DE102014226411A1 - Influence of weld metallurgy in resistance welding of mixed joints - Google Patents
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Abstract
Um einen Metallverbund aus einem ersten Bauelement und einem zweiten Bauelement vorzuschlagen, wobei die beiden Bauelemente aus chemisch unterschiedlichen Stählen bestehen können und schmelzmetallurgisch mittels Widerstandsschweißen verbunden werden können, wird vorgeschlagen, zwischen dem ersten Bauelement und dem zweiten Bauelement zumindest bereichsweise eine Zwischenschicht anzuordnen, wobei die Zwischenschicht einen Zusatzwerkstoff mit Austenitbildnern aufweist oder daraus besteht.In order to propose a metal composite of a first component and a second component, wherein the two components may consist of chemically different steels and fusion-metallurgically connected by resistance welding, it is proposed to arrange at least partially between the first component and the second component an intermediate layer, wherein the Intermediate layer has a filler material with austenite formers or consists thereof.
Description
Die Erfindung betrifft einen Bauelementeverbund mit einem ersten Bauelement und ein durch Widerstandsschweißen mit dem ersten Bauelement verbundenes zweites Bauelement, wobei zwischen dem ersten Bauelement und dem zweiten Bauelement zumindest bereichsweise eine Zwischenschicht angeordnet ist.The invention relates to a component composite with a first component and a second component connected by resistance welding to the first component, wherein an intermediate layer is arranged at least in regions between the first component and the second component.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelementeverbundes aus einem ersten Bauelement und einem zweiten Bauelement.Furthermore, the invention relates to a method for producing a composite component of a first component and a second component.
Stand der TechnikState of the art
Für einige Anwendungsgebiete ist es wünschenswert, Bauelemente aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen miteinander zu verbinden bzw. zu fügen. Generell sind unterschiedliche Fügeverfahren zum Fügen von metallischen Bauelementen bzw. Fügepartnern bekannt. For some applications, it is desirable to connect components of different metallic materials together or add. In general, different joining methods for joining metallic components or joining partners are known.
Das Widerstandspunktschweißen von Mischverbindungen hat bedingt durch die unterschiedliche chemische Zusammensetzung der Bauelemente die Bildung ungünstiger Phasen zur Folge. Dabei handelt es sich in Abhängigkeit der zu verschweißenden Werkstoffe und in Abhängigkeit des Aufmischungsgrades in den unterschiedlichen Zonen der Schweißlinse um Härtegefüge, zum Beispiel Martensit oder Bainit. The resistance spot welding of mixed compounds results in the formation of unfavorable phases due to the different chemical composition of the components. Depending on the materials to be welded and depending on the degree of mixing in the different zones of the weld nugget, these are hardness structures, for example martensite or bainite.
Beim Lichtbogenschweißen kann durch Einsatz von legierungstechnisch angepassten Zusatzwerkstoffen diesem Problem entgegengetreten werden. Dabei ist es möglich, das Mischgefüge in den für die Verbindung optimalen Zustand zu bringen. Beispielsweise werden beim Laserstrahlschweißen und Elektronenstrahlschweißen hochlegierte Folien genutzt, um das Gefüge und die damit verbundenen Eigenschaften gezielt einzustellen. Des Weiteren ist bekannt, stickstoffhaltiges Schutzgas beim Schweißen von Nickelbasislegierungen zur Rissvermeidung zu verwenden. Grundsätzlich könnte das Widerstandsschweißverfahren auch bei der Herstellung von Mischverbindungen aus austenitischen hochlegierten Stählen mit hohem Kohlenstoff- und Mangangehalt mit z.B. ferritischen Stählen verwendet werden. Dabei bildet sich in der Schweißlinse allerdings ein martensitisch geprägtes Gefüge aus. Dieser Härtepeak führt bei zyklischer Belastung zu einem frühzeitigen Versagen der Verbindung, sodass die Eigenschaften des Grundwerkstoffs nicht ausgenutzt werden können. Somit ist mit dem konventionellen Widerstandspunktschweißen eine Beeinflussung des Erstarrungsgefüges nicht möglich.In arc welding, this problem can be counteracted by using alloy-adapted filler metals. It is possible to bring the mixed structure in the optimal state for the connection. For example, in laser beam welding and electron beam welding, high-alloy foils are used in order to adjust the microstructure and the associated properties in a targeted manner. Furthermore, it is known to use nitrogen-containing inert gas in the welding of nickel-based alloys for crack prevention. In principle, the resistance welding process could also be used in the manufacture of blended compounds of austenitic high alloy steels of high carbon and manganese content with e.g. ferritic steels are used. However, a martensitic structure is formed in the weld nugget. This hardness peak leads to premature failure of the bond during cyclic loading, so that the properties of the base material can not be exploited. Thus, it is not possible to influence the solidification structure with conventional resistance spot welding.
Aus diesem Grund werden zur Verbindung von austenitischen hochlegierten Stählen derzeit meist Laserstrahlschweiß-, Elektronenstrahlschweißverfahren oder das Metallschutzgasschweißen angewandt. Um die Metallurgie über den Schweißprozess beeinflussen zu können, wird dabei ein Zusatzwerkstoff eingesetzt. Dadurch kann die vorab beschriebene Martensitbildung vermieden werden. Da beim Laserstrahlschweißen, Elektronenstrahlschweißen und Metallschutzgasschweißen das Schmelzbad offen und von einer Seite zugänglich ist, können Zusatzwerkstoffe mit Austenitbildnern von außen zugeführt werden.For this reason, laser beam welding, electron beam welding or gas metal arc welding are currently used to connect austenitic high-alloy steels. To be able to influence the metallurgy via the welding process, a filler material is used. Thereby, the above-described martensite formation can be avoided. Since the molten bath is open and accessible from one side during laser beam welding, electron beam welding and gas metal arc welding, filler materials with austenite formers can be supplied from the outside.
In der
Die
Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, VorteileDESCRIPTION OF THE INVENTION: Problem, Solution, Advantages
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Bauelementeverbund aus einem ersten Bauelement und einem zweiten Bauelement vorzuschlagen, wobei die beiden Bauelemente aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen bestehen können und schmelzmetallurgisch mittels Widerstandsschweißen miteinander verbunden werden können.Object of the present invention is to propose a composite element of a first component and a second component, wherein the two components may consist of different metallic materials and can be connected to each other by means of fusion welding fusion welding.
Erfindungsgemäß wird hierfür ein Bauelementeverbund aufweisend ein erstes Bauelement und ein durch Widerstandsschweißen mit dem ersten Bauelement verbundenes zweites Bauelement vorgeschlagen. Zwischen dem ersten Bauelement und dem zweiten Bauelement ist zumindest bereichsweise eine Zwischenschicht angeordnet. Die Zwischenschicht weist erfindungsgemäß einen Zusatzwerkstoff mit Austenitbildnern auf oder besteht aus einem austenitischen Schweißzusatzwerkstoff. Der austenitische Schweißzusatzwerkstoff beinhaltet Austenitbildner.According to the invention, a component composite comprising a first component and a second component connected to the first component by resistance welding is proposed for this purpose. Between the first component and the second component, an intermediate layer is at least partially disposed. The intermediate layer according to the invention has an additional material with austenite formers or consists of an austenitic filler metal. The austenitic welding filler includes austenite former.
Das erste und zweite Bauelement weisen einen metallischen Werkstoff auf oder bestehen aus einem metallischen Werkstoff. Dabei bestehen die beiden Bauelemente bevorzugterweise aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen oder weisen zumindest unterschiedliche metallische Werkstoffe auf. Bevorzugterweise sind die beiden zu verbindenden Bauelemente überlappend angeordnetThe first and second components comprise a metallic material or consist of a metallic material. In this case, the two components preferably consist of different metallic materials or at least have different metallic materials. Preferably, the two components to be connected are arranged overlapping
Durch die Verwendung einer Zwischenschicht zwischen den beiden zu verbindenden Bauelementen, wobei die Zwischenschicht einen Zusatzwerkstoff mit Austenitbildnern aufweist oder aus einem austenitischen Schweißzusatzwerkstoff besteht, wird eine vergleichsweise einfache Möglichkeit bereitgestellt, die Schweißmetallurgie bei Verwenden eines Widerstandsschweißverfahrens zu beeinflussen, ohne den eigentlichen Schweißprozessablauf zu verändern. Es hat sich herausgestellt, dass lediglich geringfügige Anpassungen der Schweißparameter notwendig sein können und Prozesszeiten ansonsten beibehalten werden können. Des Weiteren sind vorteilhafterweise keine weiteren Eingriffe in die bereits bestehenden Produktionsabläufe beim Widerstandsschweißen von Bauelementen notwendig. By using an intermediate layer between the two components to be joined, wherein the intermediate layer comprises a filler material with austenite formers or consists of an austenitic welding filler, a comparatively simple way is provided to influence the weld metallurgy using a resistance welding process, without changing the actual welding process sequence. It has been found that only minor adjustments to the welding parameters may be necessary and process times otherwise maintained. Furthermore, advantageously no further intervention in the already existing production processes during resistance welding of components is necessary.
Erfindungsgemäß ist somit eine chemisch an die beiden Bauelemente bzw. Fügepartner angepasste Zwischenlage vorgesehen, die durch Aufschmelzen das Gefüge in der Schweißlinse in den gewünschten Zustand (Vermeidung von Härtegefüge) überführt. Dabei wird die Ausnutzung der technologischen Eigenschaften der Werkstoffe verbessert. According to the invention, a chemically adapted to the two components or joint partner intermediate layer is thus provided, which transferred by melting the structure in the weld nugget in the desired state (avoiding hardness structure). The use of the technological properties of the materials is improved.
Durch die gezielte Beeinflussung der Metallurgie können dadurch vorteilhafterweise auch Stähle Verwendung finden, die für bestimmte Anwendungen sehr geeignet und interessant sind, jedoch aufgrund deren geringen Schweißeignung für das Widerstandsschweißen bisher nicht verwendet werden konnten. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene gezielte Beeinflussung der Schweißmetallurgie lassen sich die Unzulänglichkeiten egalisieren und ein weiteres Werkstoffspektrum erschließen. By selectively influencing metallurgy, steels which are very suitable and interesting for certain applications can advantageously also be used, but hitherto could not be used because of their low weldability for resistance welding. By inventively proposed influencing the weld metallurgy, the shortcomings can be equalized and develop a further material spectrum.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das erste Bauelement und/oder das zweite Bauelement einen austenitischen Werkstoff aufweist. Besonders bevorzugterweise besteht das erste Bauelement und/oder das zweite Bauelement aus einem legierten, beispielsweise hochlegierten, Stahl mit bevorzugterweise hohem Kohlenstoff- und Mangangehalt. Hierdurch kann eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig hoher Dehnung des Bauelementverbunds erreicht werden.It is preferably provided that the first component and / or the second component comprises an austenitic material. Particularly preferably, the first component and / or the second component of an alloyed, for example, high-alloy steel, preferably with high carbon and manganese content. In this way, a high strength can be achieved with simultaneous high elongation of the component composite.
Bevorzugterweise ist die Zwischenschicht zwischen dem ersten Bauelement und dem zweiten Bauelement als Klebeschicht ausgebildet. Dabei bildet die Klebeschicht die Zwischenschicht und weist somit den Zusatzwerkstoff mit Austenitbildnern auf oder besteht aus dem austenitischen Schweißzusatzwerkstoff. Hierfür weist der Klebstoff bzw. die Klebeschicht zumindest einen Austenitbildner auf. Beispielsweise kann als Austenitbildner Stickstoff in chemisch gebundener Form im Klebstoff vorliegen.Preferably, the intermediate layer between the first component and the second component is formed as an adhesive layer. In this case, the adhesive layer forms the intermediate layer and thus has the filler material with austenite formers or consists of the austenitic filler metal. For this purpose, the adhesive or the adhesive layer has at least one austenite former. For example, as the austenite former, nitrogen may be present in chemically bound form in the adhesive.
Des Weiteren ist bevorzugterweise vorgesehen, dass die Zwischenschicht als Metallfolie ausgebildet ist. Dabei bildet die Metallfolie die Zwischenschicht und weist somit den Zusatzwerkstoff mit Austenitbildnern auf oder besteht aus dem austenitischen Schweißzusatzwerkstoff. Die Metallfolie weist hierfür zumindest einen Austenitbildner auf. Furthermore, it is preferably provided that the intermediate layer is formed as a metal foil. In this case, the metal foil forms the intermediate layer and thus has the filler material with austenite formers or consists of the austenitic welding filler material. For this purpose, the metal foil has at least one austenite former.
Auch ist bevorzugterweise vorgesehen, dass die Zwischenschicht als Beschichtung auf einer Oberfläche des ersten Bauelements und/oder auf einer Oberfläche des zweiten Bauelements ausgebildet und angeordnet ist. Dabei bildet die Beschichtung die Zwischenschicht und weist somit den Zusatzwerkstoff mit Austenitbildnernauf oder besteht aus dem austenitischen Schweißzusatzwerkstoff. Die Beschichtung weist hierfür zumindest einen Austenitbildner auf.It is also preferably provided that the intermediate layer is formed and arranged as a coating on a surface of the first component and / or on a surface of the second component. In this case, the coating forms the intermediate layer and thus has the filler material with Austenitbildnernauf or consists of the austenitic welding filler. For this purpose, the coating has at least one austenite former.
Besonders bevorzugterweise kann die Beschichtung als Zinkschicht mit mindestens einem Austenitbildner, beispielsweise Nickelpartikeln, ausgebildet sein. Auch könnte eine organische Beschichtung mit Zinkpartikeln zur Herstellung der elektrischen Leitfähigkeit vorgesehen sein, wobei zusätzlich zu den Zinkpartikeln Nickelpartikel als Austenitbildner hinzugefügt sind oder die Zinkpartikel durch Nickelpartikel ersetzt sind. Des Weiteren könnte eine organische Beschichtung vorgesehen sein, wobei Stickstoff als Austenitbildner in die Beschichtung chemisch eingebunden ist.Particularly preferably, the coating can be formed as a zinc layer with at least one austenite former, for example nickel particles. It would also be possible to provide an organic coating with zinc particles for producing the electrical conductivity, in which case nickel particles are added as austenite formers in addition to the zinc particles, or the zinc particles are replaced by nickel particles. Furthermore, an organic coating could be provided, wherein nitrogen is chemically incorporated as Austenitbildner in the coating.
Bevorzugterweise weist der austenitische Zusatzwerkstoff mit Austenitbildnern Stickstoff, Mangan, Kohlenstoff und/oder Nickel auf.Preferably, the austenitic filler with Austenitbildnern nitrogen, manganese, carbon and / or nickel.
Besonders bevorzugterweise weist der austenitische Schweißzusatzwerkstoff als Austenitbildner bezogen auf das Gesamtgewicht des austenitischen Schweißzusatzwerkstoffs mindestens zwischen 0,1 und 1,5 Gewichtsprozent Stickstoff und/oder mindestens zwischen 2,0 und 30,0 Gewichtsprozent Mangan und/oder mindestens zwischen 0,02 und 0,8 Gewichtsprozent Kohlenstoff und/oder mindestens zwischen 8,0 und 30,0 Gewichtsprozent Nickel auf.More preferably, the austenitic filler metal has as austenite former based on the total weight of the austenitic filler metal at least between 0.1 and 1.5 weight percent nitrogen and / or at least between 2.0 and 30.0 weight percent manganese and / or at least between 0.02 and 0 , 8 weight percent carbon and / or at least between 8.0 and 30.0 weight percent nickel.
Ferner weist der austenitische Schweißzusatzwerkstoff als Austenitbildner bezogen auf das Gesamtgewicht des austenitischen Schweißzusatzwerkstoffs zwischen 0,1 und 1,5 Gewichtsprozent Stickstoff und/oder zwischen 2,0 und 30,0 Gewichtsprozent Mangan und/oder zwischen 0,02 und 0,8 Gewichtsprozent Kohlenstoff und/oder zwischen 8,0 und 30,0 Gewichtsprozent Nickel auf. Ganz besonders bevorzugterweise sind zwischen 2,0 und 18,0 Gewichtsprozent Mangan vorgesehen.Further, the austenitic filler as the austenite former has from 0.1 to 1.5 weight percent nitrogen and / or from 2.0 to 30.0 weight percent manganese and / or from 0.02 to 0.8 weight percent carbon based on the total weight of the austenitic filler and / or between 8.0 and 30.0 weight percent nickel. Most preferably, between 2.0 and 18.0 weight percent manganese is provided.
Des Weiteren könnte zusätzlich oder alternativerweise als Austenitbildner Kobalt vorgesehen sein.Furthermore, cobalt could additionally or alternatively be provided as austenite former.
Bei Verwendung derartiger Austenitbildner wird der Existenzbereich des Gamma-Einphasenraums stabilisiert oder zu höheren und/oder niedrigeren Temperaturen erweitert. Insbesondere bei Verwendung der vorgenannten bevorzugten Gewichtsprozentanteile verbleibt das gesamte Stahlgefüge bei Raumtemperatur metastabil im Austenitzustand, wenn die Martensitstarttemperatur unterhalb der Raumtemperatur liegt. Using such Austenitbildner the existence range of the gamma single-phase space is stabilized or extended to higher and / or lower temperatures. In particular, when using the aforementioned preferred percentages by weight, the entire steel structure remains metastable at room temperature in Austenitzustand when the martensite start temperature is below room temperature.
Erfindungsgemäß ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelemente-verbunds aus mindestens einem ersten Bauelement und einem zweiten Bauelement vorgesehen. Das erfindungsgemäße Verfahren weist zumindest die folgenden Schritte auf:
- a) Anordnen einer Zwischenschicht auf dem ersten Bauelement und/oder auf dem zweiten Bauelement, wobei die Zwischenschicht einen austenitischen Schweißzusatzwerkstoff aufweist oder daraus besteht;
- b) Zusammenfügen der beiden Bauelemente, derart, dass die Zwischenschicht zumindest bereichsweise zwischen dem ersten Bauelement und dem zweiten Bauelement angeordnet wird; und
- c) Fügen der beiden Bauelemente mittels Widerstandsschweißen, bevorzugterweise mittels Widerstandspunktschweißen.
- a) arranging an intermediate layer on the first component and / or on the second component, wherein the intermediate layer comprises or consists of an austenitic welding filler material;
- b) joining the two components, such that the intermediate layer is arranged at least partially between the first component and the second component; and
- c) joining the two components by resistance welding, preferably by resistance spot welding.
Im Gegensatz zu den Schweißverfahren wie beispielsweise Lichtbogenschweißen oder Strahlschweißen ist das Schmelzbad beim Widerstandsschweißen nicht offen zu einer Seite zugänglich, sondern liegt zwischen den zu verbindenden Bauelementen bzw. Fügepartnern. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können Austenitbildner über die Verwendung einer Zwischenschicht aus einem Zusatzwerkstoff mit Austenitbildnern zur Beeinflussung der Schweißmetallurgie in den Bereich der Schweißlinse eingebracht werden. In contrast to the welding processes such as arc welding or beam welding, the molten bath is not openly accessible to one side during resistance welding, but lies between the components to be connected or joining partners. By means of the method according to the invention, austenite formers can be introduced into the area of the weld nugget via the use of an intermediate layer of a filler material with austenite formers for influencing the weld metallurgy.
Bevorzugterweise ist in Schritt a) vorgesehen, dass die Zwischenschicht als Klebeschicht auf eine Oberfläche des ersten Bauelements und/oder auf einer Oberfläche des zweiten Bauelements aufgebracht wird. Dabei kann die Klebeschicht als flüssiger Klebstoff aufgetragen werden oder in Form eines Klebebands aufgeklebt werden. Die Klebeschicht bildet somit die Zwischenschicht und weist den Zusatzwerkstoff mit Austenitbildnern auf oder besteht aus dem austenitischen Schweißzusatzwerkstoff. In den Klebstoff beziehungsweise in die Klebeschicht wurde hierfür vorab zumindest ein Austenitbildner eingebracht.Preferably, it is provided in step a) that the intermediate layer is applied as an adhesive layer on a surface of the first component and / or on a surface of the second component. In this case, the adhesive layer can be applied as a liquid adhesive or glued in the form of an adhesive tape. The adhesive layer thus forms the intermediate layer and has the filler material with austenite formers or consists of the austenitic filler metal. At least one austenite former has been introduced in advance in the adhesive or in the adhesive layer for this purpose.
Auch ist bevorzugterweise in Schritt a) vorgesehen, dass die Zwischenschicht in Form einer Metallfolie auf eine Oberfläche des ersten Bauelements und/oder auf eine Oberfläche des zweiten Bauelements aufgelegt wird. Die Metallfolie bildet dabei die Zwischenschicht und weist somit den Zusatzwerkstoff mit Austenitbildnern auf oder besteht aus dem austenitischen Schweißzusatzwerkstoff. Bei der Herstellung der Metallfolie wurde hierfür vorab zumindest ein Austenitbildner in den Werkstoff für die Metallfolie eingebracht.It is also preferably provided in step a) that the intermediate layer in the form of a metal foil is placed on a surface of the first component and / or on a surface of the second component. The metal foil forms the intermediate layer and thus has the filler material with austenite formers or consists of the austenitic welding filler material. In the production of the metal foil, at least one austenite former was introduced into the material for the metal foil in advance for this purpose.
Bevorzugterweise ist des Weiteren vorgesehen, dass die Zwischenschicht in Schritt a) als Beschichtung auf einer Oberfläche des ersten Bauelements und/oder auf einer Oberfläche des zweiten Bauelements aufgebracht wird. Die Beschichtung bildet dabei die Zwischenschicht und weist somit den Zusatzwerkstoff mit Austenitbildnern auf oder besteht aus dem austenitischen Schweißzusatzwerkstoff.Preferably, it is further provided that the intermediate layer is applied in step a) as a coating on a surface of the first component and / or on a surface of the second component. The coating forms the intermediate layer and thus has the filler material with austenite formers or consists of the austenitic filler metal.
Beispielsweise kann die Beschichtung als Zinkschicht auf eine Oberfläche eines der Bauelemente aufgebracht werden, wobei hierfür zumindest ein Austenitbildner in die Beschichtung mit eingebracht wird.For example, the coating can be applied as a zinc layer on a surface of one of the components, for which purpose at least one austenite former is introduced into the coating.
Die Beschichtung kann vorteilhafterweise aufgesprüht werden. Dabei wird die Beschichtung zumindest partiell im Bereich der Fügestellen bzw. der zu verschweißenden Bereiche auf eine Oberfläche des ersten Bauelements und/oder auf eine Oberfläche des zweiten Bauelements aufgesprüht.The coating can advantageously be sprayed on. In this case, the coating is sprayed onto a surface of the first component and / or onto a surface of the second component at least partially in the region of the joints or the regions to be welded.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Es zeigen schematisch:They show schematically:
Bevorzugte Ausführungsformen der ErfindungPreferred embodiments of the invention
In
In
Nach Zusammenfügen der beiden Bauelemente
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- Bauelementeverbund components composite
- 1010
- erstes Bauelement first component
- 1111
- zweites Bauelement second component
- 1212
- Zwischenschicht interlayer
- 1313
- Zusatzwerkstoff mit Austenitbildnern Additional material with austenite formers
- 1414
- Schweißzange welding gun
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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