DE10334959A1

DE10334959A1 - Fülldrahtelektrode zum Verbindungsschweißen von hochfesten Aluminiumlegierungen

Info

Publication number: DE10334959A1
Application number: DE10334959A
Authority: DE
Inventors: Belkacem Bouaifi
Original assignee: Bouaifi Belkacem Priv-Doz Dr-Ing Habil
Current assignee: NEUE TECHNOLOGIE SYSTEMLOESUNGEN GMBH, 37520 OSTERO
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2005-02-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fülldrahtelektrode zum Verbindungsschweißen von Bauteilen aus hochfesten Aluminiumlegierungen mit einem rohrförmigen Mantel, in den ein oder mehrere Komponenten in Pulverform eingebracht sind, die durch externe Erhitzung des gefüllten Mantels zur eigentlichen Legierung aufschmelzbar sind, wobei der Mantel aus einer Aluminiumlegierung, vorzugsweise einer Al-Mg-Mn-Legierung, besteht und eine Füllung aus wasser- oder gasverdüsten Schmelzen mit einer Korngröße < 0,2 mm enthält.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fülldrahtelektrode zum Verbindungsschweißen von Bauteilen aus hochfesten Aluminiumlegierungen.
Fülldrahtelektroden haben den Vorteil, daß sie als Draht auf Spulen aufwickelbar sind. Sie weisen einen äußeren metallischen Mantel auf, der einen kreisförmigen Querschnitt (Rohr) oder einen rechteckförmigen Querschnitt (Band) haben kann.
Der Mantel enthält eine Füllung, die aus lichtbogenstabilisierenden, schutzgasbildenden, schlackebildenden Komponenten sowie metallischen Komponenten als Legierungselemente und Deoxidationsmittel bestehen kann.
Fülldrahtelektroden werden zum Verbindungs- und Auftragsschweißen verwendet und zwar beim MSG-Schweißverfahren mit Gleich- oder Wechselstromquelle, Plasmastrahlschweißen, Plasma-MIG, Laser- und Elektronenstrahlschweißen oder Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen.
Die Eigenschaften und das Schweißverhalten werden bei den Fülldrahtelektroden einerseits durch die Zusammensetzung der Füllstoffe und des Mantelmaterials und andererseits durch Form und Größe des stromführenden Mantels bestimmt.
Aluminiumwerkstoffe finden für Maschinen, Apparate und Transportmittel, für Konstruktionen des Bauwesens, im Fahrzeugbau und in der Elektroindustrie bereits vorteilhaft Anwendung. Auch im chemischen Apparate-, Rohrleitungs- und Behälterbau nimmt die Anwendung von Aluminiumwerkstoffen ständig zu.
Für die Konstruktion und den Betrieb von Apparaturen und Aggregaten in der chemischen Industrie sind besonders die nachstehend genannten Eigenschaften von besonderer Bedeutung:

– hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber der Wirkung vieler organischer und anorganischer Verbindungen
– geringe Dichte
– Anstieg der mechanischen Eigenschaften bei tiefen Temperaturen
– hohe Wärmeleitfähigkeit
– hohes Reflexionsvermögen

Aluminium und seine Legierungen werden seit vielen Jahren im industriellen Einsatz verwendet. Das niedrige Gewicht, das günstige Korrosionsverhalten und die leichte Umformbarkeit haben zu einem stetig wachsenden Anwendungsbereich von Aluminiumkonstruktionen geführt. Neue Impulse kommen zur Zeit insbesondere aus dem Bereich der Automobil- und Luftfahrtindustrie, die durch die Forderung nach Kraftstoffeinsparungen und verbesserten Nutzlastanteilen bei hohen mechanischen Beanspruchungen wieder verstärkt Anstrengungen in Richtung Leichtbau unternehmen. Durch die immer höheren Werkstoffanforderungen hinsichtlich der Festigkeit werden zunehmend Konstruktionsschweißungen aus höherfesten Aluminiumlegierungen benötigt.
Der Einsatz gefügter Aluminiumwerkstoffe mit höherer Festigkeit und entsprechender Querschnittsreduzierung trägt zu einer deutlichen gewichtsoptimierten Bauteilauslegung bei. Die Ver- und Bearbeitung von Feinblechwerkstoffen aus Aluminium bietet ein hohes Maß an Gestaltungsmöglichkeiten und erfordert aber auch eine optimierte bzw. neue Fügetechnik. Hierbei wird für die Anwendung von Verbindungen mit optimalen Festigkeitseigenschaften als kraftübertragende Elemente der Einsatz geeigneter Zusatzwerkstoffe vorausgesetzt. Mit steigenden Anforderungen an die Gestaltungsfreiheit und die Bauteileigenschaften von Leichtbaukomponenten werden zunehmend Konstruktionsschweißungen aus hochfesten Aluminiumlegierungen benötigt.
Beim Schweißen von konventionellen Aluminiumwerkstoffen hat sich das Metallschutzgasschweißen (MSG-Schweißen) mit Massivdrahtelektrode industriell sehr gut bewährt, so daß es heute in der Großserie eingesetzt wird. Die Gruppe der höherfesten Aluminiumlegierungen bereiten dabei jedoch Probleme, da die Schweißzusatzstoffe schwierig zu handhaben sind. Bei der Verwendung von Massivdrähten aus höherfesten Werkstoffen kann nur mit Stabelektroden gearbeitet werden. In konventionellen MSG-Anlagen ist eine Verarbeitung von höherfesten Aluminiumlegierungen nicht möglich, da sich der massive Schweißdraht auf Grund seiner Festigkeitseigenschaften und den daraus resultierenden Umformeigenschaften nicht mehr über Drahtrollen dem MSG-Prozeß zugeführt werden kann.
Eine Alternative zu den verwendeten Massivdrahtelektroden stellt der Einsatz von Fülldrahtelektroden dar. Bei dieser Art von Schweißelektrode handelt es sich um ein Füllrohr, das mit dem entsprechenden Legierungspulver versehen wird. Für die Verarbeitung von höherfesten Aluminiumlegierungen ergeben sich hier wesentliche Vorteile. Für das Füllrohr kann eine auf den Grundwerkstoff abgestimmte weiche Legierung verwendet werden, und das Legierungspulver kann die für die hohe Festigkeit verantwortlichen Legierungselemente aufnehmen. Dabei findet der metallurgische Prozeß, also die Erzeugung der Legierung, erst während des Schweißens statt. Dabei muß berücksichtigt werden, daß in einer relativ kurzen Zeit eine homogene Verteilung der Legierungsbestandteile erreicht werden muß.
Über das MSG-Schweißen von Aluminiumlegierungen mit Fülldrahtelektroden liegen bisher keine Erfahrungen bzw. keine gesicherten Erkenntnisse vor. Jedoch haben sich die bislang diesbezüglich durchgeführten Entwicklungsarbeiten zum Thema Aluminium-Verbindungsschweißen meist an der Weiterentwicklung der Verfahrenstechnik, der Lösung von technologisch bedingten Fehlerquellen sowie an der Ausarbeitung von industriellen Einsatzmöglichkeiten orientiert. Dabei handelt es sich ausschließlich um Untersuchungen mit Massivdrahtelektroden.
Aluminium und Aluminiumlegierungen bilden heutzutage die zweitwichtigste Werkstoffgruppe nach den Stahlerzeugnissen. Zu den Einsatzgebieten gehören die Automobil- und Luftfahrtindustrie sowie die Lebensmittelindustrie. Neue Impulse kommen vor allem aus der Fahrzeugindustrie, die durch die Forderung nach Kraftstoffeinsparung und verbesserten Nutzlastanteilen wieder verstärkt Anstrengungen in Richtung Leichtbau unternimmt. Zur Realisierung dieser Forderungen kommt in den meisten Fällen der Werkstoff Aluminium bzw. dessen Legierungen zum Einsatz. Insbesondere drei Eigenschaften verdankt das Aluminium seine heutige Stellung unter den metallischen Werkstoffen:

– Das günstige Verhältnis von Festigkeit zu Dichte. (Die Dichte der Aluminiumwerkstoffe beträgt nur 30 bis 33% der Dichte von Stahl. Durch die Bildung von Legierungssystemen sowie durch Kaltverfestigung und die Aushärtbarkeit einzelner Legierungen lassen sich Festigkeitswerte erreichen, die mit denen des Stahls vergleichbar sind bzw. diese zum Teil noch übertreffen.)
– Die hervorragende Witterungs- und Korrosionsbeständigkeit.
– Die hohe Wärme- und elektrische Leitfähigkeit.

Weitere kennzeichnende Eigenschaften von Aluminiumwerkstoffen sind:

– magnetische Neutralität
– keine Versprödung bei tiefen Temperaturen
– gute Formgebungsmöglichkeit
– gute mechanische Bearbeitbarkeit
– gesundheitliche Unbedenklichkeit
– Geruchs-, Geschmacks- und Farbneutralität.

Derzeit richten sich intensive Forschungsanstrengungen auf innovative Veränderungen bestehender Aluminium-Konstruktionswerkstoffe vor allem hinsichtlich Festigkeit und auch Beständigkeit gegen Korrosion und Verschleiß.
Die Hauptziele liegen dabei in der Verbesserung der Festigkeitskennwerte mit Hilfe der Legierungstechnik und temperaturgeführter Herstellungsprozesse. Die neu entwickelten hochfesten Aluminiumlegierungen weisen zum Beispiel ausreichende spezifische Eigenschaften (Festigkeit, E-Modul, Verformbarkeit) bei einer sehr geringen Dichte auf.
Die modernen Aluminiumlegierungen lassen sich in zwei Gruppen einteilen:

– nicht aushärtbare Knetlegierungen
– aushärtbare Knetlegierungen

Zu der ersten Gruppe gehören die naturharten Legierungssysteme AlMn, AlMnMg der 3000 Serie und die Systeme AlMg, AlMgMn der 5000 Serie. Diese Aluminiumwerkstoffe sind naturhart und durch eine Wärmebehandlung nicht aushärtbar. Eine Steigerung der Festigkeit bei diesen beiden Serien kann durch eine Erhöhung der Legierungsanteile und/oder Erhöhung des Umformgrades der Knetwerkstoffe erfolgen.
Zur Gruppe der aushärtbaren Knetlegierungen gehören die mittelfesten Systeme AlMgSi der 6000 Serie, die Systeme AlCuSiMn und AlCuLiMn der 2000 Serie und die hochfesten Legierungen mit den Systemen AlZnMn und AlCuLiMg der 7000 Serie. Als weitere Gruppe ist das System AlLi der 8000 Serie zu nennen. Speziell für die Aluminiumlegierungen der 7000 Serie weisen im Vergleich zu den anderen Gruppen die höchsten Festigkeitswerden auf (Tabelle 1).
Tab. 1 Mechanische Kennwerte verschiedener Aluminiumlegierungen [DIN EN 485-2]
Verantwortlich für die hohen Festigkeiten dieser Legierungen sind die sich während einer Wärmebehandlung bildenden intermetallischen Phasen. Im Fall der höherfesten 7000 Serie sind für die Bildung der Phasen die Legierungselemente Zink (Zn), Magnesium (Mg) und Kupfer (Cu) zuständig.
Im Fall der höherfesten 7000 Serien sind die intermetallischen Phasen MgZn₂ und Al₂CuMg für die Festigkeitssteigerung verantwortlich. Diese Phasen entstehen sowohl durch Kalt- als auch Warmauslagerung. Neben den hervorragenden Festigkeitseigenschaften der Aluminiumlegierungen werden diese Werkstoffe vor allem wegen den Korrosionseigenschaften eingesetzt. Das Korrosionsverhalten von Aluminiumwerkstoffen kann durch äußere Bedingungen, durch Legierungsbestandteile aber auch durch die thermische sowie mechanische Vorgeschichte stark beeinflußt werden. Im Fall der zinkhaltigen Aluminiumlegierungen der 7000 Serie ist es die MgZn₂ Phase, die im Gegensatz zur Aluminiummatrix ein anodisches Verhalten aufweist.
Tritt eine kombinierte Belastung aus korrosiven Medium und mechanischer Zugbeanspruchung auf, kann dies bei höherfesten Legierungen (7000 Serie) zu interkristalliner Spannungsrißkorrosion führen. Die Ursachen für das Auftreten dieser Korrosionsform ist die Versprödung der Korngrenze durch eindiffundierenden atomaren Wasserstoff, der durch Korrosionsreaktionen gebildet wird und unter den Einfluß von mechanischer Zugspannung an die Korngrenzen der Kristallite wandert. Im Vergleich zu den anderen spannungsrißempfindlichen Metallen üben bei den Aluminiumlegierungen die Zusammensetzung und der Aushärtungszustand größeren Einfluß auf das mögliche Auftreten aus als das einwirkende Korrosionsmedium. Das bedeutet, daß eine Beständigkeit gegenüber interkristalliner Spannungsrißkorrosion nur durch Legierungs- und metallurgische Maßnahmen erreicht werden kann.
In den letzten Jahren wurden speziell im Bereich des Schienenfahrzeugbaus eine Reihe von Schweißverfahren zum Fügen von Aluminiumwerkstoffen eingeführt:

– Elektronenstrahlschweißen unter Atmosphäre
– Friction Stir Welding
– Laserstrahlschweißen
– Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen
– MIG-Zweidrahttechnik

Neben der Entwicklung von zusatzwerkstofffreien Verfahren wie das Elektronen- und Laserstrahlschweißen oder das Friction Stir Welding wird auch das klassische MIG-Schweißen weiterentwickelt. So entstand das Hybridschweißen, eine Kombination aus MIG- und Laserschweißen oder die MIG-Zweidrahttechnik bei der zwei Drahtelektroden gleichzeitig separat gesteuert werden können.
Im Vergleich zur Gerätetechnik stagniert die Entwicklung von Schweißzusatzwerkstoffen. Für die hochfesten Legierungen der 7000 Serie lassen sich nur für vereinzelte Legierungen wie zum Beispiel für AlZn4,5Mg1 passende Zusatzwerkstoffe finden. Da aber immer wieder neue hochfeste Aluminiumlegierungen kreiert werden, ist zwangsläufig ein großer Bedarf auf dem Gebiet der Fülldraht-Zusatzwerkstoffe angezeigt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Fülldrahtelektrode zum Verbindungsschweißen von Bauteilen aus hochfesten Aluminiumlegierungen mit verbesserten Nahteigenschaften hinsichtlich Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Fülldrahtelektrode zum Verbindungsschweißen von Bauteilen aus hochfesten Aluminiumlegierungen mit einem rohrförmigen Mantel, in den ein oder mehrere Komponenten in Pulverform eingebracht sind, die durch externe Erhitzung des gefüllten Mantels zur eigentlichen Legierung aufschmelzbar sind, wobei der Mantel aus einer Aluminiumlegierung, vorzugsweise einer Al-Mg-Mn-Legierung, besteht und eine Füllung aus wasser- oder gasverdüsten Schmelzen mit einer Korngröße < 0,2 mm der nachfolgenden Komponenten in Gewichtsprozent bezogen auf die Gesamtmasse
enthält.
Die Fülldrahtelektroden sind vorzugsweise als Flachband- oder Runddrahtelektroden bei MSG-Schweißverfahren mit Gleich- oder Wechselstromquellen einsetzbar.
Die Entwicklung der Legierungszusammensetzung der Fülldrahtelektrode erfolgte angepaßt an die Eigenschaften des Grundwerkstoffes unter besonderer Berücksichtigung der Schweißbarkeit und der Festigkeitseigenschaften der Fülldraht-Grundwerkstoffkombination. Als Füllbandwerkstoffe kommen vorzugsweise AlMg4,5Mn0,7; AlMg4,5Mn0,4; AlMg4 oder AlMg3Mn zum Einsatz.
Für das Füllgut gilt es, geeignete Mischungsverhältnisse mit den festigkeitssteigernden Elementen Kupfer und Zink einzusetzen, damit mit dem Grundwerkstoff vergleichbare Eigenschaften erreicht werden. Weiterhin wird Candium als Feinkornbildner eingesetzt.
Die Entwicklung der Fülldrahtelektroden und die damit verbundene Optimierung des MSG-Schweißverfahrens für höherfeste Aluminiumlegierungen erfolgt im Hinblick auf die immer höheren Festigkeitsanforderungen von Leichtmetallkonstruktionen im Automobilbau sowie Luft- und Raumfahrtindustrie.
Die Herstellung der in der chemischen Zusammensetzung genau abgestimmten Fülldrahtlegierungen führt unvermeidlich zu erhöhten Kosten. Demgegenüber steht die Möglichkeit, Fülldrahtelektroden in jeder gewünschten Abmessung (Drahtdurchmesser) herzustellen. Somit können im Gegensatz zu Massivdrahtelektroden auf Kundenwunsch auch kleinste Mengen zum Beispiel für Versuchszwecke zur Verfügung gestellt werden.
Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden.
Beschrieben wird der Aufbau einer Fülldrahtelektrode zum Verbindungsschweißen von Bauteilen aus hochfesten Aluminiumlegierungen.
Zur Fülldrahtherstellung werden zwei grundsätzlich unterschiedliche Methoden eingesetzt: Die eine Methode sieht ein geschlossenes Rohr vor, welches über ein Trichtersystem von oben her befüllt, anschließend ausgewalzt und auf den Fertigdurchmesser gezogen wird. Bei der anderen Methode wird in ein trogförmig vorgeformtes Schmalband das Füllpulver genau dosiert über ein Förderband eingefüllt, über Formwalzen geschlossen, gegebenenfalls nahtverschweißt und anschließend auf Fertigdurchmesser gezogen.
Das Gemisch enthält als Komponenten wasserverdüste Schmelzen in einer Korngröße < 0,2 mm. Die Komponenten werden in Pulverform gemischt, wobei die Anteile in Gewichtsprozent
betragen.
Nach dem Befüllen des trogförmig vorgeformten Schmalbandes mit dem Pulvergemisch wird dieses gefalzt.
Dabei werden Bänder aus Aluminiumlegierungen der Abmessungen 8 × 0,2 bis 0,5 mm eingesetzt.
Der so erhaltene Fülldraht wird dann in einem Walzgerüst auf einen Durchmesser von 1,0 mm bis 2,4 mm reduziert. Dabei wird gleichzeitig das im Inneren befindliche Pulver verdichtet.
Als Schweißverfahren können neben dem MSG-Schweißverfahren mit Gleich- oder Wechselstromquelle das Plasmastrahlschweißen, das Plasma-MIG-, Elektronenstrahl- und Laserstrahlschweißen sowie das Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen bzw. die MIG-Zweidrahttechnik zum Einsatz kommen. Es können Überlapp-, Stumpf- und Kehlnähte unter Berücksichtigung von Randbedingungen wie zum Beispiel Oxidgleichgewichte, Abkühlbedingungen und obere Grenze für die Spaltbreite ausgeführt werden.

Claims

Fülldrahtelektrode zum Verbindungsschweißen von Bauteilen aus hochfesten Aluminiumlegierungen mit einem rohrförmigen Mantel, in den ein oder mehrere Komponenten in Pulverform eingebracht sind, die durch externe Erhitzung des gefüllten Mantels zur eigentlichen Legierung aufschmelzbar sind, wobei der Mantel aus einer Aluminiumlegierung, vorzugsweise einer Al-Mg-Mn-Legierung, besteht und eine Füllung aus wasser- oder gasverdüsten Schmelzen mit einer Korngröße < 0,2 mm der nachfolgenden Komponenten in Gewichtsprozent bezogen auf die Gesamtmasse
enthält.
Fülldrahtelektrode zum Verbindungsschweißen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese als Flachband- oder als Runddrahtelektrode vorzugsweise beim MSG-Schweißverfahren mit Gleich- oder Wechselstromquelle einsetzbar ist.