DE2039279A1

DE2039279A1 - Verfahren zum Friktionsschweissen verschiedenartiger Metalle

Info

Publication number: DE2039279A1
Application number: DE19702039279
Authority: DE
Inventors: Ellis Colin Ronald George; Lilly Roger Hedley
Original assignee: British Aluminum Co Ltd
Current assignee: British Aluminum Co Ltd
Priority date: 1969-08-08
Filing date: 1970-08-07
Publication date: 1971-09-02
Also published as: CA933396A; NL7011705A; FR2056770A5; US3753286A

Description

DIFI_i.-ING. G. DAHtMANN

PATENTANWALT

M* INASCR.* FF / ASOHAFFENBURG

8143 06081 · 26744

5. August 1970 Op/ro

2033279

THE BRITISH ALUMINIUM COMPANY LIMITED Norfolk House,
St« James Square,
London, S.W.I.

Verfahren zum Friktionsschweißen verschiedenartiger Metalle

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Friktionsschweißen von verschiedenartigen Metallen, insbesondere aber nicht ausschließlich auf das Friktionsschweißen von .Aluminiumlegierungen mit Stählen.

1O9830/O82B

Das allgemeine Prinzip der Priktionsschweißtechnik, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, umfaßt die Erzeugung einer Relativrotation zwischen den zueinander gekehrten Flächen zweier miteinander zu verschweißender Gegenstände, während in Richtung der Rotationsachse ein relativer Druck zwischen den beiden Gegenständen ausgeübt wird, so daß an der Grenzfläche zwischen den beiden Gegenständen Reibungswärme erzeugt wird. Falls der axiale Reibungsdruck und die Relativrotationsgeschwindigkeit zusammen mit der Zeit, für welche die Relativrotation fortgesetzt wird, geeignet gesteuert werden, kann eine Verbindung zwischen den zueinandergekehrten Flächen der beiden zu verschweißenden Gegenstände entstehen.

Abgesehen von dem während der Relativrotation aufgebrachten axialen Reibungsdruck, hat sich herausgestellt, daß es wünschenswert ist, einen Schmiede- oder axialen Stauchdruck vorzusehen, nachdem die Verbindung zwischen den beiden zu verschweißenden Gegenständen eingetreten und die Relativrotation beendigt ist. Dieser Schmiededruck bewirkt eine Verbesserung der durch die Schweißung erzielten Verbindung und erhöht ihre Qualitäten.

Bei Anwendung derartiger Priktionsschweißverfahren auf das Schweißen von verschiedenartigen Materialien, insbesondere Aluminiumlegierungen und Stahl, werden an der Grenzfläche zwischen den beiden Gliedern Jntermetalle gebildet. Bei vorbekannten Verfahren sind Intermetalle zwischen verschiedenartigen Metallen in einigen Fällen in einem solchen Ausmaß aufgetreten, daß die mechanische Festigkeit und die Ducktilität der Verbindung ernstlich verringert wurden.

In der Forschung, die zu der vorliegenden Erfindung führte, ist gefunden worden, daß es durch sorgfältige Steuerung

109836/0825

der verschiedenen Parameter eines Priktionssehweißverfahrens in einer bisher als undurchführbar geltenden Weise möglich ist, die Bildung von Intermetallen an der Grenzfläche zwischen zwei zu verbindenden Gliedern zu begrenzen und dennoch eine hinreichende gegenseitige Einwirkung zwischen den beiden Gliedern aufrechtzuerhalten, um eine zufriedenstellende hochfeste Verbindung zwischen ihnen zu erhalten^

Ein Anwendungsgebiet für das die Erfindung besonders geeignet ist* ist die Herstellung von Elektrodenanordnungen für Aluminiumschmelzer- Für Alurainiumschmelzer ist die Verwendung von Anodenanordnungen, bestehend aus einem Stahlbolzen von etwa 20 cm Durchmesser und 60.96 cm Länge, der an einem Ende an einen extrudierten oder gegossenen Aluminiumbarren von etwa 10 cm Quadratquerschnitt und an seinem anderen Ende an ein Kohleanodenglied angeschlossen ist, vorgeschlagen worden. Als Bindemittel zwischen dem Stahl und der Kohle ist dabei Gußeisen verwendet« Die ganze Anodenanordnung ist etwa 243,84 bis 3O4,8 cm lang. Während des Gebrauches ist das Kohleanodenglied in eine Aluminiumerz-Reduktionszelle eingeführt, wobei der Aluminiumlegierüngsbarren an eine über Kopf laufende elektrische Sammelschiene aus Aluminium angeklemmt ist.

Es ist wichtig, daß die Verbindung zwischen dem Stahlbolzen und dem Aluminiumlegierüngsbarren einen niedrigen und konsistenten elektrischen Widerstand und zugleich eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweist, damit das Gewicht des Stahlbolzens und des Kohleanodengliedes, wobei letzteres allein in der Größenordnung von etwa 68O kg liegen kann, getragen wird. Weiterhin ist es wichtig, daß die Verbindung zwischen dem Stahlbolzen und dem Aluminiumlegierüngsbarren ausreichend duektil ist, um den Deformationen der Anodenanordnung, die während des Betriebes der Reduktionszelle auftreten können, zu widerstehen und um den auf die Struktur

109836/0825

2039273

während der Entfernung verbrauchter Kohleanodenglieder, die gewöhnlich von der Anodenanordnung abgebrochen werden, einwirkenden Kräften standzuhalten.

In der Vergangenheit sind die Verbindungsstellen zwischen solchen Stahlbolzen und zugeordneten Aluminiumlegierungsbarren als ausschließlich mechanisch geklemmte Verbindungen ausgebildet worden; erst in jüngerer Zeit sind sie durch Schweißverfahren in Verbindung mit mechanischen Klemmverbindungen vorgesehen worden. Die bisher vorgeschlagenen Methoden für die Verbindung von Stahlbolzen mit Aluminiumlegierungsbarren haben sich jedoch in der Praxis als zeitraubend und folglich teuer erwiesen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Friktionsschweißen von Gegenständen aus verschiedenartigen Metallen vorzusehen, welches insbesondere aber nicht ausschließlich für das Verschweißen von Stahlbolzen mit den extrudierten Aluminiumlegierungsbarren der vorstehend erörterten Anodenanordnungen anwendbar ist. Im Verfolg dieser Aufgabenstellung liegt der vorliegenden Erfindung ferner die Zielsetzung zugrunde, ein Verfahren zum Friktionsschweißen unterschiedlicher Metalle anzugeben, welches hochwertige Verbindungen mit niedrigem und konsistenten elektrischen Widerstand bei gleichzeitig guter mechanischer Festigkeit und Ducktilität ermöglicht.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich demgemäß bei einem Verfahren zum Friktionsschweißen zueinandergekehrter Flächen zweier aus verschiedenartigen Metallen bestehender Gegenstände, bei welchem eine Relativrotation zwischen den beiden Flächen erzeugt wird, während in Richtung der Rotationsachse ein Druck zwischen den beiden Flächen ausgeübt wird, wobei der axiale Druck und die Rotation für eine be-

- 5 -109836/0825

stimmte Zeitspanne aufrechterhalten werden, darauf, daß die maximale Relativgeschwindigkeit zwischen den Flächen während der Rotation kleiner als 60 cm/sec ist.

Vorzugsweise beträgt die maximale Relativgeschwindigkeit zwischen 30 und 60 cm/sec.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich besonders vorteilhaft für das Priktionsschweißen zweier aus verschiedenartigen Metallen bestehender Gegenstände anwenden, wenn diese aus einer Aluminiumlegierung und einem Stahl gebildet sind.

Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung in ihrer Anwendung auf das Priktionsschweißen zwischen Aluminiumlegierung und Stahl werden nachfolgend in Beispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen stellen dar: .. ' ^; - ■ . ; . _: / ; ^; / .- .

Fig. 1 eine graphische Blockdarstellung eines einzelnen Parameters in früher vorgeschlagenem Friktionsschweißverfahren und diesen Parameter im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens>

Fig. 2 in einer perspektivischen Ansicht eine Probeschweißung, wie sie für die Beurteilung der Bindungsqualität benutzt wird,

Flg. 3 ein Diagramm "zur Darstellung von Bindungsprozentsätzen über einem Parameter des Schweißverfahrens für verschiedene Werte eines zweiten Parameters,

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung von Bindungsprozentsätzen über demselben Parameter gemäß Fig. 3* jedoch für verschiedene Werte eines dritten Parameters,

Fig· 5t 5 a; 6, 6 a; 7 und 7 a gegenüberliegende Bruchan-

109836/0825

2039273

sichten einwandfreier erfindungsgemäß erzielter Schweißungen,

Fig. 8, 8 aj 9 und 9 a gegenüberliegende Bruchansichten von schlechten Schweißungen, die mit einem außerhalb des erfindungsgemäßen Bereiches liegenden Verfahren hergestellt wurden,

Fig. 10 a, 10 b, 10 c; 11 a, 11 b, 11 c; 12 a, 12 b, 12 c; 13 a, 13 b, 13 c; 14 a, 14 b und 14 c vergrößerte Ansichten der MikroStruktur quer durch verschiedene Punkte der unter verschiedenen Schweißbedingungen hergestellten Schweißungen,

Fig. 15 und 16 vergrößerte Ansichten (ungeätzt) der Mikrostruktur quer durch unter verschiedenen Schweißbedingungen hergestellten Schweißungen und

Fig. 17 in einem Diagramm die Progression der Schweißparameter mit der Zeit.

Fig. 1 veranschaulicht zeichnerisch die in vorbekannten Friktionsschweißverfahren vorgeschlagenen und benutzten Wertbereiehe für einen Parameter. Dieser Parameter ist die maximale Relativgeschwindigkeit während der Rotation zwischen den Oberflächen der miteinander zu verbindenden Gegenstände, d.h. die Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Oberflächen an einem Punkt auf dem größten von der Achse der relativen Rotation in den beiden zu verbindenden Oberflächen ausgehenden Radius. In Fig. 1 zeigt der horizontale Maßstab den Parameter der Relativgeschwindigkait in cm/sec und darüber veranschaulicht eine Serie von Blöcken die Bereiche des Parameters der maximalen Relativgeschwindigkeit, wie sie durch mehrere Autoritäten als für die Friktionsschweißung geeignet oder ungeeignet angegeben werden. Die als geeignet empfohlenen Bereiche sind durch freiflächige Blöcke dargestellt, während die als ungeeignet angesehenen Bereiche schraffiert sind. Die im vereinigten Königreich

.- 7 109836/0825

allgemein für geeignet angesehenen Bereiche sind bei 20 dargestellt, diejenigen die in der UdSSR im allgemeinen als geeignet geltenden sind bei 21 gezeigt, während die von Höllander ( Brit. PS 1 002 255) vorgeschlagenen Bereiche bei 22 angedeutet sind. Die von Shternin/Prokofiev ("The FrictionWelding of Aluminium to steel and copper, Star. Prioz I96I, Ho. 11, pp. 30, 32) in der UdSSR für das Friktionsschweißen von Aluminium mit Stahl und Kupfer empfohlenen Bereiche sind bei 2J dargestellt, während die von Oberle (Report on Lecture given previously in May 1970, issue of "Metal Construction and British Welding Journal" . published toy the Welding Institute) vorgeschlagenen Gebiete für das Friktionssehweißen von Aluminium mit Aluminium bei 24 angedeutet sind.

Es ist ersichtlich, daß die obigen in Fig. 1 gezeigten Bereiche sämtlich ein gemeinsames von Null bis 60 cm/sec für die maximale Relativgeschwindigkeit reichendes Gebiet aufweisen, für welches die Schweißung nicht empfohlen ist, und tatsächlich haben alle Autoritäten bisher im allgemeinen bei weitem höhere Relativgeschwindigkeiten als βθ cm/sec empfohlen.

Am unteren Ende der Fig. 1 ist ein von Null bis nahe 2Ö0 cm/sec reichender Bereich für die maximale Relativgeschwindigkeit kreuzschraffiert bei 25 angegeben, der das durch die zur vorliegenden Erfindung führende Forschung erfaßte Gebiet der maximalen Relativgeschwindigkeit bezeichnet. Innerhalb des Gebietes 25 ist ein schmaler als freiflächiger Block dargestellter Bereich 26 eingezeichnet, welcher beträchtlich unterhalb der Minimalwerte für die bisher als annehmbar angesehenen Relativgeschwindigkeit liegt und in welchem erfindungsgemäß vorteilhafte Resultate erzielbar sind. Der Bereich 26 erstreckt sich von JQ bis 60 cm/sec.

1098 36/0825

Es ist zu beachten, daß in dieser Beschreibung durchgehend bei Bezugnahme auf die verschiedenen Parameter, insbesondere die maximale Relativgeschwindigkeit, und die Gebiete der geschweißten Oberflächen, auf die Ausgangsmaße der zu schweißenden Flächen abgestellt wird, wobei irgendwelche lokalen Extrusionen, Protuberanzen oder Grat, die am Umfang der geschweißten Flächen entstehen können,· außer Betracht bleiben.

Während der zur Erfindung führenden Untersuchungen hat sich die Schaffung einer Vergleichsmethode für die Güte der Bindung zwischen den Oberflächen zweier miteinander friktionsverschweißter Teile als notwendig erwiesen. Die Verbindung wurde ausgewertet durch das Herausschneiden einer 6 mm starken Scheibe diametral zu der Achse der Relativrotation und diese einschließend quer durch die Grenzfläche der beiden verschweißten Gegenstände. Danach wurde eine Serie von Längssägeschnitten (bezogen auf die Rotationsachse während des Schweißens) vorgenommen, die gänzlich durch eines der geschweißten Teile und eine kurze Strecke in das andere Teil hinein geführt wurden, wodurch eine Reihe von Segmenten von etwa 6 mm Quadratquerschnitt entstanden. Die Segmente des einen Teils, welches bei Versuchen zum Schweißen von Aliaminiumlegierungen mit Stahl als das Aluminiumteil ausgewählt wurde, wurden dann durch Hämmern umgebogen, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Das Umbiegen der Segmente wurde als gute Probe für die Qualität der Bindung zwischen den beiden Teilen berücksichtigt. Diese Qualität wurde als ein Meßprozentsatz der verbundenen Länge festgelegt, d.h. die Gesamtzahl der Segmente, die über 90° ohne Bruch der Verbindungsstelle gebogen werden konnten, und das Gebiet der Oberfläche der Drehung, die durch diese Länge um die Achse der Relativrotation während des Schweißens gebildet würde, wurde als Prozentsatz des ursprünglichen Querschnittsgebietes des Aluminiumlegierungsbarren ausgedrückt.

Da sich eine große Zahl der Versuche mit einem Aluminium-

- 9 109836/0825

_ _9:-/7 203 9273

legierungsbarren quadratischen Querschnitts, der an die Endfläche eines Stahlbolzens friktionsgeschweißt ist, befaßte, wurde die diametrale Scheibe diagonal aus dem Aluminium-■legierungsbarren geschnitten. In vielen Fällen sowohl für quadratische als auch runde Barren schloß die Scheibe Bereiche ein, die aus lokalen am Umfang der Schweißung gebildeten Protuberanzen geschnitten wurden. Einige der prozentuellen Verbindungsanteile (percentage bonds), die in den weiter unten diskutierten Versuchsergebnissen erscheinen, übersteigen 100 %.

Es. würde davon ausgegangen, daß ein auf dieser Grundlage abgeschätzter'prozentueller Verbindungsanteil von 80 % eine zufriedenstellende Verbindung zwischen zwei Teilen darstellt.

Fig. > zeigt graphisch die Variation der beim Schweißen von Aluminiumlegierung mit Stahl erreichten prozentuellen Verbindungsanteile auf einem vertikalen Maßstab, aufgetragen über den auf der horizontalen Achse angegebenen Werten des Parameters der maximalen Relativgeschwindigkeit, die zur Erzielung dieser Verbindung in einer Versuchsschweißung angewendet wurden. Eine erste Kurve j50 zeigt den aus Versuchen, bei welchen sich die geschweißten Flächen in einem verhältnismäßig rauhen Ausgangszustand vor dem Schweißen befunden haben, erreichten Verlauf (das Stahlteil war auf 63 h CLA Oberflächengüte trocken abgedreht und das Aluminiumteil bestand aus BA 24 Aluminium (HE9 - BS- 14.76). naß gesägt, keine der Oberflächen war entfettet). Eine zweite Kurve >1 veranschaulicht die erzielte Verbindung, bei welcher die geschweißten Flächen eine verhältnismäßig feine Oberflächengüte in Ihrem Ausgangszustand aufwiesen (das Stahlteil war geschliffen und das Aluminiumteil aus BA 24 war frisch abgedreht, beide Oberflächen waren entfettet).

Aus den Kurven gemäß Fig. 3> geht hervor, daß zur Erzielung

.-■ ;' ■ '' ■/ . .' .- ; / .-' - 10 -109836/0825

- ¹O - 203927G

eines einwandfreien prozentuellen Verbindungsanteils ( > 80 %) bei rauhen Ausgangsbedingungen eine maximale Relativgeschwindigkeit von etwa 30 bis 45 cm/sec, mit einem Verbindungsoptimum bei etwa 37 cm/sec, angewendet werden sollte, wohingegen bei feiner Oberflächengüte die maximale Relativgeschwindigkeit etwa 36 bis 58 cm/sec, mit einem Verbindungsoptimum bei etwa 48 cm/sec, betragen ■sollte.

Es ist ersichtlich, daß die Anwendung des Parameters der maximalen Relativgeschwindigkeit innerhalb des erfindungsgemäßen Bereiches zufriedenstellende Schweißverbindungen bei anfänglich rauher Oberflächenbeschaffenheit der Flächen der zu schweißenden Teile ermöglicht. Die Tendenz ist erkennbar, daß zufriedenstellende Schweißverbindungen, die bei größeren Werten für den Parameter der maximalen Relativgeschwindlgkeit hergestellt werden, eine feinere anfängliche Oberflächengüte an den Flächen der Teile notwendig, macht. Es ist daher erkennbar, dai3 die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens schon zu verringerten Kosten für die Vorbereitung der TeiLe vor dem Schweißen führen kann.

Fig. 4 zeigt eine im allgemeinen der Fig. 3 ähnliche Kurvenfamilie. Sie verdeutlicht den prozentuellen Verbindungsanteil, der bei verschiedenen Werten für den Parameter der Relativgeschwindigkeit erreicht wird für nur drei verschiedene Werte des Parameters des axialen Reibungsdruckes zwischen den Endflächen eines 11,43 cm auf 12,07 cm-Barrens aus BA 24-Aluminiumlegierung und einem 17,78 cm im Durchmesser messenden Stahlbolzen während des Schweißens. Kurve 40 in Fig. 4 zeigt den mit einer axialen Reibungsbelastung von etwa 55 t erzielten prozentuellen Verbindungsanteil, Kurve 41 den mit einer axialen Reibungsbelastung von etwa 40 bis 45 t erhaltenen prozentuellen Verbindungsanteil und Kurve 42 schließlich verdeutlicht den mit einer axialen

- 11 -

109838/0825

2039278

Reibungsbelastung von etwa 50 bis 35 t beobachteten prozentuellen Verbindungsanteil. In Jedem Beispiel gemäß Fig. 4 wurde eine Schmiede- oder Staüchbelastung von etwa 85 t in axialer Richtung nach Herstellung der Verbindung ausgeübt. Die "AbbHsnnzelt" oder Schweißzeit der Relativrotation betrug in jedem Beispiel gemäß Fig. 4 zwischen 135 und 180 see.

Auch bezüglich der Fig. 4 ist zu erkennen, daß einwandfreie prozentuelle Verbindungsanteile mit beträchtlich unterhalb 60 cm/see liegenden Parameterwerten für die maximale Relativgeschwindigkeit erreicht werden; d.h. unterhalb 37 cm/sec bei einer Reibungsbelastung von etwa 55 t und unterhalb 42 cm/sec bei einer Reibungsbelastuhg von etwa 40 bis 45 t, wohingegen bei dem Beispiel mit einer Reibungsbelastung von etwa 30 bis 35 t einwandfreie prozentuelle Verbindungsanteile bei einem maximalen Relativgeschwindigkeitsparameter im Bereich zwischen 36 und etwa 57 cm/sec erhalten wurden, (was aber immer noch unterhalb 60 cm/sec liegt). Sogar im letzten Beispiel wird der optimale prozentuelle Verbindungsanteil bei einem maximalen Relativgeschwindlgkeitsparameter von etwa 55 cm/sec. erreicht.

Tabelle I zeigt einen Wertbereich für den Parameter der Relativgeschwindigkeit, der Reibungsbelastung, der Schmiedebelastung, der Reibungsbelastung je Flächeneinheit der Schweißung, derSchmiedebelastung je Flächeneinheit der Schweißung und die "Abbrennstrecke" (d.h. der axiale relative Vorschub zwischen den Teilen während des Schweißens). Die Tabelle gibt jeweils Werte für Aluminiumlegierungsbarren (BA 24) unterschiedlicher Abmessungen, die erfolgreich mit einem Stahlteil friktionsgeschweißt wurden. Es ist ersichtlich, daß in jedem Fall die Schmiedebelastung größenordnungsmäßig das Vierfache der Reibungsbelastung ist,

.- . . : _; / .■- 12 109836/0 82S

Tabelle I

~-arameterwerte für das Schweißen von Aluminiumlegierungsproben mit Stahl

iniunCe- max.Peiativge- j max.Reibungs- ;rjr w;:er- schwindigkeits- belastung

(t)

lia. )

(cm/sec)

59

10

ϊδ

25 Schmiede-i Reibungsbe-i Schmiedebe- "Ausbrennstrecke"

belastung) lastung

', /Flächen-

einheit
(t/cm²)

0.227
0.229
0.204

lastung
/Flächenein-!
he it

(t/cm²)
O.9O8
O.918
0.816

(mm)

15
20

ro ο co

Die Fig. 5* 5 a, 6, 6 a, 7, 7 a, 8, 8 a und 9, 9 a zeigen paarweise gegenüberliegende Bruchflächen einer Reihe von Aluminiumlegierüngsbarren quadratischen. Querschnitts und Stahlbolzen, die miteinander friktionsgeschweißt und anschließend an der Grenzfläche zwischen ihnen durch Biegen über diese Grenzfläche auseinander gebrochen wurden. Die Aluminiumbarren in jedem der Figurenpaare tragen den Zusatz "a". ■■■ .- _: ^: /;'';/ ; ■■..''." ^:

Die verschiedenen bei der Friktionsschweißung der in den Fig. 5 bis 9 gezeigten Teile angewendeten Parameterwerte sind in Tabelle II aufgeführt.

1098 36/0826

Tabelle II

Ergebnisse von Biegeversuchen an friktionsgeschweißten Verbindungen

Pig. Nr.	relati ve Dreh zahl (U/min)	max.Relativ- geschwindig keit (an den Ecken) (cm/sec)	max.axiale Rei bungsbelastung während des Schweißens (t)	Ausbrennzeit (see)	max. axiale Schmiedebe lastung (t)	Oberflächen- zustand (vgl. Fußnote)	max. Biegebe lastung ( m kg)
5	50	43,4	30	165	85	A	13 600
6	50	43,4	30	165	86	B	11 902 ⁺
7	60	52,1	30	150	85	A	12 972
8	70	6θ,8	30	150	85	A	8 763
9	80	69,5	^Γ 30	150	85	A	9 384

+ Bruch erst nach Hin- und Herbiegung Oberflächenzustände

Flußstahl - trocken abgedreht auf 125 CLA - entfettet Aluminiumlegierung - naß gesägt - nicht entfettet Flußstahl - trocken abgedreht auf 63 CLA - entfettet Aluminiumlegierung - naß gesägt - nicht entfettet

"Λ " 2033278

In der letzten Spalte der Tabelle II>ist die Biegebelastung angegeben, die in jedem Fall quer zur Schweißung bis zum Bruch aufgebracht wurde. Es ist ersichtlich, daß die in den Fig. 5, 6 und ? dargestellten Beispiele merklich besser sind, als die in den Fig. 8 und 9 gezeigten, und daß diese Qualitätsverteilung· auch der Verteilung der Werte für den Parameter der in jedem Fall angewendeten maximalen Relativgeschwindigkeit entspricht. Die überlegene Festigkeit der Schweißverbindungen wurde mit Parameterwerten für die maximale Relativgeschwindigkeit von 43,4 und 52j 1 cm/sec erzielt.

In jeder der Fig. 5 bis 9 sind die Zonen, in denen Intermetalle in einem solchen Ausmaß gebildet wurden, daß sie den Bruch der Verbindung herbeiführten, die dunkleren Gebiete, die typisch mit 45 gekennzeichnet sind, sowie die dunkleren Flecke, die typisch mit 46 bezeichnet sind, innerhalb der helleren Zonen, wobei letztere gute Verbindungen anzeigen. Es wird einzuräumen sein, daß diese dunkleren Gebiete und Flecke in einem merklich geringeren Ausmaß in den Schweißungen auftreten, die innerhalb des erfindungsgemäßen Bereiches für den Parameterwert der maximalen Relativgeschwindigkeit hergestellt wurden. ■

Die Fig. IO a, 10 b, 10 c, 11 a, 11 b, 11 c, 12a, 12 .b, 12 c, 13 a, 13 b, 13 c und 14 a, 14 b, 14 c zeigen vergrößerte geüzte Mikrostrukturansichten quer zur Grenzfläche zwischen den friktlonsgesehweißten Aluminiumlegierungsteilen und Stahlteilen, wobei der Parameter der maximalen Relativgeschwindigkeit 34 cm/sec (Fig. 10), 43,4 cm/sec (Fig. 11), 52/1 cm/sec (Fig. 12), 60,δ cm/sec (Fig. 13) und 69,5 cm/sec (Fig. 15) beträgt. Die Figuren mit dem Zusatz "a" zeigen Querschnitte aus oder nahe der Rotationsachse während des Schweißens in lOOOfacher Vergrößerung , Die Figuren mit dem Zusatz " c" betreffen Querschnitte am maximalen Radius der Relativrotation,, d.h. an den Ecken des Äluminiumteils mit quadratischein Querschnitt, in ; 500facher Vergrößerung. Die Figuren mit dem Zusatz "b" schließlich geben Querschnitte aus der Mitte fmjd-polnt) zwischen

. ^{: :} ■ ι : 1 oae^i·/08 2S ;

der Relativrotationsachse und dem maximalen Radius der Relativrotation in lOOOfacher Vergrößerung wieder. In jeder der Fig. 10 bis 14 ist das Stahlteil mit 50, das Aluminiumteil mit 51 und die Gebiete der Intermetallformationen an der Grenzfläche mit 52 bezeichnet. Auch hier ist sofort erkennbar, daß die Intermetallformationen mit höheren Parameterwerten der Relativgeschwindigkeit beträchtlich zunehmen, während sie auf ein Minimum abnehmen und auf kleine Gebiete der Grenzfläche beschränkt sind bei den erfindungsgemäßen niedrigeren Parameterwerten für die Relativgeschwindigkeit, wie insbesondere aus den Fig. 10, 11 und 12 hervorgeht. Insbesondere ist aus den in den Fig. 13 und 14 gezeigten Beispielen erkennbar, daß sich große Intermetallformationen wenigstens stellenweise in beträchtlicher Tiefe in das Muttermetall hineinerstrecken, und in einigen Fällen, insbesondere Flg. 14 b, ist die Intermetallformation hinreichend gewesen, um einen lokalen Sprödbruch (brittle fracture) zwischen den geschweißten Teilen zu ermöglichen, wie aus dem sehr dunklen Gebiet 55 hervorgeht.

Die Fig. 15 und 16 zeigen vergrößerte ungeätzte MikroStrukturansichten quer zur geschweißten Grenzfläche zwischen einem 18/8 rostfreien Stahlteil 60 und einem Teil 61 aus einer Zirkon 2,25 % Niob-Legierung, hergestellt mit einem Parameterwert der maximalen Relativgeschwindigkeit von 42 cm/sec bzw. I62 cm/sec. Flg. I5 ist in lOOOfacher und Fig. 16 in 500facher Vergrößerung dargestellt, beide Schnitte stammen aus einem ähnlichen radialen Abstand der Schweißverbindung. Auch hier ist wiederum ersichtlich, daß mit einem Wert des maximalen Relativgeschwindigkeitsparameters von 42 cm/sec innerhalb des erfindungsgemäßen Bereiches (Fig. 15) die mit 62 bezeichnete Intermetallformation bedeutend in der Tiefe (etwa 2Ai) kleiner und auf ein kleines Gebiet quer zur Grenzfläche beschränkt ist, als entgegengesetzt im Falle der Anwendung eines höheren Wertes von 162 cm/sec (Fig. 16), wo die Intermetallformation 62 ausgedehnt ist und eine Tiefe von 20 Λ» erreicht.

- 17 - ■

109836/0825

" ^X7 " ■ ; 2039273

Es ist davon auszugehen, daß die Erfindung in ähnlicher Weise für das Friktionssehweißen von rostfreien Stählen, Kohlenstoffstählen, legierten Stählen, hitzebeständigen Nickel-Chrom·* Legierungen wie "NiTnonics", Titan, Titanlegierungen, Zirkon, Zirkonlegierungen sowie ähnlichen Metallen und Legierungen verwendet werden kann.

Es wird darauf hingewiesen, daß sich die Intermetallformation vorzugsweise nicht in eine Tiefe von mehr als 10 Mikron über irgend ein bedeutendes Gebiet der Grenzfläche erstrecken sollte, falls eine ausreichende Verbindungsfestigkeit erzielt werden soll, vorzugsweise sollte die Tiefe über irgend ein großes Gebiet auf etwa 2 Mikron begrenzt sein. Eine mögliche Erklärung hierfür ist, daß bei einer hinreichend dünnen Intermetallschieht die natürliche Oberflächenrauhigkeit der verbundenen Teile zu Gebieten oder Räumen der Intermetallschieht führt, die eher unter Scherbeanspruchung (unter Last) zwischen Seitenflächen der rauhen Oberflächen der Teile stehen, als unter Zugbeanspruchung zwischen angrenzenden Flächen. Wie aus den Fig. 10 bis 14 ersichtlich ist, werden diese Kriterien der Intermetalldicke nur im erfindungsgemäßen Bereich des maximalen Relativgeschwindigkeitsparameters weltgehend erreicht.

Die Gründe für die Verringerung der Dicke der während des Schweißens bei den niedrigeren Werten des Parameters der maximalen Relativgeschwindigkeit gebildeten Intermetallverblndung sind noch nicht restlos geklärt worden, es wird aber angenommen, daß die Menge der ^geführten Wärme bei diesen niedrigen Geschwindigkeiten ausreichend ist, um die Grenzfläehentemperatur auf einen Wert unterhalb irgendeiner unbestimmten Schwelle herabzusetzen, oberhalb welcher die Intermetallverbindungsformation in einem unerwünschten Maße auftritt. Die niedrigen ßeschwindigkelten können auch die Art und Weise der Formänderung von einer laminaren Beschaffenheit, mit einem Grenzfilm aus Aluminium der ständig dem Stahl anhaftet, zu der Bedingung einer sich bewegenden

Λ ^; ■■■■■:■■'.; ; : ■ ^{: : :} : ^: - 18 -

109836/0825

Grenzschicht ändern, welche Aufbrechen und Abrieb der Intermetallverbindung etwa in einem Ausmaß wie sie gebildet wird hervorruft.

Innerhalb des erfindungsgemäßen Bereiches des Parameters der maximalen Relativgeschwindigkeit ist das entwickelte Drehmoment groß und die Scherkräfte sind vergleichbar mit der angewendeten axialen Scherbelastung, so daß eine größere Spülung (scavenging) dös Gebietes der Schweißgrenzfläche erhalten wird. Bei den bisher empfohlenen Werten des maximalen Relativgeschwindigkeitsparameters wird diese Bedingung nicht erreicht und es besteht dabei die Tendenz, daß eine relativ stillstehende Schicht in der Nähe des stärkeren Materials entwickelt wird. In der stillstehenden Schicht, wo keine grobe Spülung (gross scavenging) stattfindet, entwickelt sich die Intermetallzone zu solcher Dicke und Ausdehnung quer zur Grenzfläche, daß die Verbindungsfestigkeit schwer beeinträchtigt ist.

In frühen Stadien (bevor die Reibungsgrenzschicht voll entwickelt ist) tritt ein ruckweises Drehmoment auf. Um die Ubergangsdrehmomentbelastung der Schweißmaschine zu verringern sollte die axiale Anfangsbelastung klein sein. Mit anderen Worten, es ist ein längeres "Anschwellen" der Axiallast erforderlich. Im Falle von weichen Materialien wie die benutzte Leichtlegierung, ist bei großen Abmessungen die Ausbrennmenge natürlich sehr niedrig und folglich muß der "Anschwelldruck" auf Zeiträume in der Größenordnung von 10 see und darüber ausgedehnt werden. Für Abmessungen der Grenzfläche von größer als etwa 75 mm (dia.) kann das "Anschwellen" durch Anfasen eines der Schweißobjekte auf etwa 75 mm (dia.) unterstützt werden, was eine Verringerung der der Reibungsgrenzfläche dargebotenen Fläche in den früheren Stadien des vollen Schweißzyklus zur Folge hat.

Fig. 17 zeigt für einige typische Beispiele des Schweißens von Aluminiumlegierungen mit Stahl einige typische Kurven

- 19 109836/082S

" ¹⁹ " 203 9273

der Reibungsbelastung und der Schniiedebelastung aufgetragen über der Zeit, die von Kurven der Ausbrennstrecke, die über demselben Zeitraaßstab aufgetragen sind, überlagert werden· In jedem Fall ist eine Kurve in strichpunktierter Linie eingezeichnet, die einen Durchschnittswert aus einer gestrichelten oberen Linie für Maximalwerte und einer gestrichelten unteren Linie für Minimalwerte darstellt.

Vorzugsweise wird der Axialvorschub (d..h. die Ausbrennstrecke) der zu schweißenden Flächen in Abhängigkeit von der Zeit während des Schweißvorganges gesteuert, damit die mit der Reibungsbelastung dargestellten Kurven als Folge des Axialvorschubs erhalten werden. Alternativ ist es möglich die Anwendung der Reibungsbelastung so zu steuern, daß die mit dem Axialvorschub gezeigten Kurven als Folge der Anwendung der Reibungsbelastung erzielt werden. Es ist zu ersehen, daß in jedem in Fig. 17 dargestellten Fall die endgültige Ausbrennstrecke wenigstens 2,79 cm beträgt.

Die vorliegende Erfindung ist auch für durchmessergroße hohle Werkstücke, besonders für solche mit großer Wanddicke, anwendbar.

Ansprüche

1098 36/082 5

Claims

Ansprüche

1./Verfahren zum Friktionsschweißen zueinandergekehrter Flächen zweier aus verschiedenartigen Metallen bestehender Teile, bei welchem eine Relativrotation zwischen den beiden Flächen erzeugt wird, während in Richtung der Rotationsachse ein Druck zwischen den beiden Flächen ausgeübt wird, wobei der axiale Druck und die Rotation für eine bestimmte Zeitspanne aufrechterhalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Relativgeschwindigkeit zwischen den Flächen während der Rotation kleiner als βθ cm/sec ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Relativgeschwindigkeit zwischen 30 und 60 cm/sec beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden verschiedenartigen Metalle eine Aluminiumlegierung einerseits und ein Stahl andererseits sind.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Belastung maximal zwischen 27 und

58 t beträgt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Flächen nach der bestimmten Zeitspanne eine Schmiedebelastung ausgeübt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5* dadurch gekennzeichnet, daß die Schmiedebelastung wenigstens 63 t beträgt.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmte Zeitspanne einen Bereich von 135 bis I80 see umfaßt.

- 21 -

109836/0825

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnetj daß die Flächen anfänglich im rauhen Schnittzustand belassen werden, wobei die maximale Relativgeschwindigkeit zwischen 30 und 45 cm/sec beträgt.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen anfänglich eine feine Oberflächengüte aufweisen, wobei die maximale Relativgeschwindigkeit zwischen 36 und 58 cm/sec beträgt.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Belastung zwischen 52 und 58 t beträgt und die maximale Relativgeschwindigkeit unterhalb 37 cm/sec liegt.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7* dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Belastung zwischen 40 und 45 t beträgt und die maximale Relativgeschwindigkeit unterhalb 42 cm/sec liegt.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Belastung zwischen 30 und 35 t und die maximale Relativgeschwindigkeit zwischen 36. und 57 cm/sec beträgt»

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Belastung allmählich auf ihren maximalen Wert gebracht wird,

14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis I3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der axialen Belastung zu der Flache der herzustellenden Schweißverbindung Imwesentlichen zwischen 0,20 und 0,23 t/cnr liegt.

15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmiedebelastung im wesentlichen viermal so groß wie die axiale Belastung ist.

' ' '■ 1O9838/Ö02S ^{: :} ; /■

16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Schmiedebelastung zu der Fläche der herzustellenden Schweißverbindung im wesentliehen zwischen 0,81 und 0,91 t/cm liegt.

17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Relativverschiebung zwischen den beiden Teilen in Abhängigkeit von der Zeit während der bestimmten Zeitspanne gesteuert wird.

18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Belastung in ihrem Wert in Abhängigkeit von der Zeit während der bestimmten Zeitspanne gesteuert wird.

19· Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des weicheren der beiden Teile anfänglich durch Anfasung kleiner ausgeführt ist als die Fläche der beabsichtigten fertigen Schweißverbindung.

20. Mehrteiliges Werkstück, insbesondere Elektrodenanordnung für Aluminiumschmelzer, mit zwei fest miteinander verbundenen und aus verschiedenartigen Metallen gebildeten Teilen, insbesondere einem Stahlbolzen und einem Barren aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile durch eine Friktionsschweißung miteinander verbunden sind.

21. Mehrteiliges Werkstück nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Grenzfläche der Friktionsschweißung entstandenen Intermetallformationen eine für Relativgeschwindigkeiten zwischen den beiden Teilen während des Schweißvorganges von unterhalb 60 cm/sec typische geringe Dicke und Ausdehnung besitzen.

1 09838/0825

- 23 - 203 9273

22. Mehrteiliges Werkstück nach den Ansprüchen 20 und 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile hohl sind und bei großem Durchmesser eine große Wanddieke aufweisen.

1098 36/082 5

Leerseite