DE1938948A1

DE1938948A1 - Cold welding process for metals

Info

Publication number: DE1938948A1
Application number: DE19691938948
Authority: DE
Inventors: Eugen Dr Duerrwaechter; Wilhelm Dipl-Phys Merl
Original assignee: EUGEN DUERRWAECHTER FA DR
Current assignee: EUGEN DUERRWAECHTER FA DR
Priority date: 1969-07-31
Filing date: 1969-07-31
Publication date: 1971-02-25
Also published as: DE1938948B2

Abstract

The surfaces to be welded are cleaned by sputtering and pressed together before final cold welding. The pieces to be welded are kept in a vacuum of less than 10-5 mm Hg. residual stress from the beginning of the cleaning process to completion of welding. Specif. the cleaning is effected by cathodic sputtering etc. The process is particularly used to produce bimetal contact rivets.

Description

"Verfahren zum Kaltschweißen von Metallen" Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kaltschweißen von Metallen. "Process for Cold Welding of Metals" The invention relates to a method of cold welding metals.

Es ist bekannt, daß die Oberflächen von Metallen, die miteinander durch bloßes Aneinanderpressen verbunden werden sollen (taltschweißen), sehr sauber sein müssen. Es ist weiter bekannt, frische Schnittflächen von Metallen als Schweißflächen zu verwenden (Deutsche Patentschrift 1 096 725). Zwischen der Erzeugung der frischen Schnittfläche und der Herstellung der Kaltschweißverbindung vergeht aber, auch bei automatisch arbeitenden Verfahren (Deutsche Patentschrift 1 096 725) so viel Zeit, daß sich inzwischen eine neue Gasadsorptionsschicht auf den frischen Schnittflächen bildet, die den Kaltschweißvorgang hindern würde, wenn man sie nicht während des Kaltverschweißens durch Aufreißen zerstören würde, so daß sich neue atomar reine Metallflächen berühren. Zur Zerstörung dieser sich auf den frischen Schnittflächen durch Physisorption bildenden Schichten muß man eine Verformung der Metallteile in Kauf nehmen, Die Größe der Verformung hängt von der Härte des Werkstoffs ab.It is known that the surfaces of metals that interact with each other are to be connected by simply pressing them together (dip welding), very clean must be. It is also known to use fresh cut surfaces of metals as welding surfaces to be used (German Patent 1 096 725). Between the generation of the fresh Cut surface and the production of the cold welded connection passes, even with automatically working method (German patent specification 1 096 725) so much time, that meanwhile there is a new gas adsorption layer on the fresh cut surfaces that would prevent the cold welding process if not used during the Cold welding would destroy by tearing open, so that new ones are atomically pure Metal surfaces touch. In order to destroy this, on the fresh cut surfaces by physisorption forming layers one must accept a deformation of the metal parts, The The size of the deformation depends on the hardness of the material.

Bei Pliuminium genügt saum Beispiel eine Fläche;ivergrößerung auf das Doppelte der Schwerfläche, bei Silber und Kupfer, den zur gerstellung von Bimetallkontakten am meisten verwendeten Met;all, eine Vergrößerung auf das Dreifache, Stahl erfordert sogar eine Vergrößerung auf das 8 bis 10-fache Bei dem Verfahren zur automatischen Herstellung von Bimetallkontaktnieten nach der oben erwähnten deutschen Patentschrift nutzt man die Verformung zur Bildung des Nietkopfes aus. Wegen der erwähnten Nindestverformung kann man aber nicht Nieten mit jedem beliebigen Verhältnis Schaft-Kopf-durchmesser herstellen.With Pliuminium, for example, one area is sufficient twice the heavy area, for silver and copper, for making bimetal contacts most used mead; all, magnification three times, requires steel even an enlargement of 8 to 10 times in the case of the automatic method Manufacture of bimetal contact rivets according to the German patent mentioned above the deformation is used to form the rivet head. Because of the minimum deformation mentioned But you cannot rivets with any arbitrary shaft-to-head diameter ratio produce.

Bei anderen Teilen ist eine Verformung überhaupt unerwünscht.Deformation is undesirable at all for other parts.

Man hat schon versucht, den Verformungsgrad herabzumindern, indem man mindestens eine der Schweißflächen in Ton - oder Ultraschallfrequenz schwingen ließ (deutsche Patentschriften 1 090 934, 122 494) oder zwischen harte Metalle eine Folie aus weichem Metall einlegte (deutsche Patentschrift 966 193. Es entstehen an der Schweißfläche dabei aber immer noch erhebliche Wülste. Es ist auch bekannt (deutsche Patentschrift 887 438) den Raum, der später den Wulst aufnimmt, zunächst auszusparen.Attempts have already been made to reduce the degree of deformation by vibrate at least one of the welding surfaces in sound or ultrasound frequency let (German patents 1 090 934, 122 494) or between hard metals a Inlaid foil made of soft metal (German patent specification 966 193. It emerges however, there are still considerable bulges on the welding surface. It is also known (German patent specification 887 438) the space that will later receive the bead, initially to leave out.

Bei diesem Verfahren wird aber immer der Partner mit der Aussparung weniger verformt. Seine Fremdschichten decken die Oberfläche ab und die Bindungskräfte sinken erheblich.With this procedure, however, the partner is always with the Recess less deformed. Its foreign layers cover the surface and the binding forces decrease considerably.

Schließlich hat man auch schon versucht, sowohl die Herstellung frischerSchnittflächen, wie auch die Verformung durch Reibschweißen zu vermeiden (deutsche Patentschrift 1 191 665).After all, attempts have already been made to produce fresh cut surfaces, as well as avoiding deformation due to friction welding (German patent specification 1 191 665).

Dieses Verfahren hat aber den Nachteil, daß es nur für wenige Teile-anwendbar ist und bei einer Verschweißung durch relative Rotation der Teile die Fläche um die Drehachse herum weitgehend unverschweißt läßt.However, this method has the disadvantage that it can only be used for a few parts and in the case of welding by relative rotation of the parts, the area is reversed leaves the axis of rotation around largely unwelded.

Eine gleichfalls bekannte Verbindung von Reibschweißen und Preßschweißen (deutsche Patentschrift 1 234 431) erfordert wiederum eine Verformung.An equally well-known combination of friction welding and pressure welding (German patent specification 1 234 431) again requires deformation.

Sowohl Preßechweißen wie Reibschweißen zielen dahin, die auf neuentstanenen oder gereinigten etalloberflächen durch Physisorption entstandenen, deckenden Gashaute zu zerstören. Eine starke Verformung der Rohteile bzw. die Reibung sind demnach keine notwendigen Bedingungen für ein Kaltschweißen, sondern nur Yjittel, mit denen ein Kontakt zwischen atomar reinen Metalloberflächen erreicht wird. Prinzipiell kann Xaltschweißen auch ohne makroskopische Verformung und Reibung auftreten, wenn neuentstandene oder sorgfältig gereinigte Metalloberflächen in einer Zeitspanne gegeneinander gedrückt werden, die klein ist gegen die Entstehungszeit einer monomolekularen Gashaut.Both pressure welding and friction welding aim at the newly developed or cleaned metal surfaces caused by physisorption, covering gas layers to destroy. A strong deformation of the raw parts or the friction are accordingly no necessary conditions for cold welding, just yjittel with which contact between atomically pure metal surfaces is achieved. In principle Old welding can also occur without macroscopic deformation and friction, if newly created or carefully cleaned metal surfaces in be pressed against each other for a period of time that is small compared to the time of origin a monomolecular gas skin.

Aus theoretischen Überlegungen ergibt sich, daß die Bedeckungszeit für eine Metalloberfläche mit einer adsorbierten Gasschicht in Luft unter Normalbedingungen in der Größenordnung von 10 8 Sekunden liegt. Diese Zeit ist extrem kurz im Vergleich zu den Taktzeiten von 0,1 bis 1 Sekunde der bekannten Automaten zur Herstellung von beispielsweise Bimetallkontaktnieten (deutsche Patentschrift 1 105 256). Auch eine Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit solcher Maschinen auf das Hundertfache würde demnach, wenn es überhaupt möglich wäre, keinen Gewinn bringen.- Dagegen kann, wie Versuche gezeigt haben, die Bedeckungszeit auf die Größenordnung von 1 Sekunde erhöht werden, wenn die Drahtabschnitte in einem Vakuum von 10 8 Torr abgeschert werden. Bei noch niederen Drücken findet ein Kaltschweißen frischer Oberflächen ohne merkliche Verformung der Teile und ohne Anwendung höherer Kräfte bei Teilen mit einer Relativgeschwindigkeit gegeneinander statt, wie Erfahrungen an Gleit- und Abhebekontakten im Weltraum und-die von den Astronauten auf der Mondoberfläche vorgefundenen kaltverschweißten Staubkörner gezeigt haben.From theoretical considerations it follows that the covering time for a metal surface with an adsorbed gas layer in air under normal conditions is on the order of 10 8 seconds. This time is extremely short in comparison at the cycle times of 0.1 to 1 second of the known machines for production of, for example, bimetal contact rivets (German Patent 1 105 256). Even an increase in the speed of operation of such machines to a hundredfold would therefore, if it were at all possible, bring no profit. As tests have shown, the coverage time is on the order of 1 second increased when the wire sections are sheared in a vacuum of 10 8 Torr will. At even lower pressures, cold welding finds fresh surfaces without noticeable deformation of the parts and without applying higher forces to parts take place against each other at a relative speed, as is the case with experience of gliding and lift-off contacts in space and those of the astronauts on the lunar surface found cold-welded dust grains.

Versuche haben ergeben, daß die Festigkeit der Schweißverbindungen schon bei Drücken unter 10 5 Torr erheblich zunimmt.Tests have shown that the strength of the welded joints increases significantly even at pressures below 10 5 Torr.

Bei einem Druck von 10 6 Torr genügt für Silber-schon eine Oberflächenzunahme auf das 1,3-fach&, um eine technisch verwertbare metallische Bindung zu erzielen. Unterhalb 10 9 Torr ist es nicht mehr nötig, die Rohteile sichtbar zu verformen; an frischen Metalloberflächen genügen'dann schon Anpreßkräfte in der Größenordnung von Kilopond, um ein Kaltschweißen herbeizuführen. Anscheinend fließt das Material nur in die Mikrospitzen der Oberflächen und unmittelbar benachbarten mikroskopischen Bereichen.At a pressure of 10 6 Torr, an increase in surface area is sufficient for silver 1.3-fold & in order to achieve a technically usable metallic bond. Below 10 9 Torr it is no longer necessary to visibly deform the blanks; On fresh metal surfaces, contact forces of the order of magnitude are sufficient of Kilopond to bring about a cold weld. Apparently the material is flowing only in the microscopic tips of the surfaces and immediately adjacent microscopic ones Areas.

Bei Drücken oberhalb 3.10 5 Torr ist bis zu Normalbedingungen hinauf dagegen kein wesentlicher Einfluß des Luftdruckes nachzuweisen. Man muß in diesem Druckbereich die oben erwähnte Oberflächen-Vergrößerung erreichen, um eine praktisch brauchbare Verbindung zu erhalten.At pressures above 3.10 5 Torr is up to normal conditions on the other hand, no significant influence of the air pressure can be demonstrated. You have to be in this Printing area can achieve the above-mentioned surface enlargement to a practical to get usable connection.

Fur die Qualität der Kalt schweißung ist nun aber neben dem absoluten Wert des Luftdruckes auch der Partialdruck von Öldämpfen entscheidend. So kann z.B. selbst bei 10-6 Torr die Verschweißung ungenügend sein, wenn das Restgas einen zu hohen Anteil an Öldämpfen enthält.- Quelle besonderer Schwierigkeften bei der Durchführung des Verfahrens der Erfindung ist deshalb das Öl der Öldiffusionspumpen und die Schmiermittel der Schneid- und Prägewerkzeuge. Zur Erzeugung des Hochvakuums verwendet man deshalb zweckmäßig.Nolekular- oder Ionengetterpumpen. Werden Öldiffusionspumpen eingesetzt, muß das Treibmittel in ausreichend dimensionierten Kühlfallen vollständig kondensiert werden. Zur Schmierung von Werkzeugen sollen nur entgaste Hochvakuumfette mit niedersten Flüchtigkeitsraten (Apiezondett H oder Lithelen) verwendet werden, wobei zusätzlich darauf zu achten ist, daß die freie Oberfläche der Fette so klein wie möglich bleibt.For the quality of the cold weld, however, is now next to the absolute The value of the air pressure, the partial pressure of oil vapors is also decisive. E.g. even at 10-6 Torr the weld will be inadequate if the residual gas is too Contains a high proportion of oil vapors - Source of particular difficulties in carrying out the process of the method of the invention is therefore the oil of the oil diffusion pumps and the lubricants the cutting and embossing tools. To generate the High vacuum used It is therefore advisable to use molecular or ion getter pumps. Are oil diffusion pumps used, the propellant must be completely in adequately dimensioned cold traps be condensed. Only degassed high vacuum greases should be used to lubricate tools with the lowest volatility rates (Apiezondett H or Lithelen) are used, Care should also be taken that the free surface of the fats is so small remains as possible.

Eine weitere Schwierigkeit liegt in den Werkzeugen, die die frischen Schnittflächen herstellen. Im Vakuum verbinden sich diese mit den Werkstücken durch Kaltschweißen. Die Schneidwerkzeuge müssen daher aus Hartmetallen mit über 95% Earbidanteilen bestehen.Another difficulty lies in the tools that the fresh Create cut surfaces. These bond with the workpieces in a vacuum Cold welding. The cutting tools must therefore be made of hard metals with over 95% earbids exist.

Man kann aber das Schneiden ganz vermeiden und in dem erf indungsgemäß sowiesovorhandenen Vakuum die Frendschichten auf den Werkstückoberflächen durch elektrische Entladungen abtragen, z.B. bei Drücken um 10-5 Torr durch Kathodenzerstäubung in Hochfrequenzentladungen oder unterhalb 10 6 Torr durch Hochvakuumbögen. Bei diesen elektrischen Reinigungen ist aber eine stärkere Verformung notwendig als bei mechanischer.But you can avoid cutting entirely and in that according to the invention Any vacuum that is present in any case causes the end layers on the workpiece surfaces Remove electrical discharges, e.g. at pressures around 10-5 Torr by cathode sputtering in high frequency discharges or below 10 6 Torr through high vacuum arcs. With these electrical cleaning, however, requires greater deformation than mechanical cleaning.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e:

Process for the production of cold welded joints, in particular for the automatic production of bimetal contact rivets, in which the welding surfaces the partner cleaned by removing the surface and immediately afterwards are pressed together for cold welding, characterized in that the Partner from the beginning of the cleaning to the completion of the weld in one Vacuum of less than 10-5 Torr residual pressure.

2. The method according to claim 1, characterized in that the cleaning by cathode sputtering or by vacuum arcs.

3. The method according to claim 1, characterized in that the cleaning takes place by producing cut surfaces with hard metal tools, whose W'erkstöff has more than 95% carbide content.

4. The method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the partial pressure of fat vapors, regardless of the residual pressure, is less than 10-7 Torr is.