DE2012139A1 - Verfahren zum Reibungsschweißen von Aluminium mit Kupfer - Google Patents

Description

Anmelder:

Caterpillar Tractor Co._%
Feoria, 111.,. U3A

Hamburg, den 11. März 1970 79369 ρ 74-6

Iriorität: 21.. April 1969 FöA Öer. Έο. 817,888

Verfahren zum Reibungsschweißen von Aluminium mit Kupfer

Die .Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen von Reibungs- ■ schweißverfahren der allgemeinen Art, bei welcher zwei ?/erk-

stücke gegeneinander gedreht werden, während sie sich in Eeibungsberührung miteinander befinden, so daß Reibungswärme erzeugt wird, welche die Werkstücke auf eine geeignete Schweißtemperatur bringt, worauf die Relativdrehung" aufhört und sich eine Bindung zwischen den Werkstücken ausbildet. Die Erfindung betrifft insbesondere die Verbindung von Aluminiumwerkstücken mit Kupferwerkstücken durch Reibungsschweißen. Die Erfindung betrifft die Verfahrensschritte und -Bedingungen, die eingehalten werden müssen, um gute Schweißverbindungen zwischen Aluminium- und Kupferwerkstücken herzustellen·

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Die .är find imp kenn vorzugsweise i:n Re re ich ^ es -."'.riiT Reibim_txs3ch',veißverfahrc±n ausgeführt werden, das in der deutschen Patentschrift 1.224.590 unr¹ auch nachstehend heschrfeben ist«

Beim Tr^ cheitsschiveili verfahren "d r.-i die Energie, die erforderlich i'jt, um die gemeinsame Grenzfläche der Teile auf einen bindungsfähigen Zustand zu bringen, als kinetische Jtinergie in sich drehenden -rägneitsgewichtön gespeichert. Diese Gewichte haben --J !vernein die 'j-estalt von ..ic'riwun er ädern und sind mit einem der Teile verbanden. Die gesamte Energie, die zur herstellung der Bindung erforderlich ist, /;ird in den Gewichten eesr,eichert, bevor die Teile an der Grenzfläche in Berührung treten. Die ge/Jt: eicher te inergie wird in die Grenzfläche durch die Keibun serwärraun:j und die plastische Durcharbeitung abrepeben, die sich an der Grenzfläche entwickelt, während die Reibungsberührung die sich drehenden Gewichte verzögert und der Verbindungsvorgang beendet wird.

Ungleiche Metalle, wie Aluminium und Kupfer, sind außerordentlich schwierig zu verbinden, and zwar sowohl durch übliche Schweißverfahren, a.ls auch durch, das xeibungsschweißverfahren. V/ie zu er?/arten ist, ist Aluminium mit Kupfer durch Schweißen sehr schwierig zu verbinden, da diese zwei Metalle in bestimmten Eigenschaften unähnlich sind. Zu diesen Eigenschaften gehören die ziemlich hohen V/ärmeleitwerte

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beider L-etalle ujidauch der niedrige Schmelzpunkt des Aluminiums. Obwohl diese beiden Materialien «durch Reibungsschweißen verbunden vorden sind, ist es bekannt, daß mechanisch starke Schweißungen bislang 'zwischen Aluminium und Kupfer nicht durch Verwendung von Reibungsschwei£verfahren hergestellt worden sind.

Es hat sich herausgestellt, daß eine der Hauptschwierigkeiten, die zur Herstellung von mechanisch starken Reibungsschweißverbindungen zwischen Aluminium und Kupfer überwunden werden muß, d-is Vorhandensein von Oxiden an der Grenzfläche zwischen den Teilen ist. Das Vorhandensein dieser Oxide an der ochv.'eißg-reiizfla'che führt zu einem sprüden Bereich, durch den die Schweißverbindung: für viele industrielle Verwendungszwecke zu schwach wird. In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Oxide vor dein üchweißvorgang von den Grenzflächen entfernt. Insbesondere ist nach der Erfindung ein Verfahren zum Reibungsschweißen von Aluminium mit Kupfer vorgesehen, bei welchem Oxide von den Schweißflächen entweder durch ein mechanisches oder ein chemisches ; Verfahren vor dem eigentlichen Schweißvorgang entfernt werden. " . j

Ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung besteht darin, wahrend des Schv/eißvorganges die axiale Druckkraft in zwei bestimmten Stuf er. anzuwenden.-" ■

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Das erfindungsgemäl-e Verfahren zum Heib^n^;~3«chweißen eines Aluminiumwerl'Stückes mit einerc Kupferwerkstück ist dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Oxide vor. den üchv/eißflachen der Werkstücke entfernt werden und eine Relativdrehung der Werkstücke mit Geschwindigkeiten von etwa 7CC bis 3·3Οϋ Fuß/Min, am Umfang (etwa 215 bis 1.006 m/min, am Umfang) bewirkt wird, worauf die Werkstücke in Reibungsberührung an ihrer gemeinsamen Grenzfläche unter einem axialwirkenden Druck von etwa 12.000 bis 21.000 Pfund/Quadratζoll (etwa 844 bis 1.476 kg/cm ) gebracht und eine ijiergieumsetzung an der Grenzfläche in einem Bereich von etwu 2.500 bis 20.000 Fuß-Pfund/Quadratzoll (etwa 5.550 bis 42.800 kg-cm/cm'") bewirkt wird, eo daß die Wärme an der Grenzfläche konzentriert wird, bis eine Bindung hergestellt und die gesamte Eingangsenergie verbraucht ist.

Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Pescbreibung und der Zeichnung, in denen bevorzugte Ausfrhr'in^rrsformen der Erfindung beispielsweise erläutert und dargestellt sind.

Die Zeichnungsfigur zeigt eine oeitenar;sicht einer zur Ausführung des erfindrngsgemäßen Verfahrens zn verwendenden Reibun^sschvveißmaschine in vereinfachter Darstellung.

Die in Fig. 1 allgemein mit 11 bezeichnete, zur Ausführung des Verfalirens geeignete HeibungsscL^ei^x;?jSchine weiet

i, -1,

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SA ORfGfNAt

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einen Eahmen oder ein Gehäuse 12 auf, der bzw, das die verschiedenen Bestandteile der Maschine aufnimmt. Die ,zwei zu verschweißenden Teile, die Werkstücke WP-I und WP2, sind in Einspannvorrichtungen 14 und 16 angeordnet.

Die Einspannvorrichtung 16 dreht sich nicht und ist an einer Reitstockeinrichtung 18 angeordnet. Der Reitstock 18 ist auf dem Maschinenrahmen 12 mit Hilfe eines Druckzylinders axial beweglich. Ein nicht dargestellter Drucksteuerkreis regelt den Druck im Belastungszylinder und "bestimmt damit die Kraft, mit welcher die !'eile WP-T und WP-2 einander 'berühren.

Die Einspannvorrichtung 14- ist auf einer Welle 22 angeordnet, und die Einspannvorrichtung und die Welle sind drehbar innerhalb des Rahmens 12 angeordnet. Die drehbare Welle kann Schwungräder 24· aufnehmen, die verschiedene Größe und Masse haben, in Abhängigkeit von dem jeweiligen Einsatz der Maschine. -

Ein Elektromotor 26 dreht die Welle über eine hydrostatische Transmission, die allgemein mit dem Bezugszeichen 28 versehen ist. Die hydrostatische Transmission, enthält eine hydraulische Pumpe 30, einen hydraulischen Motor 32 und einen Verteiler 34- zwischen der Pumpe -und deal Motor«

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Das Antriebs verhältnis zwischen dem L'otor und der .Velle 22 kann dadurch verändert werden, daß entweder in der tumre "50 oder dem rotor 32 der ITockenwinkel verändert wird. Die lumj;e und der Lotor können benutzt werden, um v;irksam den l.ofcor von der .'.eile 22 zu trennen, indem der Hocken in der xumpe auf eine Stellung gebracht wird, in der die Pumpe 3C keinerlei Hydraulikflüssigkeit zum Lotor 32 verdrängt.

Die Sch.vungradaewichte 24 sind auf der .velle 22 so angeordnet, da die Schweißmaschine 13 als Trägheitsschweiümaschine arbeiten kann, v;ie im einzelnen in der deutschen -atentschrift Kr, 1.224.590 und auch noch nachfolgend beschrieben ist.

Eines der Hauptprobleme, die gelöst v/erden müssen, um Aluminium erfolgreich mit Kupfer zu verschweißen, so daß mechanisch starke Schweißverbindungen erzeugt werden, ist die VerLinderung von Oxiden an der Grenzfläche zwischen den Werkstücken. In einer Ausführun^sform der Erfindung werden diese Oxide entfernt und die Schweißflächen gesäubert, indem die Flächen chemisch geätzt werden. Für die Behandlung von Aluminiumwerkstücken hat sich eine Ätzung mit konzentrierter Flußcäure als besonders brauchbar erwiesen. Ausgezeichnete Schweißverbindungen zwischen Aluminium und Kupfer haben sich dann ergeben, ^eiin die Kupferwerkstücke mit konzentrierter Salpetersäure geätzt worden sind. In allen

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Fällen soll unmittelbar vor dem Schweißvorgang geätzt werden, um die Schweißflächen gründlich zu säubern und die Oxide von den Flächen zu entfernen.

In e'iner anderen Ausführungsform der Erfindung hat es sich als empfehlenswert erwiesen, die Oxide von den Schweißflächen : dadurch zu entfernen, daß mechanische Schleifmittel darauf j angewendet werden. Z.B. können die Flächen gefeilt oder mit einer Drahtbürste gereinigt werden. Bachdera dieses mechanische Verfahren zur Entfernung der Oxide von den Schweiß- ™ flächen ausgeführt worden ist, werden die Schweißflächen vorzugsweise mit einem Lösemittel gereinigt, das hauptsächlieh aus Alkohol besteht. Die Oxide können demnach entweder mechanisch oder chemisch entfernt werden. Nachdem die Oxide entfernt und die Schweißflächen gereinigt worden sind, kann mit dem eigentlichen Reibungsschweißen fortgefahren werden.

Ein EeibungsschweiBvorgang zur Verbindung eines Aluminium-Werkstückes mit einem Kupferwerkstück kann dadurch ausgeführt [ werden, daß die Maschine in der nachfolgend beschriebenen | allgemeinen weise betätigt und gesteuert wird. Eines der |

Werkstücke WF-1, das entweder das Aluminium- oder das I Kupferwerkstvck sein kann, wird in die drehbare Einspann- ι vorrichtung 14- fest eingeklemmt, die auf der Welle 22 sitzt. Das andere werkstück WP-2 wird in die nicht drehbare Einspannvorrichtung 16 eingeklemmt, die am Reitstockteil der

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Maschine cürigeordnet ist. llacb Einschaltung des Kotors 26 v/erden das Schwungrad und das Werkstück WP-1 auf eine vorher festgelegte Geschwindigkeit beschleunigt.

Nachdem die vorher festgelegte Geschwindigkeit erreicht worden ist, wird der Motor 26 abgetrennt.oder abgeschaltet und die Preßeinrichtung 20 betätigt, um den Reitstock 18 mit dem Werkstück WP-2 in Berührung mit dem schnell sich drehenden Werkstück WF-1 zu bringen. Wenn die beiden werkstücke unter dem Ane.teuchdruclc, der durch den Druckzylinder 20 ausgeübt wird, in Berührung gebracht worden sind, wird ".Värme ar den sich berührenden Flächen oder der Grenzfläche 5er öchweifistücke erzeugt. Diese Erwärmung verstärkt sich, bis die Werkstücke die Schweißtemperatur erreichen. Zu diesem Zeitpunkt verursacht der Anstauchdruck, der durch den Zylinder 20 entweder mit konstantem oder sich änderndem Druck ausgeübt wird, ein Ausquetschen oder Anstauchen. i'/JIhrend dieser Erwärmung und dem Anstauchen nimmt die Drehgeschwindigkeit der Welle 22 fortlaufend ab. Sobald die Drehung der Seile aufhört, hat dirs Anstauchen stattgefunden und ist die Schweißung beendet·

Kach der Erfindung sind die folgenden Inrametertereiche für die Reibungsschweißung von Aluminiumwerkstücker. mit Kupferwerkstücken festgestellt worden:

.O.

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Umfangsgeschwindigkeitr 7CO bis 3.300 Fuß/Min».

(etwa 213 bis 1.006 m/Min.)

Axialdruck:

Eingangsenergie:

12.000 bis 21.000 Pfund/Quadratzoll

2 v

(etwa 844 bis 1.476 kg/cm )

500 bis 20.000 luß-Pfund/Quadratζο11 (etwa 5.350 bis 42.800 kg-cm/cm²)

Zusätzlich zu den vorstehend genannten Parametern ist gefunden worden, daß sich besonders gute ReibungsSchweißverbindungen zwischen Aluminium und Kupfer dadurch herstellen lassen, daß während des Schweißvorganges der axiale Druck in zwei besonderen Stufen angewendet wird. Diese zweistufige Druckanwendung sieht vor, daß zunächst ein verhältnismäßig geringer erster Druck im anfänglichen Teil des Schweißvorganges und ein wesentlich höherer zweiter Druck in einer späteren Stufe des Schweißvorganges angewendet wird.

die Erzielung besserer Reibungsschweißverbindungen zwischen Aluminium und Kupfer sind zwei Bedingungen besonders wichtig» Die erste Bedingung ist, daß im Mittelbereich der Grenzfläche zwischen den Schweißstücken eine angemessene Erwärmung erreicht werden muß. Ohne angemessenö Erwärmung in diesem Mittelbereich der Schweißflache wird die Schweißverbindung nur .schwach, da im MitteIbereiek dann Poren usw«

auftreten,»

ORIGINAL

Um den Littelbereich richtig zu erwärmen, ist es nach der Erfindung erforderlich, einen verhältnismäßig niedrigen Axialoder Schv/eißdruck im Anfang des Schv/eißvorganges auzuvver.der. Dieser anfängliche Schweißdruck, der zur ärwär^ung des Tittelbereich.es dienen soll, soll vorzugsweise im Bereich von etwa 1.000 bis 10.000 Ffund/v.uadratzoll (70 bis 7CJ k~/c:^) liegen.

iine zweite Bedingung, die beachtet werden muß, un bessere Reibungsschweißverbindungen zwischen Aluiriinium und Lupfer herzustellen, bezieht sich auf die Bev/egunr oder den Fluß des Kupfermaberials an der Schweißgrenzfläche, Falls nicht das Kupfer veranlaßt wird, sich an der Schweißerenζfläche zu bewegen, wird keine scarke Schweißverbindung hergestellt« Da das Kupfer eine 7/esentlich größere Festigkeit als das Aluminium hat, muß ein hoher axialer Druck angewendet werden, um eine Bewegung des Kupfers an der Grenzfläche zu verursachen.

Dieser hohe axiale Druck zur Bewegung des Kupfers hat ,jedoch eine obere Grenze, die durch die Fließ- oder Streckgrenze des schwächeren Aluminiums bestimmt ist. Das heißt, daß die Größe des höheren Drucks in der zweiten Stufe nicht die Fließgrenze des Aluminiums überschreiten darf. Sonst würde das Aluminium veranlaßt, im k-U:en Zustand zu fließen und würde aus dem Grensbereich. heraus.£ließen, bevor es erwärmt

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U¹S ist gefunden worden, daß der höhere Druck der zweiten Stufe, der eine Bewegung des Kupfers verursachen kann, ohne die Fließgxenze des Aluminiums zu überschreiten, etwa 16.COO bis 25.000 Ffund/Quadratzoll (etwa 1.125 bis 1.758

P ist

kg/cm ) betragen soll· Es auch gefunden worden, daß der höhere Druck der zweiten Stufe vorzugsweise verhältnismäßig spät während des Schweißvorgangeθ angewendet werden soll, wenn die Relativdrehung zwischen den Werkstücken auf weniger als etwa 2OG Fuß/L'in» am Umfang (etwa 61 m/min.) abgenommen

Demnach ergeben sich Verbesserte Schweißverbindungen zwischen Aluminium und Kupfer, wenn im Anfang des Schweißvorganges ein verhiiltnisirxluig niedriger erster Druck angewendet wird _i um is lütte!bereich der Grenzfläche eine Erwärmung zu erzeugen, und wenn ein merklich höherer Druck später während des wchvveiiivorganges angewendet wird, um eine Bewegung des Ivupxers an der Grenzfläche zu verursachen.

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Patentansprüche:

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Claims (9)

1. Patentansprüche

   Verfahren zum Verbinden eines Aluminiumwerkstückes mit einem Kupferwerkstück durch Reibungsschweißung, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxide von den 'ichweißflachen der -Werkstücke entfernt werden und daß eine Relativdrehung der Werkstücke mit Drehgeschwindigkeiten von etwa 213 bis 1.006 m/Kin. bewirkt wird, worauf die Werkstücke in Reibungsberührung an ihrer gemeinsamen Grenzfläche unter einem vorher festgelegten, axialwirkenden Druck

   2
   von etwa 644 Ms 1.476 kg/cm gebracht werden und ein Energieumsatz an der Grenzfläche in einem Pereich von

   2
   etwa 5»35t bis 42.800 kg-cm/cm bewirkt wird, der die Wärme an der Grenzfläche konzentriert, bis eine Bindung sich herausbildet und die üingan^senergie aufgebraucht ist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Werkstücke in Verbindung rit einer sich drehenden IJacse steht, die die erforderliche !.!en^e der Eingangsenergie speichert, die in die ochweiirrrenzflache abzugeben ist.
3. 3. Verfahrer nach Anspruch 1, dadurch -^kennzeichnet, da.c die V/erkstr'cke in Reibungsber-'ihrung an ihrer gemeinsamen Grenzfläche zunächst unter einem axialen Druck "^n

   2
   etwa 70 bis 703 kg/cm gebracht -'erden und daß in e:^;nf-;K

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   BAD OBiGiNAL

   späteren Abschnitt des Schweißvorganges, wenn die Geschwindigkeit der sich gegeneinander drehenden Werkstücke schnell abnimmt, die Werkstücke einem zweiten

   axialwirkenden Druck von etwa 1»i25 bis 1*758 kg/cm unterworfen werden.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Axialdruck angewendet wird, wenn die Drehgeschwindigkeit der Relativdrehung zwischen den Werkstücken auf weniger als etwa 61 m/Min, am Umfang abgenommen hat.
5. 5* Verfahren nach Anspruch 1 bis 4·, dadurch gekennzelehnet, daß die Oxide von den Schweißflächen durch mechanische Mittel entfernt werden*
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Schweißflächen mit« einem Schleifmittel eingewirkt wird»
7. 7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxide von den Schweißflachen durch chemische Reinigung entfernt werden.
8. 8» Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißflachen durch chemische Ätzung gereinigt werden.

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9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxide von dem Aluminiumwerkstück durch Ätzung mit konzentrierter Flußsäure und von dem Kupferwerkstuck durch Ätzung mit konzentrierter Salpetersäure entfernt werden.

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