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HINTERGRUND
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Das Fügen von ungleichen Metallen in der Automobilindustrie wird typischerweise durch den Einsatz von Klebstoffen oder mechanischen Verbindungselementen erreicht. Mechanische Verbindungselemente erfordern jedoch zusätzliches Gewicht, Kosten, Teile und Montagezeit. Klebstoffe erfordern Spezialausrüstungen, verlängerte Taktzeiten und einen separaten Wärmezyklus, um die volle Härtung des Klebstoffs zu erreichen. Der Wechsel zu einem anderen Fügeverfahren erfordert oft eine neue Infrastruktur in den Montagelinien der Fabrik, die zusätzliche Investitionen, ein neues Anlagendesign und die Schulung des Personals mit sich bringt.
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Das Schmelzschweißen wird auch häufig zum Verbinden von zwei Metallteilen verwendet. Eine Barriere für das Schmelzschweißen von ungleichen Metallwerkstoffen ist jedoch das Bilden von intermetallischen Verbindungen (IMCs) sowie das Verfestigen oder „heiße“ Rissbildung, die durch unterschiedliche Verfestigungstemperaturbereiche verschiedener Schmelzen im Schmelzbad und die galvanische Korrosion verursacht werden. IMCs sind oft spröde und können zu einer schwachen Verbindungsfestigkeit führen, während Warmrissbildung beim Abkühlen der Schweißnaht Brüche im Schmelzbad verursacht, während galvanische Korrosion zu einem Verbindungsbruch führen kann, da eines der Grundmetalle durch die Exposition gegenüber einer elektrolytischen Lösung erodiert, während sie in elektrischem Kontakt miteinander stehen.
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Ein Verfahren zum Abwenden der Probleme beim Bilden von IMCs und Verfestigungsrissen ist die Zugabe eines Füllstoffs, der das Schmelzbad verdünnt, bevorzugt akzeptable Verbindungen bildet oder eine physikalische Trennung der inkompatiblen Elemente im Schmelzbad ermöglicht. Der Füllstoff wird typischerweise vor dem Schweißen in eine Verbindung eingebracht oder während des Schweißens dem Schmelzbad zugegeben, wie beim Schutzgasschweißen (SMAW), Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW) und in einigen Fällen beim Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW).
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Die galvanische Korrosion kann durch den Ausgleich der Änderung in der Elektronegativität zwischen den Grundmetallen vermieden werden, indem schrittweise Zwischenmaterialien verwendet werden, die eine Elektonegativität aufweisen, die zwischen denen der beiden Grundmetalle liegt. Darüber hinaus ist durch die physikalische Trennung durch das Einbringen von zusätzlichem Füllstoff zwischen die Grundwerkstoffe ein gleichzeitiger Kontakt mit einer Elektrolytlösung unwahrscheinlicher und verhindert so eine galvanische Korrosion.
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KURZBESCHREIBUNG
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Gemäß einem Aspekt umfasst eine Schweißbaugruppe eine erste Komponente, die ein erstes Metallmaterial beinhaltet, eine zweite Komponente, die ein zweites Metallmaterial beinhaltet, das sich vom ersten Metallmaterial unterscheidet, ein Übergangsmaterial, das zwischen der ersten Komponente und der zweiten Komponente angeordnet ist und diese kontaktiert. Das Übergangsmaterial umfasst eines oder mehrere aus einer hochentropischen Legierung, einem reinen Element und einer Legierung, die keine hochentropische Legierung ist. Die Baugruppe beinhaltet auch eine Ultraschallschweißverbindung, die das Übergangsmaterial mit der ersten Komponente verbindet, und eine Schmelzschweißverbindung, die die erste Komponente mit der zweiten Komponente verbindet. Die Schmelzschweißverbindung kontaktiert die erste Komponente, die zweite Komponente und das Übergangsmaterial. Die Menge oder das Niveau einer oder mehrerer der galvanischen Korrosion, der intermetallischen Verbindungen und der Verfestigungsrisse in der Schmelzschweißung ist geringer als wenn die erste Komponente direkt mit der zweiten Komponente verschweißt wurde, ohne dass das Übergangsmaterial zwischen der ersten Komponente und der zweiten Komponente angeordnet ist und diese kontaktiert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Schweißbaugruppe das Bereitstellen eines Übergangsmaterials, das mit einer ersten Komponente ultraschallverschweißt ist, das Anordnen des Übergangsmaterials zwischen der ersten Komponente und einer zweiten Komponente, sodass das Übergangsmaterial die zweite Komponente kontaktiert, und das Verbinden der ersten Komponente mit der zweiten Komponente durch Bilden einer Schmelzschweißverbindung zwischen der ersten Komponente und der zweiten Komponente. Die erste Komponente umfasst ein erstes Metallmaterial, die zweite Komponente umfasst ein zweites Metallmaterial, das sich vom ersten Metallmaterial unterscheidet, und das Übergangsmaterial umfasst eines oder mehrere aus einer hochentropischen Legierung, einem reinen Element und einer Legierung, die keine hochentropische Legierung ist. Die Schmelzschweißverbindung kontaktiert die erste Komponente, die zweite Komponente und das Übergangsmaterial. Beim Fügen wird die Menge oder das Niveau einer oder mehrerer der galvanischen Korrosionen, das Bilden von intermetallischen Verbindungen und Verfestigungsrissen in der Schmelzschweißnaht reduziert, verglichen damit, dass die erste Komponente direkt mit der zweiten Komponente verbunden wurde, ohne dass das Übergangsmaterial zwischen der ersten Komponente und der zweiten Komponente angeordnet war.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Querschnittsansicht einer Schweißbaugruppe, die eine Widerstandspunktschweißung und ein einschichtiges Übergangsmaterial gemäß dem vorliegenden Gegenstand beinhaltet.
- 2 ist eine Querschnittsansicht einer Schweißbaugruppe, die eine Widerstandspunktschweißung und ein mehrschichtiges Übergangsmaterial gemäß dem vorliegenden Gegenstand beinhaltet.
- 3 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren Schweißbaugruppe, die eine andere Schmelzschweißverbindung als eine Widerstandspunktschweißung und ein einschichtiges Übergangsmaterial gemäß dem vorliegenden Gegenstand beinhaltet.
- 4 ist eine Querschnittsansicht einer Schweißbaugruppe, die eine andere Schmelzschweißverbindung als eine Widerstandspunktschweißung und ein mehrschichtiges Übergangsmaterial gemäß dem vorliegenden Gegenstand beinhaltet.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Unter Bezugnahme auf 1-4 beinhaltet eine Schweißbaugruppe 2 eine erste Komponente 4, die ein erstes Metallmaterial beinhaltet, eine zweite Komponente 6, die ein zweites Metallmaterial beinhaltet, das ungleich (d. h. verschieden von) dem ersten Metallmaterial ist, und ein Übergangsmaterial 8, das zwischen der ersten und der zweiten Komponente 4, 6 angeordnet ist und eine hochentropische Legierung, ein reines Element oder eine Legierung umfasst, die ausreichend kompatibel mit dem ersten Material und dem zweiten Material ist. Das Übergangsmaterial 8 wird mit der ersten Komponente 4 mittels eines Verfahrens wie der Ultraschalladditiven Fertigung („UAM“) ultraschallverschweißt, um eine Festkörpergrenzfläche (d. h. UAM-Schweißung oder Ultraschallschweißung 10) zwischen der ersten Komponente 4 und dem Übergangsmaterial 8 zu erzeugen, wobei die UAM-Schweißung 10 einen Abschnitt der ersten Komponente 4 und das Übergangsmaterial 8 beinhaltet.
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UAM ist ein Festkörper-Metallschweißverfahren (d. h. kein Schmelzen) basierend auf dem Ultraschallmetallschweißen, das vollständig dichte, spaltfreie dreidimensionale Teile bereitstellt. Beim Ultraschallschweißen kann ein Ultraschallschweißgerät verwendet werden, das eine Sonotrode (d. h. ein Horn) beinhaltet, die von einem oder mehreren piezoelektrischen Wandlern angetrieben wird, um einem zu verbindenden Metallteil Ultraschallschwingungen unter Druckeinwirkung zu verleihen. Die Sonotrode wird mit einer Schwingungsfrequenz von typischerweise etwa 20 kHz oder 40 kHz (nominal) betrieben, die quer zum Metallteil liegt, um eine plastische Verformung zwischen dem Metallteil und dem Material, mit dem es verschweißt wird, zu erzeugen. Beim Ultraschallschweißen von zwei Metallteilen bewirken Vibrationen, die von der Sonotrode auf das Werkstück ausgeübt werden, zusammen mit einer statischen Druckkraft das Bilden einer metallurgischen Verbindung zwischen den beiden Metallteilen. Die Prozesstemperaturen sind niedrig, typischerweise unter 150°C, und hemmen so die Bildung von spröden IMCs, hemmen die Veränderung der Mikrostruktur der Masse der verbundenen Metalle und hemmen die wärmeinduzierte Verformung oder den Abbau der Eigenschaften der verbundenen Metalle.
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Das Ultraschallschweißen ist beim Verbinden des Übergangsmaterials 8 mit der ersten Komponente 4 zweckmäßig, da es sich um ein Niedertemperaturverfahren handelt, d. h. es darf die Wirkung früherer Wärmebehandlungen oder die Mikrostruktur der ersten Komponente 4 auf meso- oder makroskopischer Ebene nicht verändern und ist in der Lage, ungleiche metallische Werkstoffe ohne die Bildung von unerwünschten IMCs zu verbinden. Zum anderen erzeugt das Ultraschallschweißen eine kontinuierliche hermetische Verbindung zwischen der ersten Komponente 4 und dem Übergangsmaterial 8, sodass die Schnittstelle zwischen den gebundenen Strukturen von der äußeren Umgebung isoliert werden kann, wodurch Korrosion oder Infiltration durch Verunreinigungen, wie beispielsweise einem Elektrolyten, vermieden wird.
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Des Weiteren ist UAM ein Festkörperverfahren zum Bilden der Ultraschallschweißnaht 10 ohne dass ein anderes Material erforderlich ist. Das UAM-Verfahren bewirkt somit, dass keine Verunreinigungen im Schmelzbad vorhanden sind, wenn ein Klebstoff oder eine andere Substanz verwendet wird, um die Position des Übergangsmaterials 8 gegenüber der ersten Komponente 4 zu erhalten. Das Ultraschallschweißen des Übergangsmaterials 8 auf die erste Komponente 4 ermöglicht es, das Übergangsmaterial 8 an einer gewünschten Stelle auf der ersten Komponente 4 durch Verhindern einer Bewegung des Übergangsmaterials 8 in Bezug auf die erste Komponente 4 aufrechtzuerhalten. Dadurch können die erste Komponente 4 und das Übergangsmaterial 8 beispielsweise von einem Standort (z. B. von einem Lieferanten) zu einem anderen Standort (z. B. einer Fahrzeugmontagelinie) transportiert werden, während das Übergangsmaterial 8 an einer gewünschten Stelle auf der ersten Komponente 4 zum späteren Schmelzschweißen mit der zweiten Komponente 6 aufrechterhalten wird. Die UAM-Schweißung 10 ist fest und beständig, wodurch das Übergangsmaterial 8 mit der ersten Komponente 4 zu einem gesonderten Zeitpunkt und an einem gesonderten Ort vom Fügevorgang der ersten Komponente 4 mit der zweiten Komponente 6 verschweißt werden kann.
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Nach dem UAM-Schweißen des Übergangsmaterials 8 mit der ersten Komponente 4 werden dann die ersten und zweiten Komponenten 4, 6 so angeordnet, dass das Übergangsmaterial zwischen den beiden Komponenten 4, 6 eingeklemmt wird, z. B. durch Kontaktieren der beiden Komponenten 4, 6. Die ersten und zweiten Komponenten 4, 6 können dann durch herkömmliche Widerstandspunktschweißungen oder jedes gängige Schmelzschweißverfahren miteinander verschweißt werden. Das Schmelzschweißen erzeugt eine Schmelzschweißverbindung 12 (z. B. eine Widerstandspunktschweißung) und erzeugt zudem eine wärmebeeinflusste Zone 20 um die Schmelzschweißverbindung 12.
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Das Schmelzschweißen wird unter Bildung einer Schmelzschweißverbindung 12 durchgeführt, die, ausschließlich der wärmebeeinflussten Zone 20, einen Abschnitt der ersten Komponente 4, einen Abschnitt der zweiten Komponente 6 und einen Abschnitt des Übergangsmaterials 8 verbraucht (d. h. kontaktiert). Wie dargestellt, erstreckt sich die Schmelzschweißverbindung 12, ausschließlich der wärmebeeinflussten Zone 20, über die gesamte Dicke des Übergangsmaterials 8, durch die UAM-Schweißung 10 und kontaktiert die erste Komponente 4 und die zweite Komponente 6.
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Das Schweißverfahren zum Herstellen der Schmelzschweißverbindung 12 oder „Schweißnugget“ zwischen der ersten und zweiten Komponente 4, 6 kann jedes bekannte Schmelzschweißverfahren beinhalten, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, Widerstandspunktschweißen (RSW), Lichtbogenschweißen, Strahlenschweißen (z. B. Laserschweißen), Leitungsschweißen, Induktionsschweißen, Flammkontaktschweißen und Feststoffreaktionsschweißen. Nach dem Schweißen enthält die Schmelzschweißverbindung 12 einen Teil der ersten und zweiten Komponenten 4, 6 sowie einen Teil des Übergangsmaterials 8. Mit anderen Worten, die Schmelzschweißverbindung 12 kontaktiert die erste Komponente 4, die zweite Komponente 6 und das Übergangsmaterial 8 und enthält das erste Metallmaterial, das zweite Metallmaterial und einen Abschnitt des Übergangsmaterials 8.
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Wie in den 1 und 2 dargestellt, ist die Schmelzschweißverbindung 12 auf eine zentrale Stelle zwischen den ersten und zweiten Komponenten 4, 6 (was für eine Widerstandspunktschweißung typisch sein kann) beschränkt und erstreckt sich durch die Dicke (d. h. auf und ab in den Figuren) und kontaktiert die erste Komponente 4 und die zweite Komponente 6. Diese Schmelzschweißverbindung 12 kann eine Widerstandspunktschweißung sein, die durch Widerstandspunktschweißen gebildet wird. Wie in den 3 und 4 dargestellt, ist die Schmelzschweißverbindung 12 nicht zentral zwischen den ersten und zweiten Komponenten 4, 6 wie in den 1 und 2 angeordnet, sondern verbraucht mehr von der ersten Komponente 4 als von der zweiten Komponente 6 und erstreckt sich von einer Seite (d. h. oben in den Figuren) der ersten Komponente 4 zum und durch das Übergangsmaterial 8 und erstreckt sich in die zweite Komponente 6 (was für eine andere Schmelzschweißverbindung als eine Widerstandspunkt-Schweißung typisch sein kann). Wie zu erkennen ist, kann die Schmelzschweißverbindung 12 alternativ mehr von der zweiten Komponente 6 als der ersten Komponente 4 verbrauchen und sich von einer Seite (d. h. von unten in den Figuren) der zweiten Komponente 6 zum und durch das Übergangsmaterial 8 und in die erste Komponente 4 erstrecken. Die in den 3 und 4 dargestellten Schmelzschweißverbindungen 12 können durch eine andere Schmelzschweißtechnik als das Widerstandspunktschweißen, wie beispielsweise das Lichtbogenschweißen, das Strahlungschweißen (z. B. Laserschweißen), das Leitungsschweißen, das Induktionsschweißen, das Flammkontaktschweißen und das Feststoffreaktionsschweißen gebildet werden.
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Wie angegeben, kann die Schmelzschweißung 12 zu einem anderen Zeitpunkt und an einem anderen Ort gebildet werden als die UAM-Schweißung 10. So kann beispielsweise ein Teilezulieferer in der Produktionsstätte des Lieferanten die UAM-Schweißung 10 zwischen der ersten Komponente 4 und dem Übergangsmaterial 8 bilden und dieses Teil anschließend an die Produktionsstätte eines Automobilherstellers liefern, die vom Produktionsstandort des Lieferanten entfernt liegt. Das Teil, einschließlich des mit der ersten Komponente 4 UAM-verschweißten Übergangsmaterials 8, kann durch Schmelzschweißen der zweiten Komponente 6 mit dem Teil in der Produktionsstätte des Automobilherstellers zu einem Zeitpunkt fernab vom Bilden der UAM-Schweißung 10 zusammengefügt werden. Diese Anordnung ermöglicht die Herstellung der Schweißbaugruppe 2, ohne dass die Anlage des Automobilherstellers für das UAM-Schweißen modifiziert oder aufgerüstet werden muss. Das UAM-Schweißen, das außerhalb der Produktionsstätte des Lieferanten durchgeführt wird, ermöglicht dem Automobilhersteller eine Einsparung von Zeit und Kosten, was ansonsten zur Aufrüstung der Produktionsstätte für das UAM-Schweißen erforderlich wäre.
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In mehreren Ausführungsformen bestehen die erste Komponente 4 und die zweite Komponente 6 aus ungleichen Materialien (z. B. Materialien mit unterschiedlichen Elektrodenpotentialen). Dies ist jedoch nicht erforderlich, und die ersten und zweiten Komponenten 4, 6 können aus dem gleichen Material hergestellt sein. In mehreren Ausführungsformen umfasst die erste Komponente 4 ein erstes Metallmaterial oder besteht aus diesem, und die zweite Komponente 6 umfasst ein zweites Metallmaterial oder besteht aus diesem, welches sich von dem ersten Metallmaterial unterscheidet. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform beinhaltet eines der ersten und zweiten Metallmaterialien Aluminium oder eine Legierung auf Aluminiumbasis oder besteht daraus, und das andere der ersten und zweiten Metallmaterialien beinhaltet oder besteht aus Stahl oder einer Legierung auf Stahlbasis. In einem Aspekt beinhaltet das erste Metallmaterial Aluminium oder eine Legierung auf Aluminiumbasis oder besteht aus diesem, und das zweite Metallmaterial beinhaltet oder besteht aus Stahl oder einer Legierung auf Stahlbasis. In einem weiteren Aspekt beinhaltet das erste Metallmaterial Stahl oder eine Legierung auf Stahlbasis oder besteht aus diesem, und das zweite Metallmaterial beinhaltet Aluminium oder eine Legierung auf Aluminiumbasis oder besteht aus diesem.
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Wie dargestellt, kontaktiert die erste Komponente 4 nicht die zweite Komponente 6, sondern ist durch das Übergangsmaterial 8 getrennt, wobei das Übergangsmaterial 8 die erste Komponente 4 und die zweite Komponente 6 kontaktiert. Wenn die ersten und zweiten Komponenten 4, 6 aus ungleichen Materialien (z.B. Aluminium und Stahl) hergestellt sind, verhindert diese Isolierung und der größere Abstand zwischen der ersten Komponente 4 und den zweiten Komponenten 6 unter Verwendung des Übergangsmaterials 8 eine Korrosion (z. B. eine galvanische Korrosion zwischen Aluminium und Stahl), die ansonsten durch den Kontakt zwischen den ungleichen Metallen entstehen könnte.
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In einer Ausführungsform wird das Übergangsmaterial 8 nur durch die Schmelzschweißung 12 mit der zweiten Komponente 6 verbunden. Das heißt, das Übergangsmaterial 8 ist nicht mit der zweiten Komponente 6 im UAM-Verfahren verschweißt. In einer weiteren Ausführungsform kann das Übergangsmaterial 8 mit der zweiten Komponente 6 und der ersten Komponente 4 durch UAM-Schweißen verbunden werden, z. B. vor dem Schmelzschweißen der ersten Komponente 4 mit der zweiten Komponente 6.
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Das Übergangsmaterial 8 kann so gewählt werden, dass es mit dem ersten Material und dem zweiten Material kompatibel ist. Mit „kompatibel“ ist gemeint, dass das Übergangsmaterial eine oder mehrere galvanische Korrosivitäten, das Bilden von IMCs und Verfestigungsrissen verhindert, wenn die Baugruppe 2 schmelzgeschweißt wird. Das Übergangsmaterial 8 kann ein einzelnes Material sein, wie beispielsweise eine hochentropische Legierung, eine herkömmliche Legierung (eine Legierung, die keine hochentropische Legierung ist) oder ein reines Element, wie beispielsweise ein Metall. Durch die Wahl eines geeigneten Übergangsmaterials 8, das mit dem ersten Material und dem zweiten Material kompatibel ist, kann die elementare Zusammensetzung des Schmelzbades ausreichend verdünnt werden, sodass eine oder mehrere galvanische Korrosionen, das Bilden von unerwünschten IMCs oder Verfestigungsrissen unter einem kritischen Niveau unterdrückt oder durch das Bilden von energetisch präferentiellen Verbindungen eliminiert werden. Das Übergangsmaterial 8 (d. h. eine hochentropische Legierung, eine herkömmliche Legierung oder ein reines Element) kann als kompatibel eingestuft werden, wenn das Übergangsmaterial 8 beim Schmelzschweißen zu einer reduzierten Menge oder einem reduzierten Niveau von einer oder mehreren galvanischen Korrosivitäten, dem Bilden von IMCs und Verfestigungsrissen in der Schmelzschweißung führt, im Vergleich zum Schmelzschweißen der ersten Komponente 4 direkt mit der zweiten Komponente 6, ohne dass das Übergangsmaterial 8 dazwischen angeordnet ist und die erste Komponente 4 und die zweite Komponente 6 kontaktiert.
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In Stahl-Aluminium-Schweißverbindungen können diese einzelnen Materialien, die im Übergangsmaterial 8 verwendet werden, Elemente wie Vanadium, Niob, Silizium, Magnesium, Beryllium, Kupfer, Zink, Nickel oder Seltenerd-Elemente sein oder diese enthalten. Das Übergangsmaterial 8 kann aus Elementen bestehen, die als Barriere für die Diffusion und Mischung von Elementen (d. h. Diffusionsbarriere) zwischen der ersten und zweiten Komponente 4, 6 dienen. Derartige Barriereelemente können Vanadium oder Tantal in Stahl-Titan-Schweißverbindungen und Silizium in Stahl-Aluminium-Schweißverbindungen beinhalten. Bei einigen Ausführungsformen verdünnt das Übergangsmaterial 8, da ein Teil des Übergangsmaterials 8 beim Schmelzschweißen verbraucht wird, das Schmelzbad mit Material (z. B. zusätzliche Elemente, die nicht in der ersten oder zweiten Komponente vorhanden sind) oder wirkt als Diffusionsbarriere, die dadurch eine oder mehrere der galvanischen Korrosivitäten, das Bilden von IMCs und Verfestigungsrissen in der Schmelzschweißung 12 verhindert. In weiteren Ausführungsformen ist das Verdünnungs- oder Barrierematerial in mindestens einer der ersten und zweiten Komponenten 4, 6 vorhanden. Die Schmelzschweißung 12 kann Elemente oder Verbindungen aus der ersten Komponente 4 (d. h. dem ersten Metallmaterial), der zweiten Komponente 6 (d. h. dem zweiten Metallmaterial) und dem Übergangsmaterial 8 (d. h. einer hochentropischen Legierung) umfassen. Bei Schmelzschweißungen zwischen Stahl und Aluminium kann das Übergangsmaterial 8 Silizium, Magnesium, Beryllium, Kupfer, Zink, Nickel oder Seltenerdmetalle beinhalten. Für Schmelzschweißungen, die zwischen Stahl und Titan gebildet werden, kann das Übergangsmaterial 8 Vanadium oder Tantal beinhalten.
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Bei dieser Erfindung kann das Übergangsmaterial 8 ein einzelnes Material sein, wie beispielsweise eine hochentropische Legierung. Hochentropie-Legierungen (HEAs) sind metallische Legierungen, die fünf oder mehr Hauptelemente in einem annähernd gleichatomigen Verhältnis beinhalten, wobei die Atomkonzentration jedes Elements zwischen 5 und 35 Atomprozent beträgt. HEAs können verwendet werden, um die konfigurative Entropie zu maximieren und eine oder mehrere von galvanischen Korrosionen, das Bilden von IMCs und Verfestigungsrissen in der Schmelzschweißung 12 während oder nach dem Schmelzschweißen zu unterdrücken. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform beinhaltet das Übergangsmaterial 8 ein HEA-System in Form von AlxCoCrFeNi (x=0,1 bis 0,3). Die Verwendung dieser oder anderer HEAs kann die Bildung einer festen Lösung anstelle von IMCs in der Schmelzschweißung 12 bewirken.
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Wenn AlxCoCrFeNi (x=0,1 bis 0,3) als Übergangsmaterial 8 zwischen den ersten und zweiten Komponenten 4, 6 aus Stahl und Aluminium verwendet wird, können die grenzflächennahen Mikrostrukturen der Schmelzschweißung 12 eine große Eisen-(Fe)-Diffusion zwischen der Stahlkomponente und der HEA enthalten, wodurch eine starke Bindung gebildet wird; und können eine Siliziumoxidation an der Schnittstelle zwischen dem Aluminium und der HEA enthalten. Darüber hinaus kann die Festigkeit der Verbindung bei zunehmender Schweißdauer erhöht werden.
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Das Übergangsmaterial 8 kann auch ein reines Element, wie beispielsweise Nickel, umfassen. Bei Verwendung von Nickel als Übergangsschicht 8 zwischen Stahl und Titan oder einer Legierung auf Titanbasis für die ersten und zweiten Komponenten 4, 6 kann das Vorhandensein von Nickel das Schmelzbad ausreichend verdünnen, um die Bildung von spröden Fe-Ti-IMCs und/oder Verfestigungsrissen zu verhindern, die typischerweise zum Versagen von Schweißnähten zwischen Eisen- und Titanteilen führen.
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Das Übergangsmaterial 8 kann auch eine Legierung umfassen, die keine hochentropische Legierung ist und die einem der Basismetalle ähnlich ist, jedoch mit dem Zusatz oder der Auslassung von spezifischen Legierungselementen. So kann beispielsweise eine AI-Legierung unter Zusatz von Zink die Dicke einer IMC-Schicht und/oder Verfestigungsrisse beim Schweißen an Stahl auf einen kritischen Wert reduzieren. Eine AI-Legierung mit Siliziumzusatz kann ebenfalls die Verfestigungsrisse der IMC-Schicht reduzieren oder eliminieren, und gleichzeitig die Härte des Übergangsbereichs zwischen dem AI-Basismetall und dem Stahl-Basismetall reduzieren.
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Das Übergangsmaterial 8 kann eine einschichtige oder mehrschichtige Struktur aufweisen. Ein einschichtiges Übergangsmaterial 8 ist beispielsweise in den 1 und 3 dargestellt. Ein mehrschichtiges Übergangsmaterial 8 ist beispielsweise in den 2 und 4 dargestellt.
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Das mehrschichtige Übergangsmaterial 8 (2 und 4) kann mehrere Schichten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen beinhalten, sodass sich die Zusammensetzung des Übergangsmaterials 8 von einer Seite, die der ersten Komponente 4 am nächsten liegt, zu einer Seite, die der zweiten Komponente 6 am nächsten liegt, ändert. In den in den 2 und 4 dargestellten Ausführungsformen können die verschiedenen Schichten des Übergangsmaterials 8 zusammengefügt werden, beispielsweise durch Festkörperschweißtechniken wie UAM, oder durch Walzplattieren, Diffusionsschweißen, Auftragsschweißen oder Sputtern der verschiedenen Schichten. Das Zusammenfügen der Schichten des Übergangsmaterials 8 kann vor dem Schmelzschweißen der Baugruppe 2 erfolgen.
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Wie in den 2 und 4 dargestellt, beinhaltet das Übergangsmaterial 8 eine erste Schicht 14 und eine zweite Schicht 16. Die erste Schicht 14 kann mit der zweiten Schicht 16 anders als durch das Schmelzschweißen 12 verbunden werden, zum Beispiel durch eine UAM-Verbindung 18, die durch Ultraschallschweißen der ersten Schicht 14 mit der zweiten Schicht 16 gebildet wird. Die erste Schicht 14 ist in der Nähe der ersten Komponente 4 angeordnet und kontaktiert diese. Die erste Schicht 14 wird ebenfalls durch Ultraschallschweißen 10 mit der ersten Komponente 4 verbunden. Die zweite Schicht 16 ist in der Nähe der zweiten Komponente 6 angeordnet und kontaktiert diese, ist jedoch außer durch die Schmelzschweißung 12 nicht mit der zweiten Komponente 6 verbunden. Das Übergangsmaterial 8 kann zusätzliche Schichten beinhalten, wie beispielsweise eine dritte Schicht, eine vierte Schicht, usw.
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Das Übergangsmaterial 8 kann einen Gradienten oder eine anderweitig variable oder sich ändernde Zusammensetzung aufweisen, wenn es von der Bindung der ersten Komponente 4 zur Bindung der zweiten Komponente 6 übergeht. Diese Gradientenzusammensetzung kann verwendet werden, um eine bestimmte Zusammensetzung näher an einer ersten oder zweiten Komponente 4, 6 zu platzieren, die kompatibler ist (d. h. sie bewirkt weniger von einer oder mehreren galvanischen Korrosionen, IMCs und Verfestigungsrissen in der Schmelzschweißung 12). Beispielsweise kann in den 2 und 4 die erste Schicht 14 mit dem ersten Material der ersten Komponente 4 und die zweite Schicht 16 mit dem zweiten Material der zweiten Komponente 6 kompatibler sein, sodass die Schmelzschweißung 12 weniger von einer oder mehreren von einer galvanischen Korrosion, intermetallischen Verbindungen und Verfestigungsrissen enthält, als wenn die zweite Schicht 16 näher an der ersten Komponente 4 angeordnet wäre und die erste Schicht 14 näher an der zweiten Komponente 6 angeordnet wäre.
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In einer Ausführungsform umfasst die erste Schicht 14 eine siliziumhaltige AI-Legierung, die mit einem AI-Basismetall 4 kompatibel ist. In einer Ausführungsform umfasst die zweite Schicht 16 Zink oder eine zinkhaltige Legierung, die mit einem Stahlbasismetall 6 kompatibel ist.
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Der vorliegende Gegenstand beinhaltet ein Verfahren zum Herstellen einer Schweißbaugruppe 2 durch Bereitstellen eines Übergangsmaterials 8, das mit der ersten Komponente 4 ultraschallverschweißt ist. In einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren das Ultraschallschweißen des Übergangsmaterials 8 mit der ersten Komponente 4. In dieser Ausführungsform kann das Übergangsmaterial 8 mit der ersten Komponente 4 in Kontakt gebracht und dann mit der ersten Komponente 4 an einer vorbestimmten Stelle mit der ersten Komponente 4 ultraschallverschweißt werden. Die Anordnung und Verbindung des Übergangsmaterials 8 an der vorbestimmten Stelle ermöglicht es, die erste Komponente 4 optional zu transportieren oder zu lagern und dann später mittels des Übergangsmaterials 8 mit der zweiten Komponente 6 zu verschweißen, um eine Baugruppe 2 mit einer gewünschten Konfiguration zu bilden.
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Nachdem das Übergangsmaterial 8 mit der ersten Komponente 4 ultraschallverschweißt ist, wird das Übergangsmaterial 8 anschließend zwischen der ersten Komponente 4 und einer zweiten Komponente 6 so angeordnet, dass das Übergangsmaterial 8 die zweite Komponente 6 kontaktiert. Die erste Komponente 4 (und auch das Übergangsmaterial 8) wird mit der zweiten Komponente 6 durch Schmelzschweißen mittels des Übergangsmaterials 8 verbunden, um eine Schmelzschweißung 12 zwischen der ersten Komponente 4 (und mittels des Übergangsmaterials 8) und der zweiten Komponente 6 zu bilden.
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Das Schmelzschweißen wird so durchgeführt, dass die Schmelzschweißung 12 das Übergangsmaterial 8 durchläuft, um die erste Komponente 4 und die zweite Komponente 6 zu kontaktieren. Mit anderen Worten, die Schmelzschweißung 12 verbraucht einen Abschnitt der ersten Komponente 4, einen Abschnitt des Übergangsmaterials 8 und einen Abschnitt der zweiten Komponente 6. Auf diese Weise enthält die Schmelzschweißung 12 Material aus der ersten Komponente 4, der zweiten Komponente 6 und dem Übergangsmaterial 8. Das Übergangsmaterial 8 umfasst in mehreren Ausführungsformen eine hochentropische Legierung, welche die Bildung von IMCs galvanischer Korrosion und/oder Verfestigungsrissen in der Schmelzschweißung 12 verhindert, die ansonsten während oder nach dem Schmelzschweißen von ungleichen Materialien des ersten Metallmaterials und des zweiten Metallmaterials entstehen würden.
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Wenn das Übergangsmaterial 8 eine Mehrschichtstruktur ist (2 und 4), umfasst das Verfahren ferner das Verschweißen der Schichten des mehrschichtigen Übergangsmaterials 8, einschließlich der ersten Schicht 14 und der zweiten Schicht 16, an ihren Grenzflächen. Das Verschweißen der ersten und zweiten Schichten 14, 16 und anderer Schichten des mehrschichtigen Übergangsmaterials 8, falls vorhanden, kann vor dem Ultraschallschweißen des Übergangsmaterials 8 mit einer ersten Komponente 4 und vor dem Schmelzschweißen der ersten Komponente 4 mit der zweiten Komponente 6 durchgeführt werden. In einer weiteren Ausführungsform können die Schichten des mehrschichtigen Übergangsmaterials 8 stattdessen nacheinander schichtweise mit der ersten Komponente 4 ultraschallverschweißt sein. In dieser Ausführungsform kann die erste Schicht 14 mit der ersten Komponente 4 ultraschallverschweißt sein, wodurch die UAM-Schweißung 10 gebildet wird, und anschließend kann die zweite Schicht 16 mit der ersten Schicht 14 ultraschallverschweißt sein, wodurch die UAM-Verbindung 18 gebildet wird. In noch einer weiteren Ausführungsform (nicht dargestellt) können die Schichten des mehrschichtigen Übergangsmaterials 8 zunächst unabhängig von der jeweiligen ersten Komponente 4 und der zweiten Komponente 6 ultraschallverschweißt werden. Bei dieser Ausführungsform kann die erste Schicht 14 mit der ersten Komponente 4 und die zweite Schicht 16 mit der zweiten Komponente 6 ultraschallverschweißt sein. Danach werden die erste Schicht 14 und die zweite Schicht 16 in Kontakt miteinander gebracht und durch Schmelzschweißen miteinander verbunden, um dadurch die erste Komponente 4 mit der zweiten Komponente 6 zu verschweißen.
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Die nach dem beschriebenen Verfahren gebildete Schweißbaugruppe 2 kann als Fahrzeugkomponente oder Teil derselben verwendet werden, zum Beispiel als Rahmenelement, Plattenelement oder eine andere Komponente eines Fahrzeugs. Da das Übergangsmaterial 8 zu einem Zeitpunkt und an einem Ort mit der ersten Komponente 4 ultraschallverschweißt werden kann, unabhängig von den ersten und zweiten Komponenten 4, 6, die durch Schmelzschweißen zusammengeschweißt werden, ist es möglich, die Schweißbaugruppe 2 über bekannte Fahrzeugmontagelinien herzustellen, ohne dass ein Umrüsten oder zusätzliche Investitionen zum Bereitstellen von UAM-Fähigkeiten erforderlich sind. Die Schweißbaugruppe kann als Teil eines Fahrzeugs montiert und optional e-beschichtet und einem Lackierverfahren unterzogen werden, einschließlich dem Aushärten oder Backen der Lackierung, die auf die Schweißbaugruppe 2 aufgebracht wurde.
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Ferner kann die Schweißbaugruppe 2 mehr als eine Schmelzschweißung 12 beinhalten, zum Beispiel zwei oder mehr Schmelzschweißungen, die, mit Ausnahme einer wärmebeeinflussten Zone 20, jeweils einen Teil der ersten Komponente 4, des Übergangsmaterials 8 und der zweiten Komponente 6 verbrauchen. Es ist auch zu beachten, dass die Schmelzschweißung 12 eine andere Form oder Größe als in den Figuren dargestellt aufweisen kann und eine Punktschweißung, eine Nahtschweißung oder eine andere Schweißverbindung sein kann. Weiterhin ist die Anordnung der ersten und zweiten Komponenten 4, 6 in den Figuren zum Bilden einer Überlappverbindung dargestellt. Der vorliegende Gegenstand ist jedoch nicht auf diese Anordnung beschränkt und beinhaltet andere Anordnungen für die ersten und zweiten Komponenten 4, 6 zum Bilden von zum Beispiel Stößen, T-Stößen, Flanschverbindungen, usw. Darüber hinaus können andere Komponenten mit den ersten oder zweiten Komponenten 4, 6 durch eine zusätzliche Schweißnaht oder durch die Schmelzschweißung 12 verschweißt werden, wie beispielsweise die in den 3 und 4 dargestellte Schmelzschweißung 12.
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Der vorliegende Gegenstand ermöglicht das Verbinden von ungleichen Metallen mit herkömmlichen Schmelzschweißtechniken, sodass die Schmelzschweißung 12 sowohl die ersten als auch die zweiten Komponenten 4, 6 kontaktiert, während gleichzeitig die Bildung einer schädlichen galvanischen Korrosion der IMCs und/oder von Verfestigungsrissen in der Schmelzschweißung 12 vermieden wird, wodurch feste und haltbare Schweißverbindungen zwischen ungleichen Materialien hergestellt werden.
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Es ist zu verstehen, dass Abweichungen von den vorstehend genannten und anderen Merkmalen und Funktionen oder Alternativen oder Variationen derselben in vielen anderen Systemen oder Anwendungen sinnvoll kombiniert werden können. Ebenso können verschiedene derzeit unvorhergesehene oder unerwartete Alternativen, Änderungen, Variationen oder Verbesserungen darin nachträglich von Fachleuten durchgeführt werden, die auch durch die folgenden Patentansprüche einbezogen werden sollen. Schweißbaugruppen und verwandte Verfahren zum Herstellen der Schweißbaugruppen beinhalten eine erste Komponente eines ersten Metallmaterials, eine zweite Komponente eines zweiten Metallmaterials, das sich vom ersten Metallmaterial unterscheidet, und ein Übergangsmaterial, das ein oder mehrere aus einer hochentropischen Legierung, einem reinen Element und einer Legierung enthält, die keine hochentropische Legierung ist, und die zwischen der ersten Komponente und der zweiten Komponente angeordnet ist und diese kontaktiert. Eine Ultraschallschweißverbindung verbindet das Übergangsmaterial mit der ersten Komponente, und eine Schmelzschweißverbindung verbindet die erste Komponente mit der zweiten Komponente. Die Schmelzschweißung kontaktiert die erste Komponente, die zweite Komponente und das Übergangsmaterial. Die Menge oder das Niveau einer oder mehrerer von einer galvanischen Korrosion, intermetallischen Verbindungen und Verfestigungsrisse in der Schmelzschweißung ist geringer als wenn die erste Komponente direkt mit der zweiten Komponente schmelzverschweißt würde.
