DE202022000408U1

DE202022000408U1 - Stoffschlüssige Verbindung artungleicher, metallischer Werkstoffe mittels Elektronenstrahl insbesondere von Stahl mit Titan sowie Aluminium mit Kupfer

Info

Publication number: DE202022000408U1
Application number: DE202022000408.7U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Schmidt Peter De
Priority date: 2022-02-18
Filing date: 2022-02-18
Publication date: 2022-07-12
Anticipated expiration: 2032-02-19

Abstract

Stoffschlüssigen Verbindung artungleicher, metallischer Werkstoffe mittels Elektronenstrahl insbesondere Stahl mit Titan sowie Aluminium mit Kupfer einschließlich deren Legierungen, dadurch gekennzeichnet, dass Stahl (1) mit Titan (3) oder Aluminium (4) mit Kupfer (5) stoffschlüssig und technisch sinnvoll mit neuen hohen Festigkeitswerten durch das lokale Schmelzen (2) verbunden wird.

Description

Die Erfindung lautet: Stoffschlüssige Verbindung artungleicher, metallischer Werkstoffe mittels Elektronenstrahl insbesondere von Stahl mit Titan sowie Aluminium mit Kupfer.
Stand der Technik

• Titan, Stahl, Kupfer und Aluminium inklusiv ihrer Legierungen haben eine Affinität gegenüber atmosphärischen Gasen wie beispielsweise Sauerstoff, Stickstoff oder Wasserstoff oberhalb einer Temperaturobergrenze. Daraus können beim Schweißen Oxidation, Karbidbildung oder Wasserstoffversprödungen resultieren, wodurch eine Reduzierung der Zähigkeit des Werkstoffs entsteht. Sämtliche Schweißmethoden scheiden für eine technisch brauchbare Verbindung aus, bei denen das schmelzflüssige Metall mit einem dieser Elemente in Kontakt kommen kann und somit eine Versprödung des Werkstoffes zur Folge hätte. Dadurch entstehen besondere Anforderungen, welche die Schweißtechnische Verarbeitung unter lokaler Schutzbegasung nicht bzw. nur sehr eingeschränkt zulassen.
• In der Schmelzschweiss - Technik sind nicht alle Werkstoffgruppen miteinander schweißtechnologisch kombinierbar. Die Hintergründe hierfür liegen primär in den metallurgischen Eigenschaften der Werkstoffe. Insbesondere Mischverbindungen wie Stahl mit Titan oder Aluminium mit Kupfer sind dadurch gekennzeichnet, dass sich teilweise große Differenzen in der Schmelztemperatur und thermischen Ausdehnung der einzelnen Werkstoffe aufzeigen, die zu einer Abkapselung von hoch- und niedrigschmelzenden Phasen beim Schmelzschweißen führen und zum anderen den Aufbau von Eigenspannungen in der Fügezone hervorrufen. So bilden sich intermetallischen Phasen, die eine störende Härtesteigerung und Versprödung der Fügenaht sowie Risse im Schweißgefüge entstehen lassen. Die Zugfestigkeit wird dadurch stark reduziert, so dass eine Übertragung von Kräften nicht möglich ist. Intermetallische Phasen zeigen auch gegenüber den Grundmaterialien einen höheren elektrischen und thermischen Widerstand.
• Besonders Titan ist ein schwieriger Werkstoff, wenn es um eine Verbindung zu anderen Werkstoffen geht. Die Ursache liegt in der Tatsache begründet, dass Titan eine hohe Affinität zu Sauerstoff aufweist und intermetallische Phasen mit anderen Werkstoffen bildet.
• Mischverbindungen wie Titan mit Stahl oder Kupfer mit Aluminium sind dadurch gekennzeichnet, dass große Differenzen in der Schmelztemperatur und thermischen Ausdehnung der einzelnen Werkstoffe aufzeigen. Dies kann zu einer Abkapselung von hoch- und niedrigschmelzenden Phasen beim Schmelzschweissen führen und zum anderen den Aufbau von Eigenspannungen in der Fügezone hervorrufen.
• Die Mischverbindung Titan / Stahl oder Kupfer / Aluminium sind laut Fachliteratur nicht schweißgeeignet, da diese Mischverbindungen abweichende physikalische Eigenschaften aufweisen (Wärmeausdehnungskoeffizienten, Schmelz-und Verdampfungstemperaturen, Absorptionsgrade usw.) und metallurgisch bedingt eine starke Versprödung der Naht durch Bildung von intermetallischen Phasen zur Folge hat. Eine Schweißverbindung von Stahl mit Titan ist angesichts der geringen Löslichkeit des Eisens im Titan bei Raumtemperatur sehr schwierig, so dass sich beim Schweißen von Titan mit Stahl intermetallischen Phasen TiFe und TiFe2 bilden, die eine störende Härtesteigerung der Fügenaht und Risse im Schweißgefüge entstehen lassen.
• Eine Schweißverbindung von Titan mit Stahl oder Kupfer mit Aluminium hat metallurgisch bedingt eine starke Versprödung der Naht zur Folge und keines der bekannten Schmelz-Schweißmethoden führen zu einem verformungsfähigen und akzeptablen bzw. anwendbaren Schweißnahtergebnis. Alle in der Vergangenheit gewonnenen Erkenntnisse zeigten unter Laborbedingungen keine für die Industrie optimale Lösung und sind in der Praxis kaum realisierbar.

Bei der Wärmezuführung eines Werkstoffs bekommen einzelne Werkstoff-Atome eine höhere Energie zum Verlassen ihres Gitterplatzes. Demgegenüber steht die Tatsache, dass bei zu hohen Temperaturen eine starke Rekristallisation und Kornvergrößerung eintritt, die sich nachteilig auf die metallurgischen Eigenschaften in der Fügezone auswirkt. Die Dauer des Diffusionsvorganges hat entscheidenden Einfluss auf die Durchmischung, welche die Festigkeit eines Verbundes bestimmt. Lange Fügezeiten bedeuten nicht beste Verbundfestigkeiten. Liegt bei langen Fügezeiten die Fügetemperatur über der Rekristallisationstemperatur führt dies zum Wachstum der Rekristallisationskörner. Bezogen auf oben genannten Mischverbindungen ist die richtige Wahl der Schweißgeschwindigkeit, Beschleunigungsspannung, Stromstärke, Füge-Strahlgeometrie, Fokussierung und Strahlpendeln entscheidend über den Verzug, die Maßhaltigkeit, die Festigkeit und das unterdrücken von intermetallischen Phasen einer Verbindung.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zwischen den beiden Fügepartnern aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen mit Hilfe eines Elektronenstrahls, die frei liegenden Randkanten stumpf miteinander verschweisst werden. Dabei wird der Strahl zwischen den Fügepartnern so versetzt, dass in Richtung dem niedriger schmelzenden Fügepartner und/oder der geringeren Bauteilmasse hin appliziert wird. Der geometrisch wechselnde Strahl ist in Richtung zu einem der beiden Fügepartner verschoben, so dass sich ohne artfremde Zusatzwerkstoff-Lagen eine Schweissverbindung ohne intermetallische Phasen erzielen lässt. Die Optimierung der Schweissergebnisse durch einen gezielten Versatz erwirkt eine Änderung der Mischungs- sowie Abkühlverhältnisse. Erfindungsgemäss treten keine Aufhärtungen oder intermetallische Sprödphasen in der Fügezone bei artungleichen metallischen Fügepartnern auf.
Eine Besonderheit der Erfindung stellt die Fügeflächenebene (FE) zwischen den Fügepartnern versetzte Fokussierung mit unterschiedlichsten geometrischen Strahlgeometrien dar. Dessen Fokus ist in Richtung zu einem der beiden Fügepartner hin mit unterschiedlichen, neuartigen Geometrien verschoben. Dadurch kann ohne artfremde Zusatzwerkstoff-Zwischenlage eine gegenüber verschobenen Applikation erhöhte Festigkeit der Fügeverbindung erzielt werden.
Es besteht ein zunehmendes Interesse am Fügen von Rohlingen und Konstruktionsteilen aus artungleichen metallischen Fügepartnern (Mischverbindungen), damit ein Maximum an wirtschaftlicher, mechanischer sowie elektrischer und thermischer Eigenschaften erzielt und damit spezielle Einsatzgebiete, wie beispielsweise mechatronische Systeme in der Kraftfahrzeugtechnik gefördert werden.
z.B. Verdichterlaufräder eines Turboladers werden durch die anzufügende Welle aus einer Mischverbindung hergestellt. Die beiden Konstruktionsteile werden durch Reibschweißen miteinander verbunden. Das Reibschweißen eignet sich für runde Bauteile (primär Wellen), da die Prozessdauer sehr kurz ist und hierbei kein schmelzflüssiger, sondern ein teigiger Zustand erreicht wird.
Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine technisch brauchbare Mischverbindung von Stahl (1) mit Titan (3) oder Aluminium (4) mit Kupfer (5) bei Dreh- und kubischen Teile mit dem Schmelzschweissen zu ermöglichen.
Dieses Problem wird mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten neuen technischen Merkmalen gelöst.
Mit der Erfindung wird erreicht, dass keine intermetallischen Phasen bei oben genannten Mischverbindungen entstehen die eine Versprödung im Schmelzbereich aufweisen und dadurch die Übertragung von Kräften im großen Maß ermöglichen. Darüber hinaus können solche Mischverbindungen bei mechanischen Konstruktionen auch für die Serienherstellung eingesetzt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der 1 und 2 erläutert. Die Zeichnungen zeigen:

• 1: Die stumpfe und flächige, kerbfreie Verbindung mittels Schweissnähte, Schmelzen (2) der Werkstoffe Stahl (1) mit Titan (3). Mit einer versetzten Fokussierungen und einer wechselnden geometrischen Strahlgeometrie zwischen den Fügepartnern trifft der Energiestrahl auf die Fügeflächenebene (FE) auf.
• 2: Die stumpfe und flächige, kerbfreie Verbindung mittels Schweissnähte, Schmelzen (2) der Werkstoffe Aluminium (4) mit Kupfer (5). Mit einer versetzten Fokussierungen und einer wechselnden geometrischen Strahlgeometrie zwischen den Fügepartnern trifft der Energiestrahl auf die Fügeflächenebene (FE) auf.

Bezugszeichenliste

1: Stahl
2: Schweissnähte (Schmelzen)
3: Titan
4: Aluminium
5: Kupfer
FE: Fügeflächenebene

Claims

Stoffschlüssigen Verbindung artungleicher, metallischer Werkstoffe mittels Elektronenstrahl insbesondere Stahl mit Titan sowie Aluminium mit Kupfer einschließlich deren Legierungen, dadurch gekennzeichnet, dass Stahl (1) mit Titan (3) oder Aluminium (4) mit Kupfer (5) stoffschlüssig und technisch sinnvoll mit neuen hohen Festigkeitswerten durch das lokale Schmelzen (2) verbunden wird.
Verbindung nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, dass keine metallischen, fremde Dritt- Materialien wie z.B. Silber, Nickel etc. verwendet werden.
Verbindung nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschweißung der Fügepartner mit einem Elektronenstrahl vorgenommen wird und mindestens zwei Schweißnähte(2) parallel eingebracht werden.
Verbindung nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, Das die Verschweißung (2) der beiden Fügepartner (1) mit (3) oder (4) mit (5) mittels Elektronenstrahl die flächigen Fügepartner stumpf miteinander verschweisst werden, wobei der Elektronenstrahl gegenüber der Fügeflächenebene (FE) mit neuen unterschiedlichen Fokussierungen und Nahtgeometrien zwischen den Fügepartnern aufsetzt.
Verbindung nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, dass keine intermetallischen Phasen in den Schweißnähten (2) entstehen.
Verbindung nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, das keine Sprödphasen oder unerwünschte Aushärtungen in der Fügezone (2) entstehen.
Verbindung nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Fügen der Energiestrahl, über eine gesamte Breite und Tiefe einer Kontaktfläche eingebracht wird.
Verbindung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung als Axial- als auch Radialnaht ausgeführt werden kann.
Verbindung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügeprozesse unter Vakuum durchgeführt wird.
Verbindung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen und elektrischen Eigenschaften durch das Schweißen nicht wesentlich verschlechtert werden.
Verbindung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mischverbindungen mit Dicken zwischen 3 und 22 mm ausgeführt werden können.
Verbindung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung Festigkeitseigenschaften und Korrosionsbeständigkeiten des schwächsten Grundwerkstoffes ausweist.
Verbindung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfindung für Serienproduktionen einsetzbar ist.
Verbindung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei hohen Festigkeitsbeanspruchungen die Bruchzone außerhalb der Schweißzone liegt.
Verbindung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Basiseigenschaften (Übergangswiderstände) der einzelnen Werkstoffe nach dem Schweißen annähernd unverändert bleiben.