DE10304954A1

DE10304954A1 - Schweißverfahren für Mischverbindungen

Info

Publication number: DE10304954A1
Application number: DE10304954A
Authority: DE
Inventors: Sven Jüttner; Jörg Zschetzsche
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2003-02-06
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2004-08-19

Abstract

Mischverbindungen zwischen Werkstücken aus Stahl und Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen sind schwierig umzusetzen, da diese Werkstücke stark unterschiedliche physikalische, chemische und mechanische Eigenschaften aufweisen. Deshalb wird ein Verfahren zum Herstellen von Mischverbindungen an Überlappstößen von einem ersten Bauteil (2), das einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist, und einem zweiten Bauteil (13), das einen höheren Schmelzpunkt aufweist, mit einem Metall-Inertgas-Schweiß-Prozess (MIG-Prozess) offenbart, wobei das erste Bauteil (2) in einem Verbindungsbereich (14) an- bzw. aufgeschmolzen wird, wogegen das zweite Bauteil in einem Verbindungsbereich (15) nicht bzw. nur geringfügig an- bzw. aufgeschmolzen wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Lichtbogen im Überlappungsbereich der beiden Bauteile (2, 13) derart über das erste Bauteil (2) geführt, dass der Lichtbogen nur auf das ungeschmolzene erste Bauteil (2) und/oder auf das Schmelzbad trifft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Überlappverbindungen dünner Bleche finden eine breite Anwendung im Karosseriebau, Gerätebau und/oder Maschinenbau. Mischverbindungen zwischen Werkstücken aus Stahl und Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen sind jedoch schwierig umzusetzen, da diese Werkstücke stark unterschiedliche physikalische, chemische und mechanische Eigenschaften aufweisen. Sie verdienen aber ein besonderes Interesse, weil beispielsweise Stahlrahmen mit einer hohen Festigkeit mit leichten Aluminiumblechen kombiniert werden können.
Für solche Mischverbindungen werden entsprechend dem Stand der Technik diverse Verfahren vorgeschlagen. Eine Möglichkeit besteht in mechanischen Fügeverfahren, beispielsweise Schrauben und/oder Nieten, die allerdings aufwendig sind und nur punktförmige Verbindungen zwischen den beiden Metallen ermöglichen. In der JP 07214338 A wird ein Kombinationsverfahren für punktförmige Verbindungen zwischen einem Stahl- und einem Aluminiumblech bestehend aus Widerstandsschweißen mit Hilfe von Stiften/Nieten vorgeschlagen.
Ein alternatives Verfahren umfasst Kleben, wobei hierfür eine aufwendige Oberflächenbearbeitung der zu verbindenden Werkstücke erforderlich ist. Die resultierenden Verbindungen weisen anschließend aber nur eine geringe Temperaturbelastbarkeit und nur eine wenig zufriedenstellende Festigkeit auf.
Ein weiteres alternatives Verfahren ist das Ofenlöten. Dies kann unter einer Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum erfolgen. Ferner können hierbei Flussmittel eingesetzt werden. Dieses Verfahren ist jedoch bei großen Bauteilen problematisch und mit einem großen Kostenaufwand verbunden.
Die nächstfolgenden Lösungsvorschläge umfassen Schweißverfahren. So wird in der JP 06114565 ein Verfahren zum Widerstands-Punktschweißen zwischen unterschiedlichen Materialien offenbart. Bei diesem Verfahren wird nur das niedrigschmelzendere Material aufgeschmolzen und die beiden Materialien werden am Schmelzpunkt unter Vibration zusammengepresst.
Die DE 1 257 310 B1 schlägt ein Verfahren zum Unterpulververschweißen von Aluminium und seinen Legierungen mit Stahl vor, bei dem Aluminium und seine Legierungen als Zusatzwerkstoff und noch zusätzliche, die Verbindung zwischen Aluminium und Stahl begünstigende, Elemente verwendet werden. Bei diesem Verfahren wird während des Schweißens Aluminium mit Stahl unmittelbar verschmolzen, indem in die Lichtbogenzone unter die Pulverschicht als zusätzliches Element Zink eingeführt wird.
In der WO 94/07 642 A1 wird ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem Eisenmetall und einem Nichteisenmetall offenbart, bei dem das niedrigschmelzendere Nichteisenmetall mittels eines Lichtbogens unter Zufuhr eines Zusatzwerkstoffes aufgeschmolzen wird. Der Zusatzwerkstoff ist austenitischer Stahl auf Basis einer Chrom-Nickel-Basis. Zwischen den Metallen wird ein Nahtstreifen mit überwiegend austenitischen Kristallgitter, eine Mischzone mit einer durchgehenden Schicht aus einer intermetallischen Phase aus den Elementen des Zusatzwerkstoffes und des Nichteisenmetalls sowie eine Zwischenschicht zwischen dieser Mischzone und dem Nichteisenmetall ausgebildet.
Nachteilig ist hierbei, dass aufgrund der unterschiedlichen Materialien eine sehr dicke Versprödungsschicht, insbesondere eine sehr dicke intermetallische Phase, die kaum beeinflussbar ist, gebildet wird, so dass die Festigkeit der Verbindungsstelle sehr gering ist, wodurch bei geringer Beanspruchung, beispielsweise beim Verdrehen bzw. Verwinden der beiden Gegenstände zueinander, die Schweißnaht sehr leicht zerstört bzw. aufgerissen wird.
Um diesen Nachteil zu umgehen, wird in der WO 02/43 913 A1 ein Verfahren zum Verbinden von Metallgegenständen vorgeschlagen, bei dem ein erster Metallgegenstand mit einem niedrigen Schmelzpunkt mit einem zweiten Metallgegenstand mit einem höheren Schmelzpunkt verbunden wird. Hierbei wird der erste Metallgegenstand über einen Wärmeeinbringungsprozess in einem Verbindungsbereich an- bzw. aufgeschmolzen, wogegen der zweite Metallgegenstand, insbesondere die Oberfläche desselben, im Verbindungsbereich nicht bzw. nur geringfügig an- bzw. aufgeschmolzen wird.
Bei diesem Verfahren ist zu beachten, dass die Wärmeeinbringung, beispielsweise mittels eines Lichtbogens, idealer Weise nur auf den ersten Metallgegenstand ausgerichtet wird. Wenn jedoch ein Anteil des Lichtbogens auf den zweiten Metallgegenstand trifft, findet auch dort eine entsprechende Erwärmung statt. Damit das Verfahren auch in diesem Fall durchgeführt werden kann, muss die Energiezufuhr über den Lichtbogen aufwendig geregelt und gesteuert werden, so dass lediglich genügend Energie zur Verfügung steht, um ein Aufschmelzen des ersten Metallgegenstandes zu erreichen, wogegen der zweite Metallgegenstand mit dieser Energiezufuhr nicht aufgeschmolzen werden kann.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteiles mit einem niedrigeren Schmelzpunkt mit einem Bauteil mit einem höheren Schmelzpunkt zu verbessern und insbesondere die Handhabung desselben zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zum Herstellen von Mischverbindungen an Überlappstößen von einem ersten Bauteil, das einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist, und einem zweiten Bauteil, das einen höheren Schmelzpunkt aufweist, mit einem MIG-, WIG- oder Plasma-Schweiß-Prozess, einem vorgesehen, wobei das erste Bauteil in einem Verbindungsbereich an- bzw. aufgeschmolzen wird, wogegen das zweite Bauteil in einem Verbindungsbereich nicht bzw. nur geringfügig an- bzw. aufgeschmolzen wird. Hierdurch entsteht zum einen eine Mischverbindung, die einen Schweißverbindungsbereich und einen Lötverbindungsbereich aufweist.
Wesentliche Idee der Erfindung ist, dass ein Lichtbogen im Überlappungsbereich der beiden Bauteile derart über das erste Bauteil geführt wird, dass der Lichtbogen nur auf das ungeschmolzene erste Bauteil und/oder auf das Schmelzbad trifft. Es wird somit erfindungsgemäß eine Liniennaht zwischen den beiden Bauteilen hergestellt. Da der Lichtbogen nicht direkt auf das zweite Bauteil trifft, wird eine Aufschmelzung desselben weitgehend vermieden.
Dabei entsteht der Schweißverbindungsbereich zwischen dem ersten Bauteil und der Schweißnaht. Der Lötverbindungsbereich wird zwischen der Schweißnaht und dem zweiten Bauteil ausgebildet. Die Schweißnaht besteht im Wesentlichen aus dem Element des ersten Bauteils bzw. weist Hauptbestandteile auf, die sich thermisch ähnlich verhalten, um eine feste Fügung in der Liniennaht zu ergeben. Als Vorteil gegenüber einer Stirnkehlnaht vergrößert eine Liniennaht ferner die Toleranz in der Brennerführung. Statt einer Toleranz von ca. 0,2 bis 0,5 mm für den Fall einer Strinkehlnaht beträgt die Toleranz bei Anwendung der Liniennahttechnik in etwa die gesamte Breite der Überlappung, also mehrere Millimeter. Diese Toleranz wird lediglich dadurch ein wenig eingeschränkt, dass zu dem Rand ein Mindestabstand von ca. 3 mm sinnvoll ist. Zusätzlich zu den vorgenannten Vorteilen verbessert die Liniennahttechnik auch die Wärmeabfuhr im oberen Fügepartner.
Bei der Herstellung der Mischverbindung zwischen einem Eisenmetall bzw. aus einem Stahlblech und einem Nichteisenmetall bzw. einem Aluminium- und/oder Aluminiumlegierungsblech wird der Lichtbogen des MIG-Prozesses verwendet, um das Leichtmetallblech aufzuschmelzen. Auf dieser Seite der Verbindung entsteht eine Schweißverbindung zwischen der Schmelze und dem Aluminiumblech. Das Stahlblech wird nicht aufgeschmolzen, sondern von der Schmelze benetzt und es entsteht eine Lötverbindung zwischen der Schmelze und dem Stahlblech. Durch die Verhinderung eines Saumes spröder intermetallischer Phasen, beispielsweise AlFe-, AlFeSi- oder AlFeMgSi-Typen, werden günstige Eigenschaften der Verbindung bezüglich ihrer Festigkeit erreicht.
Alternativ ist das Verfahren ebenso bei Mischverbindungen zwischen Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen und Magnesium bzw., Magnesiumlegierungen oder bei Mischverbindungen zwischen Magnesium bzw. Magnesiumlegierungen und Nichteisenmetallen vorteilhaft einsetzbar.
Als vorteilhaft hat sich für das erfindungsgemäße Verfahren eine stechende Führung eines Brenners erwiesen, der die Schweißelektrode bereithält. Unter stechender Führung wird eine Neigung des Brenners in der Ebene der Schweißnaht verstanden, so dass die Brennerspitze etwas in Richtung der Vorschubrichtung geneigt ist. Dadurch wird ein vorlaufendes Schmelzbad erreicht und eine direkte Lichtbogeneinwirkung auf das Stahlblech wird effektiv verhindert. Ferner wird durch die nach vorne geneigte Spitze des Brenners eine gute Durchmischung der Schmelze erreicht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt die effektive Stromstärke des MIG-Prozesses weniger als 100 A. Durch den niedrigen Strom wird erreicht, dass das niedrigschmelzendere Metallbauteil schmilzt, dabei aber ein Schmelzen des zweiten Bauteiles zuverlässig verhindert wird.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist die Verwendung einer Schweißelektrode, deren Querschnitt mindestens 3 mm² beträgt. Dadurch wird die Intensität des Lichtbogens zusätzlich verringert, was neben dem niedrigen Strom zum Effekt beiträgt, dass nur das erste Bauteil und nicht das zweite Bauteil geschmolzen wird.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren mit einer Bahngeschwindigkeit der Brennerführung von mindestens 120 cm/min durchgeführt. Dadurch wird die Einwirkzeit der Schmelze auf die Oberfläche des zweiten Bauteiles verkürzt.
In vorteilhafter Weise kann von außen ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff zugeführt werden, um die Eigenschaften der Schmelze bzw. der entstehenden Verbindung zu optimieren. Es können Zusatzwerksstoffe auf AlSi-Basis oder alternativ auf Zink-Basis, beispielsweise ZnAl4 oder ZnAl12, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden.
Weiterhin vorteilhaft ist die Verwendung von Schutzgas, das Argon und/oder ein Argon-Helium-Gemisch umfasst, um jegliche unerwünschte Reaktion in der Schmelze zu verhindern.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigen in
1 eine perspektivische Ansicht des Prinzip eines MIG-Verfahrens;
2 eine Querschnittsansicht durch eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Verbindung.
In 1 ist in einer perspektivischen Darstellung des prinzipiellen Aufbaus 1 eines Metall-Inertgas-Schweiß-Prozesses (MIG-Prozess) gezeigt. Unterhalb des Werkstückes 2, in erfindungsgemäßen Fall ein Blech aus einem niedrigschmelzenderen Metall, beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, befindet sich ein weiteres Blech (nicht gezeigt), das mit dem Aluminiumblech 2 verbunden wird. Es wird in dieser Figur ein Brenner 3 im Schnitt mit einer Drahtelektrode 4 gezeigt. Die Drahtelektrode 4 wird dabei durch eine Stromkontaktdüse 5 geführt. Der Vorschub der Drahtelektrode 4 wird durch eine Drahtvorschubeinrichtung 6 mit einem voreingestellten Wert bereitgestellt.
Die Drahtelektrode 4 und die Stromkontaktdüse 5 sind innerhalb eines Schutzgasdüse 7 angeordnet, so dass ein Schutzgas 8, beispielsweise Argon, an der Spitze der Schutzgasdüse austritt und die Drahtelektrode 4 umgibt. Zwischen der Drahtelektrode 4 und dem Aluminiumblech 2 ist eine Stromquelle 9 angeschlossen, die den benötigten Schweißstrom liefert.
Die Parameter der Stromquelle ist derart eingestellt, dass sich zwischen der Spitze der Drahtelektrode 4 und dem Aluminiumblech 2 ein Lichtbogen 10 ausbildet.
Der Lichtbogen 10 schmilzt das Aluminiumblech 2, so dass eine Schmelze bzw. ein Schmelzbad aus Aluminium und dem Material der Drahtelektrode 4 entsteht. Die Drahtelektrode 4 ist entweder aus einer Aluminiumlegierung, so dass die Schmelze im Wesentlichen aus Aluminium besteht. Alternativ kann die Drahtelektrode auch eine Zinklegierung aufweisen. Auf jeden Fall muss das Material der Drahtelektrode ein ähnliches Schmelzverhalten (Schmelztemperatur) wie Aluminium aufweisen. Der Brenner 3 wird in Richtung des Pfeils 11 fortbewegt. In Bewegungsrichtung hinter dem Brenner erstarrt die Schmelze und bildet die Schweißnaht 12.
Obwohl in dieser Darstellung der Brenner 3 im Wesentlichen senkrecht gegenüber der Ebene des Aluminiumblechs 2 gezeigt ist, ist es vorteilhaft, den Brenner derart zu kippen, dass die Brennerspitze mit der Drahtelektrode in der Bewegungsrichtung nach vorne zeigt. Das Schmelzbad wird sich dann nicht direkt unterhalb des Brenners befinden, sondern läuft der Brennerführung etwas voraus.
In der 2 ist ein Querschnitt durch die Verbindung eines Aluminiumblechs 2 mit einem Stahlblech 13 aus der 1 gezeigt. Die beiden Bleche liegen dabei einander überlappend übereinander. In der gezeigten Verbindung wird erfindungsgemäß ein Liniennaht-Verfahren angewendet, so dass die Schweißnaht 12 sich im Bereich der Überlappung befindet. An den Grenzflächen zwischen dem Aluminiumblech 2 und der Schweißnaht 12 bilden sich nach der Erstarrung der Schmelze Schweißverbindungsbereiche 14. An dem Kontaktbereich zwischen der Schweißnaht 12 und dem Stahlblech 13 wird ein Lötverbindungsbereich 15 ausgebildet. Durch Kapillarwirkung kann zusätzlich ein geringer Anteil der flüssigen Schmelze zwischen auf beiden Seiten neben dem Schmelzbad zwischen die beiden zu verbindenden Metallbleche gelangen und dort ebenfalls eine Lötverbindung herstellen. Dadurch ist die Fläche der Lötverbindung vergrößert, was zu einer verbesserten Festigkeit führt.

Die Temperatur und die Einwirkzeit des Schmelzbades auf der Oberfläche des Stahlbleches 13 sind signifikant von den Parametern des Schweißstromes, der Abmessungen und Anordnung der Schweißelektrode und den verwendeten Materialien abhängig. Im Folgenden werden beispielhafte Parameter für einen erfindungsgemäßen MIG-Prozess in einer Tabelle zusammengefasst:

Grundwerkstoffe	StE390, verzinkt, 2 mm dick
	AC 120, 1 mm dick

Zusatzwerkstoff	S-AlSi5, ∅2,0 mm
Bahngeschwindigkeit	150 cm/min
I_effektiv	95 A
U_effektiv	18 V
Drahtvorschub	2,0 m/min
Brennerstellung	30° stechend
Kontaktrohrabstand	10 mm
Abstand Naht-Blechrand	10 mm
Schutzgas	Argon, 14 l/min
Spalt zwischen den Blechen	ohne

Zu den gegebenen Parametern ist festzustellen, dass die Anwendung von Elektroden mit einem Durchmesser von 2 mm bei dünnen Blechen im Bereich von 1 mm ungewöhnlich ist. Ferner ist ein Drahtvorschub unter 3 m/min bei Bahngeschwindigkeiten von über 120 cm/min abweichend von üblichen Parametern. Letztlich ist die Verwendung einer Liniennaht anstatt einer Stirnkehlnaht bei einem MIG-Prozess nicht üblich.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in der Zeichnung dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.

1: Aufbau MIG-Prozess
2: Leichtmetallblech
3: Brenner
4: Drahtelektrode
5: Stromkontaktdüse
6: Drahtvorschubeinrichtung
7: Schutzgasdüse
8: Schutzgas
9: Stromquelle
10: Lichtbogen
11: Bewegungsrichtung
12: Schweißnaht
13: Stahlblech
14: Schweißverbindungsbereiche
15: Lötverbindungsbereich

Claims

Verfahren zum Herstellen von Mischverbindungen an Überlappstößen von einem ersten Bauteil (2), das einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist, und einem zweiten Bauteil (13), das einen höheren Schmelzpunkt aufweist, insbesondere mit einem Metall-Inertgas-Schweiß-Prozess (MIG-Prozess), wobei das erste Bauteil (2) in einem Verbindungsbereich (14) an- bzw. aufgeschmolzen wird, wogegen das zweite Bauteil in einem Verbindungsbereich (15) nicht bzw. nur geringfügig an- bzw. aufgeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtbogen im Überlappungsbereich der beiden Bauteile (2, 13) derart über das erste Bauteil (2) geführt wird, dass der Lichtbogen nur auf das ungeschmolzene erste Bauteil (2) und/oder auf das Schmelzbad trifft.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (2) Aluminium und/oder eine Aluminiumlegierung und das zweite Bauteil (13) einen legierten und/oder unlegierten Stahl aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (2) Aluminium und/oder eine Aluminiumlegierung und das zweite Bauteil (13) Magnesium und/oder eine Magnesiumlegierung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (2) Magnesium und/oder eine Magnesiumlegierung und das zweite Bauteil (13) einen legierten und/oder unlegierten Stahl aufweist.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brenner (3) mit einer Schweißelektrode (4) stechend geführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die effektive Stromstärke des MIG-Prozesses weniger als 100 A beträgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Schweißelektrode (4) mindestens 3 mm² beträgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahngeschwindigkeit wenigstens etwa 120 cm/min beträgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von außen einer pulverförmiger Zusatzwerkstoff zugeführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusatzwerkstoff auf AlSi-Basis verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusatzwerkstoff auf Zink-Basis verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Inertgas Argon umfasst.