DE19917132A1 - Verfahren zur Herstellung fester Verbindungen zwischen zellularem und kompaktem Metall - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung einer festen Verbindung zwischen einem Werkstück aus zellularem und einem Werkstück aus kompaktem Metall, wobei beide Werkstücke in Kraftschluß zueinander angeordnet werden, eine Sonotrode gegenüber einer Stelle des Kraftschlusses aufgedrückt wird und Ultraschallschweißung durchgeführt wird. Es wird vorgeschlagen, daß dabei bevorzugt die Kontaktfläche wenigstens doppelt so groß ist wie die Sonotrodenfläche und der Sonotrodenanpreßdruck gering gewählt wird. Eine Zerstörung der zellularen Struktur ist bei diesem Verfahren nicht zu befürchten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel­ lung einer Verbindung zwischen kompaktem und zellularem Me­ tall.

Zellulare Metalle sind bekannt. Verwiesen wird hierzu bei­ spielsweise auf den Aufsatz von M. Hartmann und S. Kola et al. "Herstellung und Eigenschaften von syntaktischen Magnesium­ schäumen" Symposium 9, Neue Werkstoffkonzepte, Werkstoffwoche, DGM-Verlag 1996. Weiter sei verwiesen auf die Dissertation von M. Weber an der TU Claustal "Herstellung von Metallschäumen und Beschreibung der Werkstoffeigenschaften", 1995.

Bei der Herstellung von Metallschäumen beispielsweise unter Zuhilfenahme von Titanhydrid als Treibmittel entstehen Metall­ schäume, die dünnwandige Oberflächenschichten aus kompaktem Material, mit einer Dicke von maximal einigen wenigen zehntel Millimetern aufweisen. Diese umgeben aufgeschäumtes Metall, welches wie grobporiger Schaumstoff aus einer Vielzahl mitein­ ander verbundener Zellen besteht, deren Wände aus dem Metall gebildet sind, während die Zwischenräume frei bleiben.

Um diese durch die zellulare Struktur sehr leichten Werkstoffe sinnvoll einzusetzen, ist es erforderlich, sie mit kompakten Materialien, insbesondere kompakten Metallen zu verbinden. Ei­ nerseits ist es bevorzugt, die Biegesteifigkeit von Werkstüc­ ken aus zellularem Metall durch Aufbringen von Deckschichten aus kompakten Blechen zu erhöhen, welche Biegemomente und die damit verbundenen hohen Zug- und Druckspannungen aufnehmen können. Zudem ist es im Regelfall erforderlich, die Werkstücke aus zellularem Material mit Konstruktionselementen aus kompak­ tem Material zu verbinden. Hierbei ist es bekannt, Deckbleche auf das zellulare Metall aufzubringen und dann die Verbindung zu den Konstruktionselementen aus kompaktem Material über die kompakten Deckbleche herzustellen.

Es gibt derzeit mehrere Verfahren, die kompakten Bleche auf die zellularen Werkstoffe aufzubringen. Ein erstes Verfahren ist das Diffusionsschweißen. Dabei wird das zellulare Werk­ stück und gegebenenfalls das kompakte Metallblech zunächst so­ lange oberflächenbearbeitet, bis sich eine Rauhtiefe vom maxi­ mal 3 µm ergibt. Nach der Fügeflächenreinigung können die Tei­ le zusammengefügt werden, wobei aber lange Fügezeiten erfor­ derlich sind, bis durch Diffusion der Atome über die Kontakt­ flächen hinweg die Verbindung gebildet ist. Ein nur punktuel­ les Aufbringen von Verbindungselementen ist dabei extrem schwierig. Das ganze Verfahren ist aufgrund der langen Ferti­ gungszeiten und der aufwendigen Vorbearbeitung teuer.

Ein weiteres Verfahren zur Aufbringung einer kompakten Deck­ schicht ist die Walzplattierung, welche beispielsweise be­ schrieben wird von H. V. Hagen und W. Bleck in "Herstellungs­ möglichkeiten und Prüfung eines Stahlblechsandwiches mit Alu­ miniumschaumkern" in Verbundstoffe und Werkstoffverbunde, her­ ausgegeben von K. Friedrich, DGM, 1997 sowie J. Baumeister et al. in "Sandwichkonstruktionen aus Stahlblech mit geschäumtem Aluminium" in Tagungsband Werkstoffwoche, Stuttgart, 1996. Bei diesem Verfahren wird eine metallische Verbindung zwischen Deckblech und zellularem Werkstoff durch Kalt- bzw. Warmwalz­ plattierung zwischen dem aufschäumbaren, pulvermetallurgisch hergestellten Ausgangsmaterial und dem kompakten Deckblech hergestellt. Es kann dann eine Umformung und Weiterverarbei­ tung vorgenommen werden, bevor der Werkstoffverbund auf eine Temperatur erhitzt wird, die oberhalb der Schmelztemperatur des Metallschaums liegt, sodaß das pulvermetallurgisch herge­ stellte aufschäumbare Ausgangsmaterial aufgeschäumt wird. Nachteilig ist, daß der Werkstoffverbund nur dann eigenspan­ nungsfrei vorliegt, wenn sich die thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten von zellularem Werkstoff und kompakten Deckmate­ rial nicht unterscheiden; weiter sind die geometrisch durch Umformen erzielbaren Gestaltungen begrenzt und es ist überdies nicht möglich, nur an ausgewählten Bereichen kompaktes Materi­ al aufzubringen. Durch das verfahrensbedingte Erfordernis, die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von zellularem Werkstoff und Deckschicht anzupassen, ist die Walzplattierung nur für ausgewählte Materialkombinationen verwendbar.

Es ist weiter bekannt, eine Verbindung zwischen kompakten und zellularen Werkstoffen durch Laserstrahlschweißen zu erzeugen, wobei punktuell die Werkstücke soweit mittels eines Laser­ strahls erwärmt werden, daß die Substanzen sich durch Auf­ schmelzen verbinden. Es muß ein Zusatzwerkstoff beigegeben werden, der ein vollständiges Schmelzen des großporigen Me­ tallschaums verhindert. Dennoch läßt sich nicht vermeiden, daß in großen Bereichen des zellularen Werkstoffs die Zellwände aufschmelzen und unter Zuführung des Zusatzwerkstoffes in eine kompakte Struktur übergehen. Das Laserstrahlschweißen erfor­ dert zudem eine aufwendige Nahtvorbereitung und fördert die Rißbildung und Aufhärtung, vgl. D. Böhme, F.-D. Hermann, "Handbuch der Schweißtechnik", Teil II, DVS-Verlag, 1992.

Bei der Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen zellularen Metallen untereinander und/oder zellularen Metallen mit kompakten Werkstoffen durch Löten ergeben sich, sofern dies überhaupt, wie bei Reinaluminium, möglich ist, ebenfalls Beeinträchtigungen der zellularen Struktur insbesondere durch Eindringen des Lotes in die Zellen; weiter sind bei unter­ schiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten Eigenspan­ nungen nicht zu vermeiden, die zu einem Verbundversagen führen können. Dies gilt selbst dann, wenn metallisch reine Oberflä­ chen, von denen evtl. vorhandene Oxidschichten entfernt wur­ den, vorgesehen werden.

Ein Verkleben der zellularen und kompakten Werkstoffe kommt ebenfalls nicht für alle Anwendungen in Betracht, da der Kleb­ stoff altert und nur für Werkstoffverbunde geeignet ist, die bei niedrigen Temperaturen verwendet werden. Weitere Nachteile ergeben sich durch die zumindest partielle thermische und/oder elektrische Isolation der Werkstücke durch die Klebeschicht, die Alterung des Klebstoffes, die Kriechneigung der Verbin­ dung, das Erfordernis der Fixierung während der Aushärtung und die toxischen Eigenschaften der typischerweise eingesetzten Klebstoffe.

Die vorliegende Erfindung zielt darauf, Neues für die gewerb­ liche Anwendung bereit zu stellen und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich ein Verfahren anzugeben, mit dem eine fe­ ste Verbindung zwischen Werkstücken aus zellularem und kompak­ tem Metall hergestellt werden kann, wobei das Verfahren preis­ günstig durchführbar ist, ohne im Verbund die zellulare Struk­ tur zu beeinträchtigen.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Verfahrensschritten des unabhängigen Anspruches er­ reicht. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung schlägt somit zu­ nächst grundlegend vor, beide Werkstücke, also jenes aus zel­ lularem und jenes aus kompaktem Metall in Kraftschluß mitein­ ander zu bringen, wobei eine Sonotrode an der Stelle des Kraftschlusses aufgedrückt wird und diesen gegebenenfalls be­ wirken kann. Es wird dann mit der Sonotrode eine Ultraschall­ schweißung durchgeführt. Mit der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, daß sich die Nachteile des Standes der Technik über­ winden lassen, indem Ultraschallschweißenergie der Werkstück­ kombination zugeführt wird, wobei die zellulare Struktur des Werkstoffverbundes ohne Aufschmelzen einen Werkstoffverbund zum kompakten Material eingeht. Der Mechanismus, der die Aus­ bildung der Verbindung ermöglicht, ist noch nicht vollständig verstanden. Es wird aber angenommen, daß die Ultraschall­ schweißung deshalb bei zellularem Metall besonders gut durch­ führbar ist, weil durch die Zellstrukturen die Ultraschall­ energie nur in geringem Maße von der Schweißstelle abgeführt werden kann, sodaß nur dicht nahe bei der Sonotrode genügend Energie für die Ausbildung der Verbindung bereitgestellt wird, während die Umgebung der Schweißstelle nicht beeinträchtigt und/oder beeinflußt ist.

In einer bevorzugten Ausbildungsform ist der Kraftschluß flä­ chig zwischen den Werkstücken gebildet. Auf diese Weise über­ trägt sich die Anpreßkraft auf einen größeren Bereich, während die Ultraschallschweißenergie auf einen kleinen Fleck bei der Sonotrode beschränkt bleibt. Dies verhindert eine durch die lokal eingebrachte Schweißenergie erfolgende unerwünschte Ver­ dichtung der zellularen Struktur, die somit auch an der Schweißfläche weitgehend erhalten bleibt.

Um einen besonders ausgeprägten flächigen Kraftschluß zwischen zellularem Metall und kompaktem Metall zu erreichen, wird in einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens eine rauhig­ keitsnivellierte Fläche vorgesehen, die durch die Rauhigkeits­ nivellierung eine gegenüber einer Schnittkante des zellularen Metalls verringerte Porigkeit besitzt, ohne deswegen zwingend im µm-Bereich feinbearbeitet sein zu müssen. Es ist vielmehr für diese bevorzugte Verfahrensform ausreichend und dement­ sprechend aus Kostengründen auch besonders vorteilhaft, die Gußhaut des zellularen Metalls als Rauhigkeitsnivellierung zu verwenden und/oder eine Folie aus Metall und/oder Kunststoff, insbesondere zum zellularem Metall hin metallisiert, auf das zellulare Metall aufzulegen, wobei die Folie gleichfalls zu der erfindungsgemäß besonders bevorzugten Kraftverteilung der Aufpressung beiträgt.

Es ist besonders erwünscht, wenn die Kontaktfläche zwischen den Werkstücken aus zellularem und kompakten Metall größer als die Sonotrodenfläche ist, bevorzugt wenigstens doppelt so groß und wenn diese Kontaktfläche die Sonotrodenaufpreßfläche bei der Schweißung zumindest im wesentlichen umgibt. Auf diese Weise wird der Anpreßdruck der Sonotrode besonders gleichmäßig und weit verteilt, was die zellulare Struktur schützt.

Alternativ kann auch eine andere Metallflächenausbildung ge­ wählt werden. Insbesondere kann eine Schweißwarzenstruktur vorgesehen werden, um nur lokal und dafür weit verringerte Energiebeträge in das zellulare Metall einzubringen.

Es ist weiter bevorzugt, wenn der Sonotrodenanpreßdruck, auch bei Verteilung auf eine große Kontaktfläche zur Schonung der zellularen Struktur unterhalb jener Werte gewählt wird, die zur Verbindung zweier kompakter Werkstücke durch Ultraschall­ schweißung typisch sind. Ein bevorzugter Anpreßdruck liegt da­ her unter 30 MPa, wobei es weiter bevorzugt ist, den Sonotro­ denanpreßdruck so gering wie etwa 10 MPa zu wählen, um auch bei besonders empfindlichen Metallschäumen eine sichere Ver­ bindung zu erzielen.

Die Ultraschall-Schweißfrequenz wird bevorzugt im Bereich zwi­ schen 15 bis 50 kHz liegen, insbesondere im Bereich um 20 kHz. Bei diesem Frequenzbereich ist für typische Metallschäume si­ chergestellt, daß die Schweißenergie über die Zellwände in das Material hinein eindringen ohne die zellulare Struktur hier­ durch zu zerstören.

Trotz des geringen Anpreßdruckes ist eine Schweißdauer unter­ halb von 3 Sekunden, bevorzugt um 1 Sekunde im Regelfall aus­ reichend. Die Ultraschallamplitude kann dabei bevorzugt nied­ rig gewählt werden, insbesondere kleiner als 40 µm, wobei eine Ultraschallamplitude von 20 µm bevorzugt und ausreichend ist.

Während die Durchführung von Punktschweißungen möglich ist, wird die Ultraschallschweißung bevorzugt als Torsionsschwei­ ßung ausgeführt, weil sich dies als besonders schonend für die zellulare Struktur erwiesen hat.

Die Erfindung wird im folgenden nur beispielsweise anhand ei­ nes bevorzugten Ausführungsbeispieles beschrieben.

Ein Werkstück aus zellularem Metall wird in die gewünschte Form gebracht, beispielsweise durch Aufschäumen eines auf­ schäumbaren Ausgangsmaterials in einer gewünschten geometri­ schen Form. Dabei wird das aufschäumbare Ausgangsmaterial eine Gußhaut ausbilden, die weniger porig als das Innere des so ge­ bildeten zellularen Werkstoffes ist.

Auf die Gußhaut wird flächig ein kompaktes Metall aufgelegt, beispielsweise eine Folie. Das zellulare Werkstück wird auf dem Amboß einer Ultraschallschweißvorrichtung angeordnet. Über der Auflegestelle, an welcher ein Kraftschluß zwischen zellu­ larem Metall und kompaktem Metall besteht, wird eine Sonotrode mit einem Druck von beispielsweise 10 MPa aufgesetzt.

Die mit einem Anpreßdruck von 10 MPa aufgesetzte Sonotrode wird für eine Sekunde zu einer Torsionsschwingung erregt, die einen derartigen Winkel überstreicht, daß sich am äußeren So­ notrodenumfang von zum Beispiel 15 mm eine Ultraschallschweiß­ amplitude von 20 µm ergibt.

Danach wird die Ultraschallschweißenergieerregung abgestellt und die Sonotrode vom Werkstück entfernt. Es hat sich ein fe­ ster Werkstoffverbund zwischen zellularem Metall und kompaktem Metall ergeben, ohne daß die zellulare Struktur des Metall­ schaums beeinträchtigt wurde.

Es ist einsichtig, daß neben Torsionsschweißungen auch andere Ultraschallschweißungen vorgenommen werden können, beispiels­ weise Punkt- oder Rollnahtschweißungen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der Sonotrodenanpreß­ druck über eine gegenüber der Sonotrodenfläche große Umgebung verteilt, während die Ultraschallschweißenergie dank der ge­ ringen Schwingungsweiterleitung im Schaum lokal in der zellu­ laren Struktur bei oder nahe der Sonotrode verbleibt. Auf die­ se Weise sind geringe Schweißenergiebeträge ausreichend und eine Zerstörung der zellularen Struktur muß nicht befürchtet werden, und zwar weder am Sonotrodenort noch durch Transport der Ultraschallenergie durch das kompakte Werkstück zu anderen Stellen des zellularen Werkstückes, da dorthin zwar der So­ notrodenanpreßdruck zu einem bestimmten Teil abgeleitet wird, aber durch die insgesamt niedrigen Sonotrodenaufpreßdrücke der Kraftübergang zwischen kompaktem und zellularem Werkstück nicht mehr ausreicht, um eine Verschweißung zu erzielen, sodaß der Verbindungsbereich auf eine gewünschte Stelle beschränkt bleibt.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung einer festen Verbindung zwischen einem Werkstück aus zellularem und einem Werkstück aus kom­ paktem Metall, dadurch gekennzeichnet, daß beide Werkstücke im Kraftschluß zueinander angeordnet werden, eine Sonotrode gegenüber einer Stelle des Kraftschlusses aufgedrückt wird und eine Ultraschallschweißung durchgeführt wird.

2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kraftschluß als flächiger Kraftschluß zwischen den Werkstücken erzeugt wird.

3. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Kraftschlußfläche des zellularen Metalls eine rauhigkeitsnivellierte Fläche vorgesehen wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Kraftschlußfläche des Werkstücks aus zellularem Metall dessen Gußhaut vorgesehen wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rauhigkeitsnivellierung der auf dem Werkstück aus zellularem Metall vorgesehenen Kraftschluß­ fläche eine Folie zwischen den Werkstücken angeordnet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftschlußfläche zwischen den Werkstücken aus zellularem und kompakten Metall größer als die Sonotrodenfläche ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftschlußfläche wenigstens dop­ pelt so groß ist wie die Sonotrodenfläche und die Sonotro­ denfläche bei der Schweißung zumindest im wesentlichen um­ gibt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sonotrodenanpreßdruck unter 70 MPa, bevorzugt unter 30 MPa, insbesondere bevorzugt um 10 MPa gewählt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallschweißfrequenz im Be­ reich 15 bis 50 kHz, insbesondere um 20 kHz gewählt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Schweißdauer von ca. 1 Sekunde geschweißt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallamplitude kleiner als 40 µm, insbesondere um 20 µm gewählt ist.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallschweißung als Torsions­ schweißung und/oder Rollnahtschweißung durchgeführt wird.