DE2131211A1

DE2131211A1 - Joint material - used when welding steel and aluminium

Info

Publication number: DE2131211A1
Application number: DE19712131211
Authority: DE
Inventors: Makoto Adachi; Nobuyoshi Baba; Hideo Nagata
Original assignee: Asahi Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Asahi Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 1971-06-23
Filing date: 1971-06-23
Publication date: 1973-06-20
Also published as: DE2131211B2

Abstract

The joint comprises a clad plate having layers of steel, titanium and aluminium which has been obtained by explosive welding. Pref. the steel is a carbon steel.

Description

B e s c h r e i bu n G zu der Patentanmeldung Verbindungsmaterial für Stahl und Aluminium Die vorliegende Erfindung betrifft Verbindungen bzw. Verbindungsmaterialien, die geeignet sind, das Verschweißen von Rohren, Stangen oder Platten aus Kohlenstoffstahl oder rostfreiem Stahl (die hier aus Gründen der Einfachheit als Stahl bezeichnet werden) mit Rohren, Stäben oder Platten aus Aluminium zu erleichtern.B e s c h r e i bu n G on the patent application connecting material for steel and aluminum The present invention relates to connections or connection materials, which are suitable for welding pipes, rods or plates made of carbon steel or stainless steel (referred to here as steel for the sake of simplicity be made easier with tubes, rods or plates made of aluminum.

Bisher ist es nicht möglich gewesen, Stahl und Aluminium durch übliche Schweißverfahren zu verschweißen. Ein Reibungsschweißverfahren und ein Schweißverfahren, bei dem gleichzeitig eine spezielle Legierungsbehandlung angewendet wird, ist für solche Zwecke angewandt worden. Bei diesen Verfahren liegen jedoch die Nachteile nicht nur in der Begrenzung hinsichtlich der Größe, sondern auch in der Festigkeit der verschazeißten Produkte und damit in der Empfindlichkeit gegenüber Hitze und Schlag.So far it has not been possible to use conventional steel and aluminum Welding process to weld. A friction welding process and a welding process, where a special alloy treatment is applied at the same time is for such purposes have been applied. However, there are disadvantages with these methods not only in terms of size, but also in terms of strength the messy products and thus in the sensitivity to heat and Blow.

Aus diesem Grunde sind verschiedene Verbesserungen versucht worden und erst kürzlich die Eigenschaften durch Explosivschweaßen beträchtlich verbessert worden. Mit anderen Worten wird eine Verbindung oder ein Verbindungsmaterial von Stahl und Aluminium, das durch ExplosivverschweiBen hergestellt wurde, zwischen dem zu verbindenden Stahl und das zu verbindende Aluminiummaterial gebracht und es befindet sich keine spröde Legierungsschicht an der Kontaoberflache zwischen Stahl und Aluminium, weil die Oberfläche durch den Explosivdruck festgehalten wird, wenn der Stahl und das Aluminium mit Aluminium verschweißt wird. Dementsprechend kann eine Verbindung, die fester gegenüber Außenkräften und auch gegenüber Hitze im Vergleich zu konventionellen Verfahren ist, erhalten werden.For this reason, various improvements have been attempted and recently the properties have been considerably improved by explosive welding been. In other words, a compound or a connecting material is used by Steel and aluminum, made by explosive welding, between brought the steel to be joined and the aluminum material to be joined and there is no brittle alloy layer on the contact surface between Steel and aluminum, because the surface is held in place by the explosive pressure, when the steel and aluminum are welded to aluminum. Accordingly can be a connection that is stronger against external forces and also against heat compared to conventional methods.

Sogar diese Verbindung verschlechtert sich und wird unbrauchbar wegen thermischer Belastung und Legierungsbildung, wenn sie weiteren scharfen Bedingungen untersorfen wird.Even this connection deteriorates and becomes unusable because of thermal stress and alloying when subjected to further severe conditions is subjugated.

Die Verbindungen zwischen verschiedenen Materialien, die beispielsweise zum Verbinden von Eisenelektroden für die Aluminiumelektrolyseellen und Aluminiumstromschienen verwendet werden, wären brauchbar, wenn sie während der Verfahrensdauer einer Temperatur von etwa 2000C widerstehen können. Es ist jedoch jetzt für sie gefordert worden, daß sie bei Temperaturen von etwa 300 - 350 C brauchbar sind aufgrund des neuerlichen Ansteigens der Verfahrensgeschwindigkeit und verschiedener anderer Faktoren, die vorgenommen wurden, um allgemein bekannten Ärger zu vermeiden.The connections between different materials, for example for connecting iron electrodes for the aluminum electrolysis cells and aluminum busbars would be useful if they were at a temperature during the process time can withstand around 2000C. But it has now been demanded for them that they are useful at temperatures of about 300-350 C due to the recent Increase in process speed and various other factors that were made to avoid common problems.

Da weiter die Eigenschaften der Verbindung sich plötzlich verschlechtern, wenn die Temperatur einer verschweißten Grenzoberfläche während der Schweißdauer einen bestimmten Wert überschreitet, muß das Schweißen unter ausreichender Uberwachung durchgeführt werden, damit die Temperatur dieses Teiles nicht über 4500C steigen kann.Further, as the properties of the compound suddenly deteriorate, when the temperature of a welded boundary surface during the welding time exceeds a certain value, the welding must be carried out under adequate supervision carried out so that the temperature of this part does not rise above 4500C can.

Die oben erwähnte Tatsache ist auch für den Fall der Verbindung anwendbar, wo diese aus rostfreiem Stahl und Aluminium besteht, die für Kessel für flüssigen Sauerstoff verwendet wird. In diesem Fall ist die Verschlechterung der Luftdichtigkeit an der Grenzoberfläche zwischen rostfreiem Stahl und Aluminium, die durch die Schweißhitze bedingt ist, das eigentliche Problem.The above fact is also applicable in the case of the connection where this is made of stainless steel and aluminum, which is used for boilers for liquid Oxygen is used. In this case, the airtightness deteriorates at the interface between stainless steel and aluminum caused by the heat of welding is conditional, the real problem.

Es wurden nun ausgedehnte Untersuchungen durchgeführt, um die oben erazRhnten Nachteile zu übenizinden mit dem Ergebnis, daß eine Verbindung gefunden wurde, die eine nicht so strenge überwachunq während der Schweißdauer verlangt und die viel höheren Arbeitstemperaturen ausgesetzt werden kann als die konventionelle und die im Hinblick auf die Luftdichtigkeit der Grenzfläche überlegen ist. Diese Verbindung ist ein plattiertes Metall, das erhalten wird, indem man Titan zwischen Stahl und Aluminium legt und sie durch Explosion verschweißt.Extensive research has now been conducted to find the above to experience identified disadvantages with the result that a connection was found which requires not so strict monitoring during the welding time and which can be exposed to much higher working temperatures than the conventional one and which is superior in the airtightness of the interface. These Compound is a clad metal obtained by interposing titanium Laying steel and aluminum and welding them together by explosion.

Der Grund, warum eine Widerstandsfähigkeit gegenüber höherer Temperatur erreicht werden kann, indem man Titan zwischen Stahl und Aluminium legt, ist nicht klar, aber es wird angenommen, daß sogar wenn eine Diffusion der Komponenten durch Hitze erfolgt, die Bindungskräfte zwischen Stahl und Titan und zwischen Titan und Aluminium nicht geschwächt werden.The reason why a resistance to higher temperature can be achieved by placing titanium between steel and aluminum is not clear, but it is believed that even if there is diffusion of the components through it Heat takes place that Binding forces between steel and titanium and between Titanium and aluminum are not weakened.

Die Verbindung (oder das Verbindungsmaterial), das aus Stahl, Titan und Aluminium gemäß der vorliegenden Erfindung besteht, verlangt nicht so eine genaue und sorgfältige Beobachtung während der Verwendungsdauer, wie es für konventionelle Verbindungen erforderlich ist. Da sie darüber hinaus einer so hohen Temperatur widersteht, wie es im Falle von konventionellen Verbindungen unüblich war, dient sie nicht nur dazu, die Produktivität zu erhöhen, sondern auch zur Vermeidung des allgemein in der Aluminiumreinigungsindustrie bekannten Ärgers.The connection (or the connecting material) made of steel, titanium and aluminum according to the present invention does not require such a precise one and careful observation during the period of use, as it is for conventional ones Connections is required. Moreover, since it can withstand such a high temperature, as was unusual in the case of conventional connections, it not only serves to increase productivity, but also to avoid the general in familiar annoyance to the aluminum cleaning industry.

Wie oben erwähnt, umfassen die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Stähle nicht nur Kohlenstoffstahl, sondern auch rostfreien Stahl. Was Aluminium anbetrifft, so umfaßt dieses nicht nur Reinaluminium, sondern auch Aluminiumlegierungen, die kein Magnesium enthalten.As mentioned above, those used in accordance with the present invention include Steels not only carbon steel, but also stainless steel. What aluminum is concerned, this includes not only pure aluminum, but also aluminum alloys, which do not contain magnesium.

Da weiter die vorliegende Erfindung auf Verbindungen gerichtet ist, die aus Stahl, Titan und Aluminium bestehen und die dadurch gekennzeichnet sind, daß sie durch Explosion verschweißt werden, ist es nicht immer notwendig, daß sie aus 3 Schichten von Stahl/ Titan/Aluminium aufgebaut sind.Further, since the present invention is directed to compounds which are made of steel, titanium and aluminum and which are characterized by that they are welded by explosion, it is not always necessary that they are made up of 3 layers of steel / titanium / aluminum.

Es ist beispielsweise auch möglich, mit ihnen eine 5-Schichten-Plattierung herzustellen, wie eine Kohlenstoffstahl/rostfreien Stahl/Titan/Reinaluminium/korrosionsstabiles Aluminium-Plattierung.It is also possible, for example, to have a 5-layer plating with them manufacture as a carbon steel / stainless steel / titanium / pure aluminum / corrosion-resistant Aluminum plating.

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.The following examples illustrate the invention.

Beispiel 1 Nachdem eine Titanplatte (JIS, H 4600 :TP28) mit einer Stärke von 2 mm mit einer Kohlenstoffstahlplatte (JIS, G3101 : ES41) mit einer Stärke von 15 mm durch übliches Explosivschweißen verbunden worden war, wurde eine Aluminiumplatte (JIS, H4101 : A1P1 - 1/2 H) mit einer Stärke von 5 mm ebenfalls durch Explosivschweißen verbunden, um eine 3-schichtigc plattierte Platte zu erhalten, die aus Kohlenstoffstahl, Titan und Aluminium mit einer Gesamtstärke von 22 mm, einer Breite von 400 mm und einer Länge von 900 mm besteht. Durch Ausschneiden von quadratischen Platten mit einer Breite und Länge von jeweils 50 mm aus einer plattierten Platte wurde eine Verbindung (oder ein Verbindungsmaterial) hergestellt. Auf der Stahlseitenoberfläche dieser Verbindung wurde - etwa in der Mitte - im rechten Winkel zu seinem einen Ende ein Kohlenstoffstahlstab (JIS, G3101 : SS41) mit einem quadratischen Querschnitt von 30 rnm und einer Länge von 200 mm, der mit der Oberfläche in Kontakt war, fixiert und das Verschweißen mit einem üblichen Elektroschweißverfahren in ausreichendem Maße durchgeführt. Dann wurde auf der Aluminiumseitenoberfläche - etwa in der Mitte - ein Aluminiumstab (JIS, H4161 : A1B1-F) mit einem quadratischen Ouerschnitt von 30 mm und einer Länge von 200 mm im rechten Winkel zu seinem einen Ende, das mit der Oberfläche in Kontakt war, fixiert und das Verschweißen mit einem üblichen Argon-Lichtbogenschwei ßverfaliren in ausreichendem llaBe durch führt.Example 1 After a titanium plate (JIS, H 4600: TP28) with a Thickness of 2mm with a carbon steel plate (JIS, G3101: ES41) with a thickness of 15 mm was joined by ordinary explosive welding, an aluminum plate was made (JIS, H4101: A1P1 - 1/2 H) with a thickness of 5 mm also by explosive welding connected to obtain a 3-layer clad plate made of carbon steel, Titanium and aluminum with a total thickness of 22 mm, a width of 400 mm and a length of 900 mm. By cutting out square panels with each 50 mm wide and 50 mm long from a clad plate became a Connection (or a connection material) established. On the steel side surface this connection became - roughly in the middle - at right angles to his one End a carbon steel rod (JIS, G3101: SS41) with a square cross section of 30 µm and a length of 200 mm, which was in contact with the surface and welding with an ordinary electric welding method in sufficient Dimensions carried out. Then it was on the aluminum side surface - roughly in the middle - an aluminum rod (JIS, H4161: A1B1-F) with a square cross-section of 30 mm and a length of 200 mm at right angles to one of its ends, the one with the surface was in contact, fixed and the welding with a conventional argon arc welding ßverfaliren in sufficient time.

Durch diese Verschweißung stieg die Temperatur der Verbindungel an und erreichte 5000C. Aber die Grenzfläche, die durch Explosivschweißen verschweißt worden war, zeigte kein Ablösen und blieb intakt Wenn diese Verbindung weiter gänzlich bei 5000C 4 Stunden beibehalten wurde, gekühlt wurde und anschließend eine Zugbelastung in Axialrichtung des Stabes an ihr angelegt wurde, beach der gesdiweißte Teil des Aluminlumstabes und die Verbindung ab, aber es ergab sich keine Veränderunq in der Verbindung selbst, wodurch die Überlegenheit der Festigkeit der Verbindung unter Beweis gestellt wird.As a result of this welding, the temperature of the connection rose at and reached 5000C. But the interface that welds by explosive welding had been, showed no peeling and remained intact when this connection continued throughout was maintained at 5000C for 4 hours, was cooled and then a tensile load was applied to it in the axial direction of the rod, note the welded part of the Aluminum rod and the connection, but there was no change in the Connection itself, reducing the superiority of the strength of the connection below Is proven.

Danach wurde ein Meißel an die Grenzoberfläche der Verbindung zwischen Titan und Aluminium angesetzt, um die Schichten mit Gewalt zu entfernen; es zeigte sich jedoch kein Anzeichen von Loslösen von der Grenzoberfläche mit der Ausnahme, daß lediglich Aluminium teilweise abgerissen wurde.Thereafter, a chisel was attached to the interface between the joint Titanium and aluminum set in order to forcibly remove the layers; It showed however, there is no sign of detachment from the boundary surface with the exception of that only aluminum was partially demolished.

Die Grenzfläche zwischen Stahl und Titan wurde dem gleichen Test unterworfen, jedoch eine große Widerstandsfähigkeit gegenüber lloslösen auch in diesem Fall festgestellt.The interface between steel and titanium was subjected to the same test, however, a great resistance to loosening was also found in this case.

Zum Vergleich wurde andererseits eine Verbindung, 50 mm im Quadrat, aus einer plattierten Platte ausgeschnitten, die durch Verbindung einer Aluminiumplatte mit einer Stärke von 5 mm (JIS, H4101 AlB1 A1B1 - 1/2 II) mit einer Kohlenstoffplatte mit einer Stärke von 17 mm (JIS, G3101 : SS41) durch. übliches Explosivschweißen erhalten worden war, und ein Stahlstab und ein Aluminiumstab vurclen ebenfalls wie im vorhergehenden Fall unter Verwenc1ung dieser Verb in dung verschweißt.For comparison, on the other hand, a connection, 50 mm square, cut out from a clad plate, joined by joining an aluminum plate with a thickness of 5 mm (JIS, H4101 AlB1 A1B1 - 1/2 II) with a carbon plate with a thickness of 17 mm (JIS, G3101: SS41). usual explosive welding had been obtained, and a steel rod and an aluminum rod also vurclen as welded in the previous case using this connection.

Beim Verschweißen stieg die Temperatur der Verbindung an und erreichte 5000C; ein Loslösen wurde jedoch an einem Teil der Grenzfläche, die durch Explosivschweißen verschweißt worden war, festgestellt.When welding, the temperature of the joint rose and reached 5000C; however, a detachment was made at part of the interface caused by explosive welding had been welded.

Wenn diese ganze Verbindung 1 Stunde bei 5000C beibehalten, anschliePend gekühlt und eine Zugbelastung in Axialrichtung des Stabes angelegt wurde, wurde ein Loslösen an der durch Explosion verschweißten Grenzfläche festgestellt, sogar wenn fast keine Belastung angelegt wurden.If this whole connection is kept for 1 hour at 5000C, then cooled and a tensile load was applied in the axial direction of the rod detachment was found at the interface welded by the explosion, even when almost no load was applied.

Beispiel 2 Eine Titanplatte (JIS, H4600 : TP 28) mit einer Stärke von 2 mm wurde mit einer rostfreien Stahlplatte (JIS, G4304 : SUS27) mit einer Stärke von 12 mm durch eine übliche Explosivschweinmethode verbunden und anschließend eine Aluminiumplatte (JIS, 114101 : A1P1 - 1/2 lI) mit einer Stärke von 5 mm ebenfalls durch ExplosivschweiP.en mit der Titanoberfläche verbunden, um eine 3-schichtige plattierte Platte, die aus rostfreiem Stahl, Titan und Aluminium mit einer Gesamtstärke von 19 mm, einer Breite von 500 mm und einer Länge von 900 mm besteht, zu erhalten.Example 2 A titanium plate (JIS, H4600: TP 28) with a thickness of 2 mm was fitted with a stainless steel plate (JIS, G4304: SUS27) with a thickness of 12 mm connected by a conventional explosive pig method and then a Aluminum plate (JIS, 114101: A1P1 - 1/2 lI) with a thickness of 5 mm also Connected to the titanium surface by explosive welding to create a 3-layer clad plate made of stainless steel, titanium and aluminum with an overall thickness of 19 mm, a width of 500 mm and a length of 900 mm.

Aus dieser plattierten Platte wurde ein Ring mit einem äußeren Durchmesser von 43 mm, einer Stärke von 5 mm und einer Höhe von 19 mm ausgeschnitten, um eine Rohrverbindung zu erhalten.This plated plate became a ring with an outer diameter of 43 mm, a thickness of 5 mm and a height of 19 mm cut out to a To obtain pipe connection.

Mit der Stahlseite dieser Verbindung wurde ein rostfreier Stahl (JIS, G3459 :SUS27TP) mit einem nominalen Durchmesser von 32 mm, einer Stärke von 80 mm, einer Länge von 200 mm Oberfläche auf Oberfläche gebracht und ausreichend durch Stumpfschweißen nach einem üblichen elektrischen Schweißverfahren verbunden. Dann wurde ein Aluminiumrohr (JIS, H4141 : A1T1-II) mit einem äußeren Durchmesser von 40 mm, einer Stärke von 3,5 mm und einer Länge von 200 mm Oberflache auf Oberfläche auf die Aluminiumseite diese Verbindung gebracht und in ausreichendem Maße nach einem üblichen Argon-Schweißverfahren verschweißt.A stainless steel (JIS, G3459: SUS27TP) with a nominal diameter of 32 mm, a thickness of 80 mm, a length of 200 mm surface Surface brought and sufficient connected by butt welding by a conventional electric welding process. Then, an aluminum pipe (JIS, H4141: A1T1-II) having an outer diameter was made of 40 mm, a thickness of 3.5 mm and a length of 200 mm surface on surface brought this connection to the aluminum side and to a sufficient extent according to welded using a conventional argon welding process.

Durch ein solches Verschweißen stieg die Temperatur der Verbindung und erreichte 5500C; die Grenzfläche, die- durch- Explosivschweißen verbunden worden war, zeigte kein Loslösen und blieb stabil.Such welding increased the temperature of the joint and reached 5500C; the interface joined by explosive welding was, showed no detachment and remained stable.

Nach dem Verschweißen einer rostfreien Stahlplatte und einer Aluminiumplatte, die jeweils an den Öffnungen der Enden sowohl des rostfreien Stahlrohres als auch des Aluminiumrohres zu einer Verbindung verschweißt worden waren, und nach Beendigung des Abdichtens, wurde in eine rostfreie Platte ein kleines Loch gebohrt und der Luftdichtigkeitstest durchgeführt, indem mit einer Vakuumpumpe evakuiert wurde. Es wurde überhaupt kein iieck festgestellt und die Überlegenheit der Luftdichtigkeit damit unter Beweis gestellt.After welding a stainless steel plate and an aluminum plate, each at the openings of the ends of both the stainless steel pipe and of the aluminum pipe had been welded to form a joint, and after completion of sealing, a small hole was drilled in a stainless plate and the Airtightness test carried out by evacuating with a vacuum pump. No corner was found at all and the superiority of airtightness thus proven.

Wenn eine Zugbelastung in Axialrichtung dieses Rohres angelegt wurde, erfolgte ein Abbrechen am verschweißten Teil zwischen dem Aluminiumrohr und der Verbindung; die Verbindung selbst zeigte jedoch überhaupt kein Anzeichen von Veränderung. Die Uberleqenheit der Festigkeit wurde damit unter Beweis gestellt.If a tensile load was applied in the axial direction of this pipe, there was a break at the welded part between the aluminum tube and the Link; however, the compound itself showed no sign of change at all. The superiority of the strength was thus demonstrated.

Andererseits wurde zum Vergleich eine Rohrverbindung der gleichen oben erwähnten Größe aus einer plattierten Platte ausgeschnitten, die durch Explosivschweißen einer rostfreien Stahlplatte (JIS, G4304 : Sud27) mit einer Stärke von 14 mm mit einer Aluminiumplatte (JIS, H4101 : A1P1 - 1/2 H) mit einer Stärke von 5 mm nach einem üblichen Verfahren erhalten worden war, und ebenfalls ein rostfreiss Stahlrohr und ein Aluminiumrohr wie im oben erwähnten Fall verschweißt. Die Temperatur der Verbindung erreichte 5500C; es wurde jedoch keine sichtbare Veränderung auf der durch Explosivschweißen verschweißten Oberfläche festgestellt. Wenn ein ahnlicher Luftdichtigkeitstest durchgeführt wurde, wurde ein schwaches Leck beobachtet Wenn weiter eine Zugbelastung wie im oben erwähnten Fall angelegt wurde, erfolgt die Loslösung von der verbundenen Grenzoberfläche zwischen dem Aluminium und dem rostfreien Stahl bei fast keiner Belastung.On the other hand, a pipe joint became the same for comparison Above mentioned size cut out of a clad plate by explosive welding a stainless steel plate (JIS, G4304: Sud27) with a thickness of 14 mm with an aluminum plate (JIS, H4101: A1P1 - 1/2 H) with a thickness of 5 mm a conventional method, and also a stainless steel pipe and welded an aluminum pipe as in the above-mentioned case. The temperature of the Compound reached 5500C; however there was no visible change on the surface welded by explosive welding. If a similar one Airtightness test was carried out, a slight leak was observed when further a tensile load as was applied in the above-mentioned case, the Detachment from the bonded interface between the aluminum and the stainless Steel with almost no load.

Claims

1. Connection for joining steel and aluminum, characterized in that that they consist of a clad plate obtained by explosive welding with layers made of steel, titanium and aluminum.

2. A compound according to claim 1, characterized in that the steel is a carbon steel.

3. A compound according to claim 1, characterized in that the steel stainless steel is.

4. A compound according to claim 1, characterized in that the steel consists of layers of two different types of steel and / or steel alloy.

5. A compound according to claim 1, characterized in that the aluminum Is pure aluminum.

6. A compound according to claim 1, characterized in that the aluminum is an aluminum compound that does not contain magnesium.

7. A compound according to claim 1, characterized in that the aluminum made of layers of two different types of aluminum and / or aluminum alloy types consists.