DE102016206759A1

DE102016206759A1 - A method for joining at least two metal workpieces lying on each other

Info

Publication number: DE102016206759A1
Application number: DE102016206759.1A
Authority: DE
Inventors: Niels Pasligh; Horst Heribert Lanzerath; Selahattin Türel Memili
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-07-21
Filing date: 2016-04-21
Publication date: 2017-01-26

Abstract

Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei an einander liegenden metall-Werkstücken, insbesondere aus Leichtmetallwerkstoffen, nach der Methode des Schweißens, wobei die Werkstücke dabei einen Verbindungsbereich zwischen sich einschließen, wobei die Werkstücke sowohl mittels Widerstandsschweißen an ersten Schweißstellen als auch mittels Reibrührschweißen an zweiten Schweißstellen gefügt werden, wobei die ersten und zweiten Schweißstellen entlang des Verbindungsbereichs beabstandet angeordnet sind.Method for joining at least two metal workpieces lying on one another, in particular of light metal materials, by the method of welding, the workpieces enclosing a connection area between them, the workpieces being joined to second welds both by resistance welding at first welds and by friction stir welding with the first and second welds spaced along the connection area.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei an einander liegenden Metall-Werkstücken, insbesondere aus Aluminiumwerkstoff, nach der Methode des Schweißens, wobei die Werkstücke dabei einen Verbindungsbereich zwischen sich einschließen.The invention relates to a method for joining at least two mutually lying metal workpieces, in particular made of aluminum material, by the method of welding, wherein the workpieces thereby include a connection area between them.

Es ist bekannt, Metall-Werkstücke mittels Schweißverfahren dauerhaft zu verbinden.It is known to permanently connect metal workpieces by means of welding processes.

Unter anderem wird dabei Widerstandsschweißen eingesetzt. Widerstandsschweißen ist ein Schweißverfahren für elektrisch leitfähige Werkstoffe, bei dem ein elektrischer Strom durch die zu verbindenden Metall-Werkstücke fließt und diese dabei lokal aufschmilzt und somit verschweißt. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es sehr kostengünstig und schnell ist. Bei Aluminium-Werkstücken wird jedoch nur eine niedrige Verbindungskraft erzielt und generell kann die Platzierung der Schweißpunkte nicht beliebig erfolgen, d.h. es müssen Mindestabstände zwischen den einzelnen Schweißpunkten eingehalten werden.Among other things, resistance welding is used. Resistance welding is a welding process for electrically conductive materials, in which an electric current flows through the metal workpieces to be joined, melting them locally and thus welding them. This method has the advantage that it is very inexpensive and fast. For aluminum workpieces, however, only a low connection force is achieved and generally the placement of the welds can not be arbitrary, i. It must be kept minimum distances between the individual welds.

Daneben sind auch moderne Reibrühr-Schweißverfahren bekannt, bei denen die Wärme zum Aufschmelzen und Verschweißen der Werkstücke nicht elektrisch, sondern durch ein verschleißfestes rotierendes Werkzeug, das auf die Werkstücke aufgepresst wird, erzeugt wird. Das Verfahren ist besonders für Aluminiumwerkstücke geeignet. Auch erlaubt es eine freie Platzierung der Schweißstellen, da kein Strom fließt. Allerdings ist das Verfahren aufwendig, langsam und relativ teuer. In addition, modern friction stir welding methods are known in which the heat for melting and welding of the workpieces not electrically, but by a wear-resistant rotating tool, which is pressed onto the workpieces, is generated. The method is particularly suitable for aluminum workpieces. Also, it allows a free placement of welds, since no current flows. However, the process is expensive, slow and relatively expensive.

Aus der EP 1 230 062 B1 ist z.B. ein Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei an einander liegenden Werkstücken nach der Methode des Reibschweißens bekannt, wobei die Werkstücke dabei einen Verbindungsbereich zwischen sich einschließen, mittels eines rotierend angetriebenen stiftartigen Vorsprungs, der bei seiner Rotation in Kontakt mit dem Verbindungsbereich der Werkstücke den Verbindungsbereich wenigstens teilweise plastifiziert, wobei der stiftartige Vorsprung zur Ausführung einer Punktschweißverbindung durch den sich plastifizierenden Werkstoff wenigstens des ersten zum stiftartigen Vorsprung gerichteten Werkstücks hinein und hindurch bis wenigstens teilweise in ein letztes unteres sich plastifizierendes Werkstück hinein und nachfolgend wieder aus den Werkstücken heraus bewegt wird, so daß sich der plastifizierte Werkstoff aller Werkstücke verbindet, wobei der verdrängte Werkstoff nach Abschluß der Plastifizierung der Werkstücke in wenigstens annähernd gleichem Maße wie der stiftartige Vorsprung aus den Werkstücken herausbewegt wird, in die sich während der Plastifizierung ausgebildet habenden Löcher zurückgeführt wird.From the EP 1 230 062 B1 For example, a method for joining at least two abutting workpieces by the friction welding method is known, wherein the workpieces include a connection portion therebetween by means of a rotatably driven pin-like projection which, when rotated in contact with the connecting portion of the workpieces, forms the connection portion at least partially plasticized, wherein the pin-like projection for performing a spot welding by the plasticizing material of at least the first directed to the pin-like projection workpiece and is moved through at least partially into a last lower plasticizing workpiece and subsequently out of the workpieces again, so that the plasticized material of all workpieces connects, wherein the displaced material after completion of the plasticization of the workpieces in at least approximately the same extent as the pin-like V orsprung is moved out of the workpieces, in which formed during plasticizing holes is returned.

Auch aus der EP 1 849 552 B1 ist eine weiterentwickelte Vorrichtung zum Fügen von mindestens zwei Bauteilen aus artverschiedenen Werkstoffen, insbesondere Metallbauteilen aus artverschiedenen Werkstoffen, mit unterschiedlichen Schmelzpunkten mittels Reibrührschweißen bekannt.Also from the EP 1 849 552 B1 is an advanced device for joining at least two components of different materials, in particular metal components made of different materials, with different melting points by friction stir welding known.

Aus der US 2009/0090700 A1 ist es bekannt, Werkstücke an derselben Schweißnaht mittels Reibrührschweißens und Widerstandsschweißens zu fügen. Es wird also eine Schweißnaht zunächst mittels Reibrührschweißen erzeugt und diese Schweißnaht wiederum mittels Widerstandsschweißens erneut geschweißt. Auch die US 5829664 A , WO 2012/026800 A1 und KR 101525018 B1 und KR 101331735 B1 offenbaren ein doppeltes Schweißen derselben Naht in diesem Sinne.From the US 2009/0090700 A1 It is known to add workpieces to the same weld by means of friction stir welding and resistance welding. Thus, a weld is first produced by means of friction stir welding, and this weld is welded again by means of resistance welding. Also the US 5829664 A . WO 2012/026800 A1 and KR 101525018 B1 and KR 101331735 B1 reveal a double welding of the same seam in this sense.

Aufgabe der Erfindung ist es dem gegenüber, ein alternatives Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei an einander liegenden Werkstücken aus Aluminiumwerkstoff nach der Methode des Schweißens bereitzustellen, mit dem die Vorteile des Widerstandsschweißens (insbesondere Geschwindigkeit) mit den Vorteilen des Reibrührschweißens (insbesondere freie Platzierung der Schweißstellen, erhöhte Festigkeit und Schweißpunktqualität, geringe Wasserstofflöslichkeit von Aluminiumlegierungen im plastifizierten Zustand sowie der Vermeidung von Heißrissen) kombiniert werden.The object of the invention, in contrast, to provide an alternative method for joining at least two mutually-lying workpieces made of aluminum material by the method of welding, with the advantages of resistance welding (in particular speed) with the advantages of the friction stir welding (in particular free placement of welds , increased strength and weld quality, low hydrogen solubility of aluminum alloys in the plasticized state and the prevention of hot cracks) are combined.

Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 wiedergegebene Verfahren gelöst.This object is achieved by the method given in claim 1.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass wenn die Werkstücke sowohl mittels Widerstandsschweißen an ersten Schweißstellen als auch mittels Reibrührschweißen an zweiten Schweißstellen gefügt werden, wobei die ersten und zweiten Schweißstellen entlang des Verbindungsbereichs beabstandet angeordnet sind, es möglich ist, die Festigkeit und Freiheit der Platzierung der Reibrührschweißverbindungen mit den Geschwindigkeitsvorteilen des Widerstandsschweißens zu kombinieren.According to the invention, it has been recognized that when the workpieces are joined to second welds both by resistance welding at first welds and by friction stir welding, with the first and second welds spaced along the joint area, it is possible to provide the strength and freedom of placement of the friction stir weld joints to combine with the speed advantages of resistance welding.

Mit anderen Worten, die Werkstücke werden entlang der Verbindungsstelle einerseits mit Widerstandsschweißstellen und andererseits mit Reibrührschweißstellen miteinander verbunden. Es wird jedoch nicht wie beim Stand der Technik eine Schweißnaht mit beiden Verfahren hergestellt.In other words, the workpieces are connected to one another along the connection point on the one hand with resistance welding points and on the other hand with friction stir welding points. However, it is not made as in the prior art, a weld with both methods.

Die Erfindung bezieht sich also auf die Kombination beider Verfahren zum Schweißen an verschiedenen Stellen. Ziel ist die Großserienproduktion von Fahrzeugen und wirtschaftliche Aspekte wie eine kurze Taktzeit.The invention thus relates to the combination of both methods for welding at different locations. The aim is the mass production of vehicles and economic aspects such as a short cycle time.

Nur die Anwendung eines der beiden Verfahren hat Nachteile, die durch das zweite Verfahren ausgeglichen werden können. Das WPS von Aluminium hat den Vorteil in kurzer Zeit viele WPS Verbindungen zu generieren und den Nachteil, dass die Festigkeit der Verbindung niedrig ist und somit eine höhere Anzahl an Verbindungen generiert werden muss um eine vorgegebene Festigkeit zu erzielen. Das RFSSW hat den Vorteil einer hoch festen Verbindung zweier Fügeteile, jedoch den Nachteil der langen Prozesszeit im Vergleich zum WPS. Die lange Prozesszeit steht im Widerspruch zur angestrebten kurzen Taktzeit in der Großserienproduktion.Only the application of either method has disadvantages caused by the second method can be compensated. Aluminum's WPS has the advantage of generating many WPS connections in a short time and has the disadvantage that the strength of the connection is low and thus a higher number of connections has to be generated to achieve a given strength. The RFSSW has the advantage of a high-strength connection of two parts, but the disadvantage of the long process time compared to the WPS. The long process time is in conflict with the targeted short cycle time in mass production.

Ein weiterer Nachteil der WPS Verbindung ist, dass bedingt durch den Schweißprozess ein Mindestabstand von WPS Verbindungen eingehalten werden muss um ein Nebenschluss beim Schweißen zu verhindern. Ein Nebenschluss führt zu einer nicht Ausbildung einer WPS Verbindung. Da das RFSSW Verfahren mechanischer Art ist, können in dem Mindestabstand von WPS Verbindungen noch RFSSW Verbindungen generiert werden und somit die gesamte Tragfähigkeit der Verbindung weiter erhöht werden.Another disadvantage of the WPS connection is that, due to the welding process, a minimum distance of WPS connections must be maintained in order to prevent shunting during welding. A shunt will not lead to a WPS connection. Since the RFSSW method is mechanical in nature, RFSSW connections can still be generated in the minimum distance of WPS connections, thus further increasing the overall load capacity of the connection.

Eine Kombination beider Verfahren bietet die Möglichkeit das WPS zum schnellen fixieren der Halbzeuge einzusetzen. In einem folgenden Schritt kann der Auslegung entsprechend in hoch belasteten Fahrzeugbereichen (entsprechend angenommener und auftretender Lastfälle) eine optimierte und aufeinander abgestimmte Anzahl an WPS und RFSSW Verbindungen generiert werden. Die RFSSW Verbindungen werden dabei unter Aspekten der Prozesszeit selektiv eingesetzt um die gesamte Fügeprozesszeit kurz zu halten und somit relevant für die Großserienproduktion zu bleiben. Im Prinzip wird durch das Zeitfenster des WPS die Anzahl der möglichen RFSSW Verbindungen vorgegeben und somit eine kurze Taktzeit erzielt.A combination of both methods offers the possibility to use the WPS for fast fixing of the semi-finished products. In a following step, according to the design, an optimized and coordinated number of WPS and RFSSW connections can be generated in heavily loaded vehicle areas (corresponding to assumed and occurring load cases). The RFSSW connections are selectively used in terms of process time to keep the entire joining process time short and thus remain relevant for mass production. In principle, the time window of the WPS specifies the number of possible RFSSW connections and thus achieves a short cycle time.

Es wird also die Geschwindigkeit mit der freie Platzierung der Schweißstellen, erhöhte Festigkeit und Schweißpunktqualität, geringe Wasserstofflöslichkeit von Aluminiumlegierungen im plastifizierten Zustand sowie der Vermeidung von Heißrissen kombiniert.Thus, the speed is combined with the free placement of welds, increased strength and spot quality, low hydrogen solubility of aluminum alloys in the plasticized state, and the prevention of hot cracks.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für Werkstücke aus Aluminiumwerkstoffen oder anderen Leichtmetallen. Vorzugsweise sind dies Kraftfahrzeugteile, insbesondere strukturell hochbelastete Bauteile der Karosserie.The inventive method is particularly suitable for workpieces made of aluminum materials or other light metals. Preferably, these are motor vehicle parts, in particular structurally highly stressed components of the body.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die Werkstücke zuerst mittels Widerstandsschweißen entlang des Verbindungsbereichs gefügt werden. Somit werden die Werkstücke schnell zu einander fixiert.It is particularly preferred if the workpieces are first joined by means of resistance welding along the connection region. Thus, the workpieces are quickly fixed to each other.

Wenn die Werkstücke nachgelagert mittels Reibrührschweißen entlang des Verbindungsbereichs gefügt werden, können die zuvor schnell zueinander fixierten Werkstücke in Ruhe später mittels des eine höhere Festigkeit erreichenden Reibrührschweißens endgültig fertiggestellt werden. Dabei sind daher im Gegensatz zum üblichen Vorgehen verringerte Ansprüche an das Niederhalten beim Reibrührschweißen gestellt.If the workpieces are joined downstream by means of friction stir welding along the connection area, the workpieces which were previously fixed to one another quickly can be finally finished in peace by means of the higher friction friction stir welding. Therefore, in contrast to the usual procedure, reduced demands are made on holding down during friction stir welding.

Die beiden zur Anwendung kommenden Schweißverfahren, Widerstandspunktschweißen (WPS) und wieder-verfüllendes Reibrührpunktschweißen (refill friction stirr spot welding – RFSSW) sind nach dem Stand der Technik für sich jeweils bekannt und nicht Gegenstand der Erfindung.The two applicable welding methods, resistance spot welding (WPS) and refill friction spot welding (RFSSW) are known in the prior art in each case and not the subject of the invention.

Sinnvoll ist es, wenn die Werkstücke entlang des Verbindungsbereichs abwechselnd und/oder belastungsgerecht mittels Widerstandsschweißen und Reibrührschweißen gefügt werden. Mit abwechselnd ist nicht nur das 1:1 Alternieren der Schweißstellen gemeint, sondern es soll auch Anordnungen umfassen, bei denen die Schweißstellen nebeneinander, parallel, in abwechselnden Gruppen usw. angeordnet sind. Mit belastungsgerecht wird eine Anordnung beschrieben, in der höchst belastete Verbindungsstellen mittels Reibrührschweißens erstellt werden und weniger belastete Verbindungstellen mittels Widerstandsschweißen.It makes sense if the workpieces are joined alternately and / or load-compatible along the connection area by means of resistance welding and friction stir welding. By alternating, not only is meant the 1: 1 alternation of welds, but it should also include arrangements in which the welds are arranged side by side, in parallel, in alternating groups, and so on. By load is described an arrangement in which highly loaded joints are created by friction stir welding and less loaded joints by resistance welding.

Vorzugsweise erfolgt das Schweißen im Verbindungsbereich mittels Punktschweißverbindungen.Preferably, the welding in the connection area by means of spot welds.

Besonders bevorzugt ist der Einsatz des sogenannten Rückfüllreibrührpunktschweißens (Refill friction stir spot welding, RFSSW).Particularly preferred is the use of the so-called Rückfüllreibrührpunktschweißens (Refriction friction stir spot welding, RFSSW).

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich ganz besonders zur Herstellung bzw. Verbindung von Kraftfahrzeugteilen aus Aluminium.The inventive method is particularly suitable for the production or connection of motor vehicle parts made of aluminum.

Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung, in der inFurther features and details of the invention will become apparent from the following description of the drawing, in which

1 schematisch und teiltransparent das erfindungsgemäße Verfahren ein einer Anordnung aus zwei Aluminiumwerkstücken einer Kraftfahrzeugkarosserie verdeutlicht wird; 1 schematically and partially transparent method of the invention is an arrangement of two aluminum workpieces of a motor vehicle body illustrated;

2 bis 5 das Verfahren aus 1 anhand weiterer hochbelasteter Karosseriebauteile veranschaulicht wird. 2 to 5 the procedure 1 is illustrated by other highly loaded body parts.

Die Anordnung in 1 besteht aus einem ersten blechförmigen Werkstück 1 aus Aluminium und einem daran von unten anliegendem im Querschnitt etwa U-förmigen Profil 2 ebenfalls aus Aluminium als zweites Werkstück. Die beiden Werkstücke 1, 2 stoßen an einander an bzw. liegen in einem Verbindungsbereich 3 aneinander an, der mittels Schweißverfahren gefügt werden soll.The arrangement in 1 consists of a first sheet-metal workpiece 1 made of aluminum and an adjoining from below in cross-section approximately U-shaped profile 2 also made of aluminum as the second workpiece. The two workpieces 1 . 2 abut each other or lie in a connection area 3 to each other, which is to be joined by means of welding.

Dazu werden die beiden Werkstücke 1, 2 zunächst mittels Punktschweißverbindungen 4 durch Widerstandsschweißen entlang des Verbindungsbereichs aneinander geheftet. Anschließend werden die beiden Werkstücke 1, 2 in den Lücken, d.h. dort wo keine Punktschweißverbindungen 4 liegen, im Verbindungsbereich 3 mit weiteren Punktverbindungen 5 mittels Rückfüllreibrührpunktschweißen. Das Widerstandsschweißen und das Rückfüllreibrührpunktschweißen erfolgen an unterschiedlichen Schweißstationen nacheinander.These are the two workpieces 1 . 2 first by means of spot welding connections 4 by resistance welding along the joint area stapled together. Subsequently, the two workpieces 1 . 2 in the gaps, ie where no spot welded joints 4 lie, in the connection area 3 with further point connections 5 by means of Rückfüllreibrührpunktschweißen. The resistance welding and the Rückfüllreibrührpunktschweißen done at different welding stations sequentially.

Anhand der 2 bis 5 wird dieser Vorgang bei hochbelasteten Karosseriebauteile veranschaulicht.Based on 2 to 5 This process is illustrated on heavily loaded body parts.

In der 2 ist eine Eckverbindung 6 einer Karosserie eines PKW im Bereich A-Säule, vorderes Bodenblech und Armaturenpult gezeigt. Man erkennt, dass die stark belasteten Eckverbindungspunkte mittels Punktverbindungen 5 mittels Rückfüllreibrührpunktschweißen verbunden sind, während die übrigen weniger belasteten Verbindungen entlang der „Längsfalze“ mittels Punktschweißverbindungen 4 ausgeführt sind.In the 2 is a corner joint 6 a body of a car in the area A-pillar, front floor panel and dashboard shown. It can be seen that the heavily loaded corner connection points by means of point connections 5 are connected by means of Rückfüllreibrührpunktschweißen, while the other less loaded compounds along the "longitudinal folds" by means of spot welded joints 4 are executed.

In 3 ist dieses Verwendungsschema auch bei einer B-Säule 7 erkennbar. Im Verbindungsbereich zum Querträger werden Punktverbindungen 5 mittels Rückfüllreibrührpunktschweißen verwendet.In 3 this usage scheme is also for a B-pillar 7 recognizable. In the connecting area to the cross member are point connections 5 used by Rückfüllreibrührpunktschweißen.

In 4 ist ein entsprechender Einsatz an einer Seitenlängsverbindung 8 einer Karosserie eines PKW im Bereich Türschwelle, vorderes Bodenblech und Schweller (Rocker) gezeigt.In 4 is a corresponding insert on a side longitudinal connection 8th a body of a car in the door threshold, front floor panel and sill (rocker) shown.

Auch im Beispiel der 5, in der ist eine Verbindung im Bereich vorderen einer Stoßdämpferaufhängung 9 einer Karosserie eines PKW gezeigt. Hier sind wiederum im Wesentlichen die Punktverbindungen 5 mittels Rückfüllreibrührpunktschweißen in den Ecken angeordnet und die Punktschweißverbindungen 4 an den Längsverbindungstellen ausgeführt.Also in the example of 5 , in which there is a connection in the front area of a shock absorber suspension 9 a body of a car shown. Here are again essentially the point connections 5 arranged by means of Rückfüllreibrührpunktschweißen in the corners and the spot welds 4 executed at the longitudinal connection points.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1230062 B1 [0005]
EP 1849552 B1 [0006]
US 2009/0090700 A1 [0007]
US 5829664 A [0007]
WO 2012/026800 A1 [0007]
KR 101525018 B1 [0007]
KR 101331735 B1 [0007]

Claims

Method for joining at least two metal workpieces lying on one another, in particular made of light metal materials, by the method of welding, the workpieces enclosing a connection region between them, characterized in that the workpieces are welded both by resistance welding at first welds and by friction stir welding second welds are joined, wherein the first and second welds are spaced along the connection area.

A method according to claim 1, characterized in that the workpieces are first joined by means of resistance welding along the connection region.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the workpieces are mounted downstream by means of friction stir welding along the connection region.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the workpieces are joined along the connecting region alternately by means of resistance welding and friction stir welding.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the junction area is joined by means of spot welds.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the friction stir stir spot welding (RFSSW) is used as the friction stir welding process.

Use of a method according to one of the preceding claims for connecting motor vehicle parts made of aluminum.