 582°C aufweisen, während ein Aluminium-Kupfer-Eutektikum bei etwa 548°C schmelzen kann. Es können Thermoelemente und Temperatursteuergeräte bei der Steuerung der Grenzflächentemperaturen verwendet werden. Das Anwenden von Druck an der Grenzfläche sollte mit Umsicht erfolgen, um einen Verzug des Schweißbereiches zu minimieren. Es können ein angewendeter erster Druck, um Reaktionsprodukt zum Reinigen der Metalloberflächen zu bilden, und dann ein zweiter Druck verwendet werden, um das Reaktionsprodukt zwischen den gereinigten Oberflächen heraus zu verdrängen. Die Drücke und die Werkstückverdrängung werden jedoch auf Niveaus gehalten, welche eine unerwünschte Verformung der gereinigten und erwärmten Schweißflächen minimieren. Die Grenzflächenverdrängung kann durch Servomotoren, welche z. B. auf Heizblöcke einwirken, oder durch mechanische Anschläge zwischen den Blöcken gesteuert sein.
Somit können die reaktiven Metallurgiefügeverfahren dieser Erfindung praktisch umgesetzt werden, um Festkörper-Schweißverbindungen zwischen Metalloberflächen über einen großen Bereich von Oberflächen zu bilden. Die Verfahren sind auf Blech/Blech-Schweißverbindungen und auf die Bildung von Schweißverbindungen zwischen vielen anderen geschmiedeten und Gusswerkstückformen anwendbar.
Die oben stehenden und weitere Vorteile und neue anwendbare Ergebnisse der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1A-1C zeigen eine schematische Querschnittsansicht des Verfahrens und veranschaulichen drei Stufen in der Entwicklung der Festkörperfügestelle. Die Größen der Werkstücke und der Heizblöcke sind nicht unbedingt maßstabgetreu sondern zur Illustration von Ausführungsformen des Schweißverfahrens gezeichnet.
2 zeigt eine erste Ausführungsform von integralen Oberflächenmerkmalen, die in eine Fügefläche eines oder beider Werkstücke eingebaut sein können, um ein reaktives Material aufzunehmen und eine bessere Steuerung der Fügestellengesamtdicke zu ermöglichen.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines integralen Oberflächenmerkmals, das in eines oder beide der Werkstücke eingebaut sein kann, um ein reaktives Material aufzunehmen und eine bessere Steuerung der Fügestellengesamtdicke zu ermöglichen.
4 ist eine schematische Veranschaulichung einer Einrichtung (elektrische Widerstands-Schweißzangenarme) zum Erwärmen der Schweißgrenzfläche und Anwenden von Druck auf diese in einer Ausführungsform des Verfahrens zum Fügen von Metallkomponenten.
5 ist eine schematische Veranschaulichung einer Ausführungsform des Verfahrens, wobei die Geometrie von zwei zu schweißenden Werkstücken einen zweiseitigen Zugang zum Erwärmen der Schweißgrenzfläche behindert oder verhindert.
6 veranschaulicht eine Ausführungsform des Verfahrens, wobei mehrere Fügestellen zwischen zwei Elementen auf nicht parallelen Flächen gebildet werden sollen.
7 zeigt eine schwach vergrößerte mikroskopische Aufnahme eines Teilstücks einer mithilfe der gegenständlichen Erfindung hergestellten Schweißverbindung und veranschaulicht die Fügestelle, etwas eingeschlossene Hartlötlegierung und ausgestoßene Hartlötlegierung.
8 zeigt eine stark vergrößerte mikroskopische Aufnahme eines Abschnittes der in 7 gezeigten Schweißverbindung und veranschaulicht die Fügestelle und etwas eingeschlossene Hartlötlegierung.
9A–C zeigen eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens und veranschaulichen drei Entwicklungsstufen einer Fügestelle von Kupfer-Batteriezellenkontaktfahnen an einem Kupferleiter.
10A–C zeigen eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens und veranschaulichen drei Entwicklungsstufen einer Fügestelle von Aluminium-Batteriezellenkontaktfahnen an einem Kupferleiter.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung betriff Festkörper-Schweißverfahren zum Fügen von Metall- oder Metalllegierungswerkstücken. Es wird ein Reaktionsprodukt, das ein mobiles flüssigkeitshaltiges Material mit einer niedrigen Schmelztemperatur umfasst, temporär zwischen Fügeflächen gebildet. Das mobile Material wird als ein Reaktionsprodukt zwischen den zu fügenden Oberflächen und einem zuvor angeordneten Material, das speziell wegen seiner Fähigkeit, mit den Basismetalllegierungen zu reagieren, gewählt ist, gebildet. Unter der Wirkung einer angewendeten Kraft wird das Reaktionsprodukt von der Fügestelle verdrängt und hinterlässt gereinigte, oxidfreie Aluminium- oder Kupferoberflächen, die unter fortgesetztem Druck eine Metall/Metall-Verbindung bilden. Das Verfahren wird praktisch umgesetzt, um den Verbrauch und die Verformung der einander zugewandten Flächen der Werkstücke zu regeln.
In vielen Ausführungsformen dieser Erfindung kann das Verfahren verwendet werden, um festkörpergeschweißte Grenzflächen zwischen Kupfermetall- oder -legierungs- oder Aluminiummetall- oder -legierungswerkstücken und weiteren Kupfermetall- oder -legierungs- oder Aluminiummetall- oder -legierungswerkstücken zu bilden. Beispiele für Legierungen auf Aluminiumbasis sind AA1100 (Solidustemperatur von 643°C), AA1060 (Solidus 646°C) und AA1350 (Solidus 646°C).
Das Verfahren kann oft beim Schweißen von Blechen oder anderen Werkstücken mit relativ dünnen Wänden an der Fügestellenposition verwendet werden. Die 1A–1C werden verwendet, um solche Ausführungsformen zu veranschaulichen.
In 1A sind zwei Metallwerkstücke 10 und 20, hier in einer überlappenden Konfiguration gezeigt, zwischen zwei Auflageblöcken 15 bzw. 25 angeordnet, wobei eine Schicht von reaktiven Feststoffteilchen 12 zwischen den vorgesehenen Verbindungsflächen der zu schweißenden Werkstücke 10, 20 angeordnet ist. Wenn die Werkstücke aus (einer) Aluminiumlegierungen gebildet sind, kann das reaktive Material z. B. elementares Kupfer, Magnesium, Silizium und/oder Zink sein. Es können Mischungen dieser Elemente oder Legierungen, die diese Elemente enthalten, als das reaktive Material verwendet werden.
Die Darstellung einer Teilchenform für das reaktive Material soll nicht einschränkend sein. Es könnten auch alternative Formen wie z. B. eine Folie, ein Draht, ein Gitter oder Gewebe verwendet werden, wenngleich, wie in späteren Abschnitten dieser Patentbeschreibung in vollständigerer Form dargelegt ist, Materialformen mit einer unregelmäßigen Geometrie wie z. B. Partikel, Drähte oder Gewebe in gewissen spezifischen Ausführungsformen Vorteile gegenüber einer Folie aufweisen können. Das reaktive Material 12 kann manuell oder durch einen Roboter zu dem Fügestellenbereich transportiert werden, entweder als ein fester Körper, oder, insbesondere für Teilchenformen, als eine Dispersion oder eine Paste in einer entbehrlichen Flüssigkeit mitgeführt, welche entweder mit dem Verfahren verträglich ist oder welche während der Verarbeitung verdampfen wird. Diese Prozeduren sind den Fachleuten auf dem Gebiet des Fügens gut bekannt.
Die Werkstücke werden einem ersten durch die Auflageblöcke angewendeten und senkrecht zu den Auflageblöcken gerichteten Druck p unterworfen, der ausreicht, um zumindest einen guten mechanischen Kontakt zwischen den in Kontakt stehenden Werkstückoberflächen 11 und 21 und dem reaktiven Material 12 herzustellen.
In 1B wurden die Werkstücke 10 und 20 und die reaktiven Feststoffteilchen 12, während sie nach wie vor unter dem Druck p stehen, auf eine Prozesstemperatur T erwärmt, die ausreicht, damit reaktives Material 12 in die Aluminiumlegierungszusammensetzung oder Kupferzusammensetzung der Oberflächen 11 und 21 der Werkstücke hinein diffundiert oder sonst wie damit in Wechselwirkung tritt, um ein Reaktionsprodukt 14 zu bilden. Das Reaktionsprodukt 14 umfasst eine Flüssigkeit mit einem niedrigen Schmelzpunkt, welche das ursprüngliche reaktive Material und zusätzliche elementare Komponenten beinhaltet, die durch die Reaktion mit den und die teilweise Auflösung der Oberflächen 11, 21 der Werkstücke 10, 20 eingebaut wurden. Diese Flüssigkeit mit einer niedrigen Schmelztemperatur kann auch feste Oxide und dergleichen umfassen, welche von den Oberflächen 11 und 21 entfernt wurden. Es wird einzusehen sein, dass die reaktiven Feststoffteilchen 12 derart gewählt sein werden, dass sie aus solch einer anfänglichen Zusammensetzung bestehen, dass die Zufuhr von Legierungselementen von den Werkstücken 10 und 20 den Schmelzpunkt des Reaktionsprodukts 14 nicht auf eine Temperatur erhöhen wird, die höher ist als die Prozesstemperatur T. Stärker bevorzugt wird die Zufuhr von weiteren Elementen zu dem reaktiven Material 12, um das Reaktionsprodukt 14 zu schaffen, zu einer weiteren Herabsetzung des Schmelzpunktes des reaktiven Materials 12 führen, wie es in einer ternären, quaternären oder einer eutektischen Legierung mehr Komponenten zu beobachten wäre.
Wie angeführt, kann das reaktive Material 12 in verschiedenen und/oder in kombinierten festen Formen wie z. B. Partikeln, Drähten, Gittern, Blechen oder Filmen verwendet werden. Die Zusammensetzung und Form des eingefügten Materials sind jedoch gewählt, um Oxidfilme und andere Oberflächenzusammensetzungen auf einander zugewandten Flächen (wie z. B. den Oberflächen 11, 21) der zu schweißenden Aluminium- oder Kupfermetall- oder -legierungswerkstücke zu zerreißen, um das fließfähige flüssigkeitshaltige Reaktionsprodukt 14 zu bilden. Eine schnellere Bildung des Reaktionsprodukts 14 kann durch ein zusätzliches mechanisches Zerreißen der Oxidfilme, das zwischen den montierten einander zugewandten Oberflächen 11 und 21 und dem dazwischen eingefügten reaktiven Material 12 während des Erwärmens stattfinedet, begünstigt werden. Dies kann mithilfe von mechanischer Bewegung, welche Bewegungen quer zu den Fügeflächen sein können, und Ultraschallanregung, welche an einer passenden Stelle von der Schweißzone entfernt übertragen und durch die Auflageblöcke 15 und 25 zu der Schweißzone weitergeleitet werden kann, bewerkstelligt werden.
Es wird bevorzugt, dass das Fließvermögen des Reaktionsprodukts 14 mit seiner/n Flüssigkeit oder Flüssigkeit und Feststoffen unter dem angewendeten Druck p zu dessen Verteilung über dem gesamten mit Druck beaufschlagten Kontaktbereich zwischen den Werkstücken 10 und 20 führen wird, um eine Reaktionszone 16 zu schaffen, welche ausgedehnter sein kann als der Bereich, über dem die Partikel von reaktivem Material 12 ursprünglich verteilt waren.
Es wurde die praktische Umsetzung der Erfindung beschrieben, wenn reaktive Materialien mit einem höheren Schmelzpunkt verwendet werden, die bei der Reaktionstemperatur T fest sind. Es wird einzusehen sein, dass reaktive Materialien mit einem niedrigen Schmelzpunkt, die bei der Reaktionstemperatur T flüssig sind, gleichermaßen geeignet sein werden.
Infolge des angewendeten Drucks p wird das flüssigkeitshaltige Reaktionsprodukt 14 teilweise aus der Reaktionszone 16 ausgestoßen werden, in der vorweggenommenen Methode der Erfindung wird jedoch ein dünner Film aus geschmolzenem Reaktionsprodukt 14 zwischen den oxidfreien Werkstückoberflächen 11 und 21' vorhanden sein, wodurch verhindert ist, dass diese miteinander in Kontakt gelangen. Bedeutsamer ist, dass der dünne Film aus geschmolzenem Reaktionsprodukt 14 das Eindringen von Sauerstoff aus der Umgebung in die Reaktionszone 16 hinein verhindern und dadurch ermöglichen wird, dass die Oberflächen 11' und 21' kontinuierlich frei von Oxidation sind.
In 1C ist die in 1B gezeigte Fügestellenkonfiguration einem zweiten Druck P (oder, falls erwünscht, mehr als zwei Drücken) unterworfen, der/die allgemein deutlich größer ist/sind als p und ausreicht/en, um das Reaktionsprodukt 14 im Wesentlichen vollständig aus der Reaktionszone 16 auszustoßen, um dadurch oxidfreie Werkstückoberflächen 11' und 21' zu ermöglichen, um, noch immer bei der Betriebstemperatur T, einen engen Kontakt zu erreichen und somit eine Festkörperhaftung in der Reaktionszone 16 mit einem Rest Reaktionsprodukt 14 an ihrem Umfang zu erzeugen.
Alternativ könnte die Fügestellenkonfiguration einem angewendeten Druck unterworfen werden, unter dem die Reaktion stattfindet und welcher das Reaktionsprodukt im Wesentlichen vollständig ausstößt. Es werden jedoch zwei Druckniveaus oder ein Druckniveau und eine begrenzte Verdrängung (wie unten stehend beschrieben) bevorzugt.
Schließlich wird zugelassen, dass die gefügten Werkstücke bis etwa auf Raumtemperatur abkühlen und es wird zugelassen, dass das Reaktionsprodukt 14 erstarrt. Das Reaktionsprodukt 14 kann dann von dem Umfang der Schweißzone entfernt werden.
Es wird einzusehen sein, dass mit dem Aufbringen des Druckes p oder des Druckes P eine damit in Verbindung stehende Verdrängung resultieren wird. Wie oben bemerkt, wird angenommen, dass diese mit dem Druck p in Verbindung stehende Verdrängung beim Zerbrechen oder Zerreißen von Oxidschichten, welche andernfalls die Reaktion hemmen würden, von Vorteil ist. Allerdings kann die mit dem Druck P in Verbindung stehende Verdrängung nachteilig sein, da der Druck P auf die erwärmten Bereiche der Werkstücke 10 und 20 zusätzlich zu der Reaktionszone 16 angewendet wird, wo reaktives Material 12 in das Reaktionsprodukt 14 umgewandelt wurde. Die erwärmten Bereiche werden weicher als die benachbarten kalten Bereiche sein und können daher durch die Auflageblöcke 15 und 25 leichter eingedellt werden. Jede derartige Eindellung wird eine Ausdünnung der Werkstücke in der Fügestelle zur Folge haben und kann somit deren Festigkeit herabsetzen. Insofern als Abschnitte der Werkstücke 10 und 20 bereits außerstande sein werden, aufgrund ihres Verbrauchs bei der Reaktion mit dem reaktiven Material 12 und dem nachfolgenden Herausdrücken aus der Fügestelle zu der Fügestelle beizutragen, kann eine weitere Herabsetzung der Fügestellenfestigkeit auf Grund der Ausdünnung unerwünscht sein.
Es werden die Ausgestaltungsanforderungen für die Fügestelle und der Metallurgie des Gesamtsystems – reaktives Material und Werkstücke – berücksichtigt und das Verfahren wird derart praktisch umgesetzt, dass eine Ausdünnung oder eine Verformung an der Werkstückegrenzfläche auf ein geeignetes Ausmaß beschränkt wird. Man betrachte z. B. das Kontaktieren eines 0,5 mm dicken Aluminiumblechs mit einem identischen Blech unter Verwendung einer Kupferfolie als das reaktive Material und das Beschränken des maximalen Verlusts von Aluminium von jedem Blech auf 0,1 mm. Unter diesen Bedingungen und Randbedingungen und in der Kenntnis, dass das gebildete Reaktionsprodukt (14) ein Al-Cu-Eutektikum mit einer Zusammensetzung von etwa 34 Gew.-% Kupfer sein wird, ist es einfach, zu berechnen, dass die Dicke der Kupferfolie weniger als 0,03 mm betragen sollte. Dies setzt selbstverständlich voraus, dass eine Folie mit der gewünschten Dicke ohne weiteres verfügbar ist. Wenn ferner komplexere Legierungssysteme betrachtet werden, kann die Zusammensetzung des resultierenden Reaktionsprodukts (14) unter Umständen nicht von vornherein bekannt sein. Unter Berücksichtigung dieser beiden Aspekte ist es wünschenswert, einen alternativen Ansatz aufzuzeigen.
Folglich ist es in einer zweiten Ausführungsform dieser vorliegenden Erfindung bevorzugt, anstelle des Aufzwingens eines Drucks P eine Verdrängung 6 aufzuzwingen, welche ausreicht, um die gewünschte Festkörper-Schweiverbindung zu erreichen, die Fügestellenausdünnung jedoch begrenzen oder minimieren soll. Die praktische Umsetzung der Erfindung wird dann einen Übergang in der Steuerung der Auflageblöcke von einer Belastungssteuerung (Anwenden von Druck, p) zu der Verdrängungsregelung (Aufzwingen einer Verdrängung, δ) erfordern, wenn das Verfahren fortschreitet. Mittel, um dies zu erreichen, sind den Fachleuten gut bekannt.
1 zeigte die Werkstücke 10 und 20 mit allgemein flachen oder glatten Fügeflächen wie sie z. B. in gewalzten oder stranggepressten Produkten beobachtet werden könnten. Es wird jedoch in Erwägung gezogen, dass diese Erfindung auch praktisch umgesetzt werden kann, wenn eine Fügefläche mit flachen Vertiefungen oder Ausnehmungen zum Festhalten von reaktivem Material und Anordnen gegen eine komplementäre, zugewandte Fügefläche eines weiteren Werkstückes gebildet wird. Zum Beispiel bieten schwerere geschmiedete oder Gussprodukte die Möglichkeit, flache Aufnahmen zum temporären Zurückhalten von reaktivem Material in einer ansonsten flachen oder merkmallosen Fügefläche eines Werkstückes einzubauen, ohne dass ein separater maschineller Bearbeitungsschritt erforderlich ist. Die niedrigen Begrenzungsflächen der Wände oder Seiten der Aufnahmen stellen zweckdienlicherweise Aluminiumlegierungs- oder Kupferlegierungsmaterial für die Reaktion mit dem angeordneten reaktiven Material bereit.
Ein Beispiel für solche Vertiefungen oder Ausnehmungen ist in 2 gezeigt. 2 ist eine fragmentarische Darstellung eines Werkstückes mit einem Abschnitt einer vorgesehenen Fügefläche des Werkstückes. In dieser Ausführungsform kann das Werkstück ein stranggepresster oder Gussgegenstand sein, in dem ein Fügeflächenabschnitt 40 gebildet ist, wobei mehrere parallele Streifen 42 eine kurze Distanz (z. H. etwa einem Millimeter) über das vorgesehene normale Niveau der Werkstückoberfläche 40 hinaus stehen. Die Fügefläche 40 ist hier Teil eines größeren stranggepressten oder Gusswerkstückes. Diskrete Partikel (oder Drähte oder andere Formen) aus reaktivem Material 12 sind sowohl an den oberen Flächen 43 der Streifen 42 und, bei 112, auch zwischen den Streifen 42 gezeigt. Wenn dieses Werkstück gegen ein zweites Werkstück montiert wird, können die Flächen 43 der Streifen 42 anfänglich mit der gegenüberliegenden Fügefläche in Eingriff stehen. Wenn die Fügeflächen der montierten Werkstücke zusammengepresst werden und die Flächen erwärmt werden, kann das reaktive Material 12 und 112 mit dem Material des Streifens 42 und mit einer zugewandten Fläche reagieren, um ein Reaktionsprodukt mit seinem Gehalt an Flüssigkeit mit einem niedrigen Schmelzpunkt zu bilden. Die Streifen 42 können in dieser Reaktion verbraucht werden, um mehr Oberfläche für die zwischen den Werkstücken zu bildende Schweißverbindung vorzusehen. Die Menge von reaktivem Material und die Größe und Anzahl der Streifen (oder eines anderen Vertiefungsbegrenzungsmaterials) ist bevorzugt vorbestimmt, um die Streifen zu entfernen und das Herausdrücken des mobilen Reaktionsprodukts zu erleichtern.
Solch eine Verteilung von reaktivem Material 112 in Vertiefungen oder Hohlräumen kann in vielen praktischen Umsetzungen der Erfindung von Vorteil sein. Der erhöhte Kontakt zwischen reaktivem Material und Hohlraumoberflächen kann Wechselwirkungen zwischen dem Reaktanden und der Werkstückfügefläche verbessern. Eine größere Oberfläche der Fläche wird dem reaktiven Material zur Entfernung der Oberflächenoxidschicht ausgesetzt sein. Und selbst wenn sie nicht vollständig von dem reaktiven Material verbraucht werden, können jegliche verbleibende Oberflächenvorsprünge durch den Druck P verformt werden, um eine Gesamtverformung eines Werkstückes zu reduzieren und zu einer allgemein flachen Grenzfläche zu führen, die dem gewünschten Festkörperkontaktieren unterzogen werden kann.
3 zeigt eine weitere Variante solch einer Werkstückfügefläche, in der kreuz und quer verlaufende Streifen oder Wände 42 auf einer Werkstückoberfläche 40 gebildet sind, um flache Hohlräume 44 zum Aufnehmen von reaktiven Materialpartikeln 112 zu definieren. Es wird einzusehen sein, dass die oberen Flächen 43 der Streifen, wenngleich sie als flach gezeigt sind, mit einem Bereich von Topographien, insbesondere solchen Topographien, die ein effektiveres Zerreißen der Oxidschicht auf dem gegenüberliegenden Werkstück ermöglichen können, hergestellt werden können. Diese Topographien umfassen jene, die durch Sand- oder Stahlkiesstrahlen mit Hochdruckluft hergestellt werden, um eine grobe, aufgeraute Oberflächentextur vorzusehen.
Ein weiteres Beispiel von Merkmalen wie z. B. Vertiefungen oder Ausnehmungen würde die Bildung von Mulden, Erhöhungen oder anderen Merkmalen in einem dünnen Blech von konstanter Dicke sein. In dieser Ausführungsform kann das Werkstück eine gestanzte Blechfolie sein, in der ein Fügeflächenabschnitt mit Merkmalen gebildet ist, die eine kurze Distanz (z. B. etwa 0,1 Millimeter) über das vorgesehene normale Niveau der Werkstückoberfläche hinaus stehen. Die Fügefläche ist hier Teil einer größeren Blechkontaktfahne. Einzelne Partikel aus reaktivem Material sind in die durch die Merkmale gebildeten Vertiefungen eingebettet. Dies dient als eine Möglichkeit, eine einheitliche Verteilung des reaktiven Materials vorzusehen, was bei einer glatten, merkmallosen Oberfläche schwieriger sein kann. Wenn dieses Werkstück gegen ein zweites Werkstück montiert ist, können die Flächen anfänglich mit der gegenüberliegenden Fügefläche in Eingriff stehen. Wenn die Fügeflächen der montierten Werkstücke zusammengepresst werden und die Flächen erwärmt werden, kann das reaktive Material mit beiden Werkstückoberflächen reagieren, um ein Reaktionsprodukt mit seinem Gehalt an Flüssigkeit mit einem niedrigen Schmelzpunkt zu bilden. Die Werkstückoberflächen würden in dieser Reaktion einheitlich verbraucht werden, um mehr Oberfläche für die zwischen den Werkstücken zu bildende Schweißverbindung bereitzustellen. Die Menge von reaktivem Material und die Größe und Anzahl des vertiefungsbegrenzenden Materials ist bevorzugt vorbestimmt.
Die vorhergehende Beschreibung soll ein Verfahren beschreiben, das auf einen großen Bereich von Werkstücken anwendbar ist. Die Metallelement- oder die Legierungszusammensetzungen des reaktiven Materials werden auf der Basis der Zusammensetzung/en des/der Aluminium- oder Kupfermetalls oder -legierung/en, welche/s die Fügeflächen der jeweiligen Werkstücke bildet/en, bestimmt, und sollten derart gewählt sein, dass sie die nachfolgenden Kriterien erfüllen:

a. Die Solidustemperatur des reaktiven Materials (oder Einzelkomponentenpartikels einer Mehrkomponenten-Partikelmischung), welches in den Spalt zwischen dem mit Druck beaufschlagten Bereich der Werkstücke eingebracht wird, kann höher oder niedriger sein als jene der Werkstücke. Das reaktive Material sollte jedoch, wenn es mit den Werkstücken zur Reaktion gebracht oder legiert wird, eine Legierung (Reaktionsprodukt) erzeugen, welche eine Solidustemperatur aufweist, die niedriger ist als jene der Werkstücke, sodass eine Prozesstemperatur T zum Ausbilden des Reaktionsprodukts nicht zu einer übermäßigen Werkstückerweichung führen wird;
b. Die durch die Reaktion des reaktiven Materials mit den Werkstückoberflächen gebildete Legierung muss, wenn sie geschmolzen ist, die Werkstückoberflächen beim Reinigen derselben von Oxiden und anderen Hindernissen für die Ausbildung einer Festkörper-Schweißverbindung zwischen den gereinigten Oberflächen zumindest benetzen. Stärker bevorzugt wird sie auch die oxidierten Werkstückeoberflächen benetzen, sodass sich die geschmolzene Legierung über den gesamten mit Druck beaufschlagten Fügebereich ausbreiten und mit den Werkstücken in Wechselwirkung treten kann; und
c. Die am Ende des Verfahrens gebildete Legierung sollte, wenn der maximale Anteil des Werkstückes aufgelöst worden ist und wenn die Legierung Partikel des vorher vorhandenen Werkstückoxids beinhalten kann, eine derartige Viskosität aufweisen, dass sie im Wesentlichen vollständig aus dem Spalt zwischen dem mit Druck beaufschlagten Bereich des Werkstückes durch den angewendeten Druck P ausgestoßen werden kann.

Vorbehaltlich nur der obigen Spezifikationen kann diese Erfindung an Werkstücken ähnlicher Zusammensetzung, z. B. Aluminiumlegierungen mit identischer oder verschiedener Zusammensetzung oder Legierungsreihen; Werkstücken ungleicher Zusammensetzung, z. B. Aluminium und Kupfer; und beschichteten Materialien, entweder mit denselben oder mit anderen Legierungen, z. B. vernickeltem Kupfer bis Aluminium, praktisch umgesetzt werden.
Für beschichtete Materialien kann die Menge und Zusammensetzung des reaktiven Materials 12 gewählt um, die gesamte Beschichtung einschließlich jeglicher zwischen der Beschichtung und dem Substrat gebildeter Reaktionsprodukte zu entfernen. In speziellen Fällen kann es möglich sein, lediglich einen Teil der Beschichtung zu entfernen, wenn die Kontaktierung zwischen der Beschichtung und dem Substrat ausreichend stark ist, oder wenn die vorteilhaften Auswirkungen der Beschichtung in der Kontaktierung erwünscht sind. Es wird selbstverständlich einzusehen sein, dass die Kontaktierung zwischen dem Substrat und der Beschichtung selbst zu einem Festkörperschweißen in der Lage sein muss. Als ein Beispiel wäre für eine anodisierte Beschichtung auf Aluminium eine vollständige Entfernung der Beschichtung erwünscht, da eine Benetzung des Aluminiums und eine Ausbildung einer Metall/Metall-Kontaktierung mit der vorhandenen Anodisierungsschicht nicht möglich wären.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform zur praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung und veranschaulicht die in 1 gezeigten Elemente eingebaut in einen Trägerrahmen, der eine Punktschweiß-Servozange sein kann. Die Konfiguration der in 4 gezeigten mechanischen Merkmale ist lediglich beispielhaft und ist nicht als Einschränkung des Schutzumfanges der Erfindung auszulegen, die unter Verwendung von verschiedenartig betätigten Punktschweiß-Servozangen sowie mithilfe anderer Vorrichtungen und Mechanismen als Punktschweiß-Servozangen praktisch umgesetzt werden kann. Die Verwendung einer Punktschweiß-Servozange ist jedoch vorteilhaft, da das Verfahren eine programmierte Anwendung von Kräften und/oder Verdrängungen erfordert, was eine Fähigkeit ist, die in heutigen Servo-Schweißzangenkonstruktionen ohne weiteres verfügbar ist.
Um eine Fügestelle wie zwischen den Werkstücken 10 und 20 beschrieben herzustellen, würde der nachfolgenden Prozedur gefolgt werden:
Man positioniere eine geeignete Menge von reaktivem Material 12 in dem vorgesehenen Fügestellenbereich;
man öffne die Verengung 60, um das Beschicken der Werkstücke 10 und 20 mit reaktiven Feststoffteilchen 12 dazwischen zu ermöglichen. In der in 4 gezeigten Anordnung würde dies durch Rotieren des beweglichen Arms 58 um die Achse 52 in der durch den Pfeil 55 angezeigten Richtung, bis der Spalt 60 zwischen dem beweglichen Arm 58 und dem feststehenden Arm 57 ausreichend wäre, um die Werkstücke einzuführen, bewerkstelligt werden;
man schließe die Verengung 60 durch Rotieren des beweglichen Arms 58 um die Achse 52 in einer Richtung entgegengesetzt zu jener durch den Pfeil 55 angezeigten, um zu ermöglichen, dass die Auflageblöcke 15 und 25 mit den Flächen 13 und 23 der Werkstücke 10 und 20 in Kontakt treten und wende einen Druck p an;
man erwärme die Werkstücke 10, 20 und die reaktiven Feststoffteilchen 12 auf eine Temperatur T;
nach einer Zeit, die ausreicht, um eine vollständigen Reaktion der reaktiven Feststoffteilchen 12 mit den Werkstücken 10 und 20 zu ermöglichen, wende man eine erhöhte Kraft P – oder in einer alternativen Ausführungsform eine spezifische Verdrängung δ – an, um das Reaktionsprodukt 14, das reagiert hat, auszustoßen;
man beende das Erwärmen; und
man öffne die Verengung 60, um die geschweißten Werkstücke zu entfernen.
Das Erwärmen kann mithilfe einer Vielfalt von Verfahren erreicht werden. Es kann z. B. eine Widerstandserwärmung mit den Stützauflagen 15, 25 verwendet werden, um einen vorbestimmten Strom für eine vorbestimmte Zeit durch den mit Druck beaufschlagten bereich zu leiten. Alternativ können die Stützauflagen extern erwärmt werden, z. B. durch die Einbeziehung von Heizpatronen (nicht gezeigt), die auf Leitung beruhen, um die Wärme zu den Werkstückgrenzflächen 11 und 21 zu transportieren, d. h. konduktive Erwärmung. Schließlich kann es möglich sein, Induktionsspulen einzubeziehen, um eine Induktionserwärmung zu verwenden.
Ebenso kann eine Reihe von Ansätzen zum Kühlen der Werkstücke anschließend an die Schaffung einer Fügestelle zwischen diesen angewendet werden. Es ist zu beachten, dass, wenngleich das Reaktionsprodukt 14 am Ende des Verfahrens noch immer geschmolzen sein wird, es nichts zu der Verbindungsstärke beiträgt, welche zur Gänze auf die zwischen den im Wesentlichen oxidfreien Oberflächen 11 und 21' gebildete Festkörper-Schweißverbindung zurückzuführen ist. Die einfachste Prozedur besteht somit darin, die gefügten Werkstücke zu entfernen, während sie noch heiß sind, und zuzulassen, dass sie an der Luft außerhalb des Werkzeuges abkühlen. Dies kann unter Umständen nicht möglich sein, wenn die Prozesstemperatur T so hoch ist, dass die heiße Fügestelle nicht in der Lage ist, die Handhabung oder Schwerkraftbelastungen auf dem Teil auszuhalten. In diesem Fall könnte das Teil in dem Werkzeug verbleiben und an der Luft abkühlen, bis die Fügestelle fest genug ist. Alternativ könnten die Auflageplatten 15 und 25 Kühlspiralen enthalten, um kaltes Wasser zu zirkulieren, um die Wärme effizienter von der Fügestelle abzuführen. Schließlich könnte das Teil, wenn es vollständig durch andere Werkzeugeinrichtungen und Auflagen getragen ist, mit der geöffneten Verengung 60 in Position verbleiben, um die Auflageplatten von der Fügestelle zu lösen, sodass es an der Luft abkühlen könnte, oder, alternativ, einer verstärkten Kühlung durch Luftblasen oder Wassersprüh/-nebelkühlung unterworfen werden.
In dem zuvor beschriebenen Verfahren wurde impliziert, dass die Fügestelle von beiden Seiten einfach zugänglich war. Während ein zweiseitiger Zugang allgemein wünschenswert ist, kann das Verfahren auch praktisch umgesetzt werden, wenn der Zugang stärker eingeschränkt ist. Zum Beispiel zeigt 5 einen Fall, in dem es wünschenswert sein kann, eine Komponente an einem geschlossenen Teilstück wie z. B. einem Rohr anzubringen. Unter der Voraussetzung, dass das Rohr 120 sicher befestigt ist, und unter der Voraussetzung, dass es möglich ist, ausreichend Wärme und Druck zuzuführen, kann das Verfahren noch immer praktisch umgesetzt werden. In diesem Beispiel könnte die Auflage 15 an einem Roboter montiert sein, der in der Lage ist, die erforderlichen Drücke oder Verdrängungen zu erzeugen, und das Erwärmen würde von nur einer Seite bewerkstelligt werden.
6 zeigt einen ähnlichen Fall, der verbreitert dargestellt ist, um einen Fall zu veranschaulichen, in dem ein L-förmiges Gussteil 80, das solche Merkmale enthält, wie die, die im Detail in 2 gezeigt sind, an zwei Flächen eines geschlossenen rechteckigen Teilstückes 85 angebracht werden soll.
Es ist zu beachten, dass die beiden Fügeflächen 40 und die zugehörigen Vorsprünge 42 (wie jene, die in 2 veranschaulicht sind) orthogonal zueinander montiert sind und es somit erfordern, dass der Druck/die Drücke p und P in der durch den Pfeil 90 gezeigten Richtung angewendet wird/werden, um ein Anbringen auf beiden Oberflächen zu gewährleisten. In diesem Fall könnten die Fügestellen gleichzeitig hergestellt werden, indem individuelle Wärmequellen für jede Fügestelle verwendet werden.
Ein Beispiel für eine aus Aluminiumblechen mit Kupferfolie als dem reaktiven Material hergestellte Fügestelle wurde zuvor erläutert, wie jedoch angemerkt wurde, muss das reaktive Material kein Reinmetall sein und kann eine Legierung mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als dem der Werkstücke sein.
Eine zwischen Blechen aus einer Aluminium 3003-H14-Legierung (Solidustemperatur von ungefähr 640°C) unter Verwendung einer Aluminium-4145-Hartlötlegierung (Schmelzbereich 521–585°C) gebildete experimentelle Festkörper-Kontaktierung, wobei allgemein der Methode der Erfindung gefolgt wurde, ist in 7 gezeigt. Die ursprünglichen Werkstücke 211 und 221 sind entlang der Linie 200 geschweißt und die ausgestoßene Legierung 214 ist an der Kante der Fügestelle gezeigt. Die Oberflächenvertiefungen in Verbindung mit sowohl dem Verbrauch von Werkstückmaterial durch das reaktive Material als auch mit den durch die Auflageblöcke (nicht gezeigt) angewendeten Belastungen sind bei 250 angezeigt. Es kann darauf hingewiesen werden, dass das vollständige Herausdrücken der Legierung 214 nicht stattgefunden hat und dass eine kleine Tasche von Restlegierung 214' in der Fügestelle eingeschlossen gezeigt ist.
8 zeigt eine Ansicht der in 7 gezeigten Fügestelle in einer stärkeren Vergrößerung (die Restlegierung 214' ist allgemein auf beiden Mikroaufnahmen gezeigt) und veranschaulicht, dass zwischen den Werkstücken 211 und 212 im Einklang mit der praktischen Umsetzung zum Erreichen einer Festkörperfügestelle keine Grenzfläche detektierbar ist.
Die 9A–C zeigen ein Verfahren zum Fügen von mehreren aus Aluminium oder Kupfer hergestellten Blechlagen (z. B. Batteriezellenkontaktfahnen) an ein dickeres Kupferblech (z. B. einen Leiter). Das Verfahren sieht einen ausgezeichneten elektrischen Kontakt, eine entsprechende Festigkeit, günstige Kosten und einen hohen Durchsatz vor. Das Verfahren verwendet beheizte Platten und ein Fügezusatzmittel, um die metallurgische Reinigungsreaktion an der Blechoberfläche zu initiieren, welche einen direkten Metall/Metall-Kontakt der zwei zu fügenden Substrate zur Folge hat, wobei kein Zwischenmaterial, d. h. Lötmittel, Hartlot oder Klebstoff und kein potentiell korrosives Flussmittel vorhanden sind. Die Zellentasche ist in den 9A–C nicht gezeigt.
In 9A sind drei Kupfer-Batteriezellenkontaktfahnen 305 mit einer Schicht aus den reaktiven Feststoffteilchen 310 auf den vorgesehenen zu schweißenden Kontaktierungsflächen vorhanden. Das reaktive Material kann z. B. elementares Aluminium, Silizium und/oder Zink, Legierungen davon, Legierungen aus diesen mit Kupfer, Legierungen aus Kupfer-Phosphor oder Mischungen aus diesen Elementen oder Legierungen sein, wie oben stehend erläutert. Das reaktive Material kann mithilfe der oben erläuterten Verfahren zu dem Fügestellenbereich transportiert werden. Alternativ könnten die Kontaktfahnen mit dem metallurgischen Zusatzmittel vorbeschichtet werden. Dies könnte in einem Massenproduktionsprozess wie z. B. einer Bandbehandlung des Elektrodenmaterials in Spulenform erfolgen. Geeignete Verfahren umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Siebdruck oder Spritzbeschichten der Zusatzmittelpartikel oder vorheriges Aufbringen einer dünnen Folie aus dem Zusatz mithilfe eines Klebstoffes.
Die Kupfer-Batteriezellenkontaktfahnen 305 und ein Kupferleiter 315 sind zwischen den Platten 320, 325 angeordnet. Die Platten 320, 325 werden auf die Fügetemperatur erwärmt, die ausreicht, damit das reaktive Material 310 in die Kupfer-Batteriezellenkontaktfahnen 305 und den Kupferleiter 315 hinein diffundiert oder sonst wie damit in Wechselwirkung tritt, um das Reaktionsprodukt zu bilden, wie oben erläutert. Falls gewünscht kann die Temperatur mit einem Thermoelement gesteuert sein. Die Platten werden typischerweise vor dem Kontakt auf die Fügetemperatur erwärmt, um die Verfahrensdauer zu reduzieren. Dies ist jedoch nicht notwendig und sie könnten nach dem Kontakt auf die Fügetemperatur erwärmt werden.
Die Platten 320, 325 rücken zusammen und üben einen Druck auf die Batteriezellenkontaktfahnen 305 aus, wie in 9B gezeigt. Nach einer ausreichenden Erwärmung produziert die metallurgische Reaktion Zwischenvolumina von flüssigem oder halbfestem Material. Die Reaktionsprodukte reagieren mit den zu fügenden Oberflächen, um metallurgisch reine Oberflächen freizulegen und zuzulassen, dass reine Oberflächen zum Fugen unter Druck zusammengebracht werden. Unter dem Druck von den Platten 320, 325 werden die Reaktionsprodukte aus den Fügestellen ausgestoßen, wobei während dieses Verfahrens die Oberflächen der Kontaktfahnen bzw. des Leiters in engen Kontakt gebracht werden und eine starke metallurgische Kontaktierung 340 bilden werden, wie in 9C gezeigt. Sobald das Verfahren abgeschlossen ist und die Substratoberflächen in engem Kontakt gestanden sind, werden die Pressplatten 320, 325 getrennt.
Falls gewünscht kann der Fügestellenspalt unter Verwendung von entweder Servo-Schweißzangen oder mechanischen Anschlägen gesteuert sein, um eine übermäßige Ausdünnung zu verhindern.
Falls zu viel Wärme die Blechelektrode hinunter in die Batteriezelle hinein übertragen werden könnte, könnten gekühlte Platten 330, 335 genau unter den erwärmten Platten 320, 325 an die Elektrode geklemmt werden.
Die 10A–C zeigen ein ähnliches Verfahren mit drei Aluminium-Batteriezellenkontaktfahnen 307, die an einen Kupferleiter 315 geschweißt werden. Das reaktive Material 312 auf den Aluminium-Batteriezellenkontaktfahnen, die mit weiteren Aluminium-Batteriezellenkontaktfahnen in Kontakt stehen sollen, dient zum Fügen von Aluminium an Aluminium, während das reaktive Material 314 auf der Aluminium-Batteriezellenkontaktfahne, die mit dem Kupferleiter in Kontakt stehen soll, zum Fügen von Aluminium an Kupfer dient.
Das Verfahren gestattet hohe Leitfähigkeit, hohe Festigkeit und Batteriekontaktfahnenfügestellen mit großen Kontaktflächen. Es erlaubt das Aneinanderfügen einer großen Anzahl von Batteriezellenkontaktfahnen. Außerdem erlaubt es das Aneinanderfügen von ungleichen Materialien. Es ist so ausgelegt, dass es sowohl mit Aluminium- und Kupfersubstraten als auch mit vernickeltem Kupfer funktioniert.

Claims

Verfahren zum Bilden einer Festkörper-Schweißverbindung zwischen einem ersten Metall- oder Metalllegierungswerkstück und einem zweiten Metall- oder Metalllegierungswerkstück, wobei das erste Metall oder die erste Metalllegierung Aluminium oder Kupfer ist, das zweite Metall oder die zweite Metalllegierung Aluminium oder Kupfer ist, mit der Maßgabe, dass, wenn eine/s von den ersten oder zweiten Metallen oder Metalllegierungen Aluminium ist, das/die andere von den ersten oder zweiten Metallen oder Metalllegierungen Kupfer ist, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein reaktives Material gewählt wird, wobei das reaktive Material ein metallisches Element oder eine Legierung aus zwei oder mehreren Elementen oder eine Mischung aus zwei oder mehreren verschiedenen Elementen oder Legierungen in einer Form ist, um zwischen und in Kontakt mit einer ersten Fügefläche des ersten Metalllegierungswerkstückes und einer ersten Fügefläche des zweiten Metalllegierungswerkstückes angeordnet zu werden, wobei die metallischen Elemente oder die Legierung derart gewählt sind/ist, dass sie mit zumindest der ersten Fügefläche des ersten Metalllegierungswerkstückes reagieren/t, wenn sie auf eine Temperatur unter der Solidustemperatur der ersten Metalllegierung erwärmt werden/wird, um ein flüssigkeitshaltiges Reaktionsprodukt zu bilden, welches das/die metallische/n Element/e und das erste Metalllegierungselement umfasst; eine Anordnung aus dem ersten Metalllegierungswerkstück und dem zweiten Metalllegierungswerkstück hergestellt wird, wobei ihre jeweiligen ersten Fügeflächen durch das reaktive Material Seite an Seite getrennt sind, wobei die Menge des reaktiven Materials vorbestimmt ist, um eine speziell festgelegte Menge eines oder beider Werkstücke/s beim Bilden des Reaktionsproduktes zu verbrauchen; die Anordnung auf einem ersten Druckniveau gepresst wird, sodass die einander zugewandten ersten Fügeflächen mit dem reaktiven Material in Eingriff stehen, und das reaktive Material für eine vorbestimmte Zeit erwärmt wird, um das Reaktionsprodukt zu bilden und Abschnitte der einander zugewandten Werkstücke zu verbrauchen; im Wesentlichen das gesamte gebildete Reaktionsprodukt zwischen den verbleibenden Fügeflächen heraus gezwungen wird; und nachdem im Wesentlichen das gesamte gebildete Reaktionsprodukt zwischen den verbleibenden Fügeflächen heraus gezwungen wurde, die ersten Fügeflächen aneinander gehalten werden, bis eine festkörpergeschweißte Fügestelle zwischen den ersten Fügeflächen gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das/die erste und das/die zweite Metall oder Metalllegierungen Kupfer sind.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das reaktive Material zumindest ein Metallelement aus Aluminium, Silizium oder Zink oder Legierungen davon umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das erste oder zweite Metall oder die erste oder zweite Metalllegierung oder beide eine Nickelbeschichtung aufweist/en.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Metall oder die erste Metalllegierung Aluminium ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei zumindest zwei erste Metall- oder Metalllegierungswerkstücke vorhanden sind, wobei das erste Metall- oder Metalllegierungswerkstück eine zweite Fügefläche an einer Seite gegenüber der ersten Fügefläche aufweist, wobei das zweite erste Metall- oder Metalllegierungswerkstück eine erste Fügefläche aufweist, und ferner umfassend, dass: ein zweites reaktives Material gewählt wird, wobei das zweite reaktive Material ein metallisches Element oder eine Legierung aus zwei oder mehreren Elementen oder eine Mischung aus zwei oder mehreren verschiedenen Elementen oder Legierungen in einer Form ist, um zwischen und in Kontakt mit der zweiten Fügefläche des ersten Metall- oder Metalllegierungswerkstückes und der ersten Fügefläche des zweiten ersten Metall- oder Metalllegierungswerkstückes angeordnet zu werden, wobei die metallischen Elemente oder die Legierung derart gewählt sind/ist, dass sie mit zumindest der ersten Fügefläche des zweiten ersten Metall- oder Metalllegierungswerkstückes reagieren/t, wenn sie auf eine Temperatur unter einer Solidustemperatur des ersten Metalls oder der ersten Metalllegierung erwärmt werden/wird, um ein zweites flüssigkeitshaltiges Reaktionsprodukt zu bilden, welches das/die metallische/n Element/e und das erste Metall- oder Metalllegierungselement umfasst; und die Anordnung hergestellt wird, wobei die erste Fügefläche des zweiten ersten Metall- oder Metalllegierungswerkstückes Seite an Seite mit der zweiten Fügefläche des ersten Metall- oder Metalllegierungswerkstückes durch das zweite reaktive Material getrennt ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das zweite reaktive Material zumindest ein Metallelement aus Kupfer, Silizium, Zink oder Magnesium oder Legierungen davon umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass: Hohlräume für reaktives Material in den Fügeflächen zumindest eines der Werkstücke gebildet werden und reaktives Material in den Hohlräumen angeordnet wird; und die Anordnung aus den Werkstücken hergestellt wird, sodass das reaktive Material, wenn es erwärmt wird, mit dem die Hohlräume definierenden Fügeflächenlegierungsmaterial beim Bilden des Reaktionsprodukts reagiert.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass eine Verdrängung der ersten Fügeflächen auf einen vorbestimmten Wert begrenzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass das erste Metall- oder Metalllegierungswerkstück gekühlt wird.