DE3635981A1 - Verfahren zum verbinden einer metall-schichtplatte durch explosions-plattieren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Her­ stellung von durch Explosions-Plattieren verbundenen Metall- Schichtplatten, aus denen Stäbe geschnitten werden können, um Übergangs-Verbindungsstücke für Konstruktionen zu erhalten, die für das Verbinden von Metall-Konstruktionsteilen durch Schmelzschweißen geeignet sind. Solche Verbindungsstücke wer­ den vorteilhafterweise verwendet, um z.B. leichte Schiffsauf­ bauten aus Aluminiumlegierung mit Stahl-Schiffsrümpfen zu verbinden, wo ein Schmelzschweißen wegen des großen Schmelz­ punktsunterschiedes zwischen dem Stahl und der Aluminiumle­ gierung nicht durchführbar ist. Das Übergangs-Verbindungs­ stück weist in diesem Fall eine Außenschicht aus Stahl, die durch Schmelzschweißen leicht mit dem Stahl-Schiffsrumpf ver­ bunden werden kann, und eine Außenschicht aus Aluminiumlegie­ rung auf, die in gleicher Weise mit dem Schiffsaufbau ver­ schweißbar ist.

Bei der aus der US-PS 35 83 062 bekannten Herstellung von Aluminium/Stahl-Übergangs-Verbindungsstücken für das Verbin­ den von Aluminium mit Kohlenstoffstahl und niedriglegierten Stählen, die weniger als 5 Masse% Legierungsbestandteile ent­ halten, werden mindestens eine Schicht aus Aluminium oder ei­ ner Aluminiumlegierung und eine Schicht aus Stahl durch Vor­ wärtstreiben mittels einer Sprengstoffschicht, die an die äu­ ßere Oberfläche von einer der Schichten angrenzend angeordnet ist und mit einer Geschwindigkeit von 2500 bis 3400 m/s deto­ niert, zusammengebracht. Um eine gewünschte wellenförmige Verbindung zwischen den Schichten zu erzielen, werden die Detonationsgeschwindigkeit des Sprengstoffs und die anfängli­ chen Abstände zwischen den Schichten so gewählt, daß ein optimaler Stoßwinkel erhalten wird, der für Aluminium, das gegen Stahl getrieben wird, 14 bis 25° beträgt. Dies bedeutet in der Praxis, daß eine Aluminiumschicht, die gegen eine Stahloberfläche getrieben wird, mit einem anfänglichen Ab­ stand angeordnet wird, der 1 bis 6mal so groß wie die Dicke der getriebenen Schicht ist und im allgemeinen 30 bis 60 mm beträgt.

Bei der technischen Durchführung des bekannten Verfahrens zur Herstellung von Stahl/Aluminiumlegierung-Verbundstoffen wird zwischen der gewählten Aluminiumlegierung und dem Stahl übli­ cherweise eine Zwischenschicht aus im wesentlichen reinem Aluminium bereitgestellt, weil es wegen der nachteiligen Wir­ kung von Metallen wie z.B. Magnesium, das normalerweise in der Aluminiumverbindung vorhanden ist, schwierig ist, bestän­ dig ein direktes Verbinden der Legierung mit Stahl zu erzie­ len. Solche Dreischichten-Verbundstoffe können hergestellt werden, indem die zwei Grenzflächen durch zwei getrennte Ex­ plosionen verbunden werden; es ist jedoch üblicher, die bei­ den Grenzflächen in einer einzigen Stufe mit nur einer Sprengladung, die die aluminiumhaltigen Schichten bei der De­ tonation in Richtung auf den Stahl treibt, zu verbinden. Bei diesem bevorzugten Einstufen-Verbindungs- bzw. -Plattierver­ fahren wird die aus reinem Aluminium bestehende Zwischen­ schicht anfänglich in dem empfohlenen Abstand von 30 mm bis 60 mm parallel zu einer Stahl-Grundplatte angeordnet, und die Schicht aus der Aluminiumlegierung wird - wieder in einem be­ trächtlichen, jedoch kleineren Abstand, der 3 mm bis 6 mm beträgt - parallel zu der Zwischenschicht angeordnet. Die Stahl-Grundplatte wird auf den Boden oder auf einen Stahlam­ boß gelegt, und über die äußere Oberfläche der Schicht aus der Aluminiumlegierung wird eine Sprengstoffschicht aus einem Sprengstoff mit einer Detonationsgeschwindigkeit von 2500 bis 3400 m/s in einer Ladungsmenge von etwa 5 bis 10 g/cm² ge­ bracht. Beim Detonieren des Sprengstoffs wird die Schicht aus der Aluminiumlegierung fortschreitend gegen die aus reinem Aluminium bestehende Zwischenschicht verformt, wobei eine er­ ste Stoßfront erzeugt wird, die die Oberfläche der Zwischen­ schicht mit der Detonationsgeschwindigkeit des Sprengstoffs überquert. Auf diese Weise wird zwischen der Aluminiumlegie­ rung und der Zwischenschicht eine erste Verbindung gebildet. Weil die Zwischenschicht im wesentlichen freitragend 30 bis 60 mm oberhalb der Stahl-Grundplatte angeordnet ist, wird auch die Zwischenschicht fortschreitend verformt, so daß zwi­ schen der Zwischenschicht und dem Stahl eine weitere Stoß­ front erzeugt wird, wodurch die Zwischenschicht mit der Stahlschicht verbunden wird. Obwohl die drei Schichten durch eine einzige Explosion verbunden werden, finden jedoch tat­ sächlich zwei aufeinanderfolgende Verbindungsvorgänge statt, die durch einen zeitlichen Abstand von einigen Mikrosekunden getrennt sind. Weil die zwei Verbindungen aufeinanderfolgend und getrennt erzeugt werden, werden der Dicke der Schicht aus der Aluminiumlegierung und der Dicke der aus reinem Aluminium bestehenden Zwischenschicht durch die Verbindungsparameter für die Erzielung der ersten Verbindung zwischen der Alumini­ umlegierung und der aus reinem Aluminium bestehenden Zwi­ schenschicht Größenbeschränkungen auferlegt. Für die Erzie­ lung einer Verbindung muß ein Grenzflächen-Stoßdruck vorhan­ den sein, der die Fließgrenze der Bestandteile um einen be­ trächtlichen Betrag überschreitet. Dieser Stoßdruck ist hauptsächlich eine Funktion des Impulses der getriebenen Schicht. Entsprechend sind die Masse und die Geschwindigkeit der Schicht aus der Aluminiumlegierung die wichtigen Einfluß­ größen. Eine zweite Einflußgröße, die den Stoßdruck beein­ flußt, ist die Trägheit der ruhenden Zwischenschicht, die von der Masse der Zwischenschicht und ihres Trägerelements ab­ hängt. Weil die Zwischenschicht freitragend etwa 30 bis 60 mm oberhalb der Oberfläche der Stahlschicht angeordnet ist, muß die Masse und folglich die Dicke der Zwischenschicht in bezug auf die Schicht aus der Aluminiumlegierung beträchtlich sein, um zu gewährleisten, daß der Stoßdruck zum Verbinden aus­ reicht. In der Praxis ist die Zwischenschicht etwa zweimal so dick wie die Außenschicht aus der Aluminiumlegierung. Dieses Erfordernis einer im Vergleich zu der Außenschicht aus der Aluminiumlegierung relativ dicken Zwischenschicht bedeutet, (a) daß die Übergangs-Verbindungsstücke wegen der unverhält­ nismäßig großen Dicke der weniger festen Aluminium-Zwischen­ schicht eine Festigkeit haben, die unter der optimalen Fe­ stigkeit liegt, und (b) daß für das Schmelzschweißen eine mi­ nimale Menge der festeren Schicht aus der Aluminiumlegierung verfügbar ist, was bei nachfolgenden Fertigungsvorgängen, wo ein Ausfließen von geschmolzenem reinem Aluminium in eine zu­ sammengeschweißte bzw. schmelzflüssige Verbindungsstelle die Ganzheit bzw. den Zusammenhalt der Verbindungsstelle beein­ trächtigen kann, zu Schwierigkeiten führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Einstufenverfahren zur Herstellung von metallurgisch verbun­ denen Metall-Schichtplatten bereitzustellen, durch das eine Metall-Grundschicht, eine Metall-Außenschicht, die eine ande­ re Zusammensetzung als die Grundschicht hat, und eine Metall- Zwischenschicht, die eine andere Zusammensetzung als die Grundschicht und die Außenschicht hat, in zufriedenstellen­ der Weise verbunden werden können, um festere Übergangs-Ver­ bindungsstücke für Konstruktionen zu erhalten.

Die Erfinder haben festgestellt, daß eine solche Schichtplat­ te bzw. Verbundplatte vorteilhafterweise mit einer sehr dün­ nen Metall-Zwischenschicht und einer relativ dicken Außen­ schicht hergestellt werden kann, wenn die dünne Zwischen­ schicht anfänglich in einem sehr kleinen Abstand von der Grundschicht angeordnet wird, wobei die Außenschicht dann in einem geeigneten größeren Abstand von der Zwischenschicht angeordnet wird, wie er benötigt wird, um den für das Verbin­ den erforderlichen Stoßwinkel zu erhalten. Es kann erforder­ lich sein, die Grundschicht auf einen Amboß zu legen, bei dem es sich um den Boden handeln kann, damit gewährleistet ist, daß die zusammengefaßte Masse der Grundschicht und des Ambos­ ses ausreicht, um die für das Verbinden erforderliche Träg­ heit zu liefern. Die Sprengstoffschicht wird wie bei dem be­ kannten Verfahren auf die äußere Oberfläche der Außenschicht gebracht, und die Außenschicht wird beim Detonieren des Sprengstoffs verformt und stößt fortschreitend mit der Zwi­ schenschicht zusammen. Wegen der jeweiligen Anteile der Au­ ßenschicht und der Zwischenschicht ist der Impuls der Außen­ schicht entsprechend groß, und die niedrige Masse der dünnen Zwischenschicht liefert eine geringe Trägheit mit einer ge­ ringen Behinderung der Vorwärtsbewegung der Außenschicht. Als Ergebnis ist ein Stoßdruck vorhanden, der für ein Verschwei­ ßen der zwei Schichten bei ihrem anfänglichen Zusammenstoß nicht ausreicht.

Die Zwischenschicht wird beim Auftreffen der Außenschicht fortschreitend verformt und nimmt einen Winkel an, der mit dem Winkel der verformten Außenschicht übereinstimmt. Wegen des geringen Grenzflächen-Abstands zwischen der Zwischen­ schicht und der Grundschicht wird nun fast sofort nach dem Eintreten des ersten Zusammenstoßes zwischen der Außenschicht und der Zwischenschicht eine zweite Stoßfront zwischen der Zwischenschicht und der Grundschicht erzeugt. Infolgedessen schreiten die zwei Stoßfronten im wesentlichen gleichzeitig quer über die Fläche der Schichten fort, wobei die erste Stoßfront fast über der zweiten Stoßfront liegt. Wegen der beträchtlichen Masse und der hohen Trägheit der Grundschicht wird nun an beiden Stoßfronten ein beträchtlicher Stoßdruck erzeugt, so daß an beiden Grenzflächen gleichzeitig eine Schweißstelle gebildet wird. Ein bemerkenswertes Ergebnis dieses Vorgangs besteht darin, daß die Wellenlänge an jeder Grenzfläche dieselbe ist, wobei die Wellen synchron bzw. gleichlaufend sind, während bei dem früheren Verfahren die Wellen nicht synchron waren und die Wellenlänge an der Grundschicht/Zwischenschicht-Grenzfläche länger war als die Wellenlänge an der Zwischenschicht/Außenschicht-Grenzfläche.

Offensichtlich ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft, die Dicke der Zwischenschicht auf ein Minimum herabzusetzen, um ihre Masse und ihre Trägheit zu vermindern. Auf diese Weise wird ein Verschweißen der Zwischenschicht und der Außenschicht beim anfänglichen Zusammenstoß wirksam ver­ hindert, und die Behinderung und die Verminderung der Ge­ schwindigkeit der Außenschicht sind bei diesem anfänglichen Zusammenstoß minimal. Dies steht in direktem Gegensatz zu der früheren Verfahrensweise, bei der eine größere Dicke der Zwischenschicht erforderlich war, um die notwendige Masse und Trägheit für die Erzielung eines Stoßdruckes bereitzustellen, der ausreicht, um beim Zusammenstoß der Außenschicht und der Zwischenschicht sofort eine Schweißstelle zu erzeugen. Folg­ lich bestehen die wesentlichen Unterschiede zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem früheren Verfahren darin, daß bei dem früheren Verfahren unter Verwendung einer Außen­ schicht, die im allgemeinen wesentlich dünner war als die Zwischenschicht, unabhängig voneinander und aufeinanderfol­ gend zwei Schweißstellen gebildet wurden, während die zwei Schweißstellen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Ver­ wendung einer dünnen Zwischenschicht und einer viel dickeren Außenschicht gleichzeitig gebildet werden. Das erfindungsge­ mäße Verfahren liefert eine festere Verbindung und festere Übergangs-Verbindungsstücke.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den weiteren wichtigen praktischen Vorteil, daß es das Auftreten einer auf Oberflä­ chenwellungen oder Unebenheiten der Metallschichten zurück­ zuführenden mangelhaften Verbindung vermindert. Bei dem frü­ heren Verfahren sind solche Unebenheiten an der Grenzfläche zwischen der Zwischenschicht und der Außenschicht besonders schwerwiegend, wo die Veränderungen des Abstands einen bedeu­ tenden Anteil des Sollabstands ausmachen können, weil der Abstand relativ klein ist. Als Ergebnis ist die Stoßfront un­ ter den dynamischen Verhältnissen nicht mehr gleichförmig, sondern wird unterhalb des Bereichs mit höherem Abstand auf Grund des längeren Zeitraums, der benötigt wird, um vor dem Zusammenstoß die größere Strecke zurückzulegen, verlangsamt. Wenn dieser Zeitraum zu sehr verlängert wird, treten Verhält­ nisse auf, unter denen die Stoßfront an beiden Seiten in ei­ ner gewissen Entfernung vor dem Bereich mit höherem Abstand einen Bereich mit geringerem Abstand erreichen kann, wobei der Bereich mit höherem Abstand umschlossen werden kann, wo­ durch unterhalb eines Bereichs mit höherem Abstand eine Luft­ blase eingeschlossen wird. Auch andere Einflußgrößen können das Problem verschlimmern, beispielsweise eine starrere Ab­ standshaltereinrichtung des Trägerelements, die anfänglich verwendet wird, um für den Abstand zu sorgen, und zwar in dem Fall, daß sie innerhalb des Bereichs mit höherem Abstand liegt. Wenn dieses Einschließen einer Luftblase geschieht, tritt eine adiabatische Verdichtung auf, die die Temperatur des Lufteinschlusses auf einen Wert erhöht, bei dem das umge­ bende Metall geschmolzen wird, so daß die Luft durch das ge­ schmolzene Metall in der Außenschicht hindurch entweichen kann. Dies kommt oft vor, wenn die Außenschicht eine dünne Schicht aus einer Aluminiumlegierung ist, und wird im allge­ meinen als "Ausbläser" bezeichnet. Da bei dem erfindungsgemä­ ßen Verfahren der Abstand zwischen der Zwischenschicht und der Außenschicht größer ist und die Außenschicht wesentlich dicker und starrer bzw. steifer ist, sind folglich auf Un­ ebenheiten zurückzuführende Veränderungen des Abstands viel weniger häufig, können leichter eingeschränkt werden und ru­ fen weniger leicht ein Einschließen von Luft hervor. Selbst in dem Fall, daß Luft eingeschlossen wird, ist es unwahr­ scheinlich, daß die Temperatur der eingeschlossenen Luft auf einen Wert ansteigt, bei dem die volle Dicke der Außenschicht geschmolzen wird, um das Auftreten eines "Ausbläsers" zuzu­ lassen. Die normalen Unebenheiten der dünneren Zwischen­ schicht sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht von Bedeutung, weil erzwungen wird, daß sich die Oberflächenge­ stalt der Zwischenschicht an die Oberflächengestalt der dik­ keren Außenschicht anpaßt. Es ist infolgedessen nur erforder­ lich, die Ebenheit innerhalb vorgeschriebener Größen zu hal­ ten, die gewährleisten, daß die Abstände innerhalb der vorge­ schriebenen Grenzen bleiben. Die Stoßfront an der Grund­ schicht/Zwischenschicht-Grenzfläche ist infolgedessen so gleichförmig wie an der anderen Grenzfläche.

Erfindungsgemäß hat bei einem Verfahren zum metallurgischen Verbinden einer Metall-Schichtplatte aus einer Metall- Grundschicht, einer Metall-Außenschicht und einer Metall- Zwischenschicht, wobei die erwähnten Schichten verschiedene Zusammensetzungen haben und die Außenschicht und die Zwi­ schenschicht eine Dehnung von mindestens 15% zeigen, durch Explosionsplattieren, bei dem die erwähnten Schichten anfäng­ lich im wesentlichen parallel zueinander und getrennt vonein­ ander angeordnet werden, wobei die Grundschicht, die gegebe­ nenfalls auf einem Amboß aufliegt, eine derartige Masse hat, daß die zusammengefaßte Masse der Grundschicht und des Ambos­ ses (wenn dieser vorhanden ist) mindestens das 4fache der zu­ sammengefaßten Masse der Außenschicht und der Zwischenschicht beträgt, und an die äußere Oberfläche der Außenschicht an­ grenzend eine Sprengstoffschicht aus einem Sprengstoff mit einer Detonationsgeschwindigkeit von 1500 bis 3500 m/s ange­ ordnet und zur Detonation gebracht wird, wodurch zwischen den erwähnten Schichten fortschreitende Stoßfronten erzeugt wer­ den, die mit der Detonationsgeschwindigkeit wandern, die Zwi­ schenschicht eine Dicke von 0,25 bis 4 mm und wird anfänglich in einem Abstand von der Grundschicht, der 6 mm nicht über­ schreitet und nicht mehr als das 8fache der Dicke der Zwi­ schenschicht beträgt, angeordnet, und hat die Außenschicht eine Masse, die mindestens zweimal so groß ist wie die Masse der Zwischenschicht, und ist anfänglich von der Zwischen­ schicht durch einen Abstand getrennt, der das 0,5- bis 10fa­ che der Dicke der Außenschicht beträgt und mindestens dreimal so groß ist wie der Abstand zwischen der Grundschicht und der Zwischenschicht.

Zu den Metallen in den Metallschichten können geeigneterweise Aluminium und Aluminiumlegierungen, Stahl, Titan und/oder Silber gehören.

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft für die Herstellung von Schichtplatten bzw. -blechen für die vorstehend erwähnten Übergangs-Verbindungsstücke, die eine Grundschicht aus Koh­ lenstoffstahl oder einem niedriglegierten Stahl, der weniger als 5 Masse% Legierungsbestandteile enthält, eine Außen­ schicht aus einer Aluminiumlegierung und eine Zwischenschicht aus Aluminium aufweisen. Vorzugsweise ist bei dem erfindungs­ gemäßen Verbinden bzw. Explosionsplattieren einer solchen Schichtplatte die Grundschicht eine Schicht aus Stahl, die Zwischenschicht eine Schicht aus Aluminium oder einer Alumi­ niumlegierung mit einer Fließgrenze von nicht mehr als 117,2 MPa (17.000 psi) und die Außenschicht eine Schicht aus einer Aluminiumlegierung mit einer Fließgrenze von mehr als 117,2 MPa (17.000 psi) und hat der Sprengstoff eine Detonati­ onsgeschwindigkeit von 2500 bis 3400 m/s, wobei die Zwischen­ schicht eine Dicke von 0,5 bis 3,5 mm hat und anfänglich in einem Abstand von der Grundschicht, der 1,5 bis 3,5 mm be­ trägt, angeordnet wird und die Außenschicht anfänglich von der Zwischenschicht durch einen Abstand getrennt ist, der das 1 bis 6fache der Dicke der Außenschicht beträgt. Die Außen­ schicht ist geeigneterweise 7 bis 20 mm dick und wird in ei­ nem Abstand von der Zwischenschicht angeordnet, der 20 mm bis 50 mm beträgt.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung dient die folgende Be­ schreibung der Herstellung von metallurgisch verbundenen Schichtplatten unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnun­ gen, in denen:

Fig. 1 schematisch eine Seiten-Schnittansicht einer Anordnung von Metallschichten und einer Sprengstoffschicht vor einem gemäß der Erfindung durchgeführten Explosions­ plattiervorgang zeigt;

Fig. 2 schematisch eine Seiten-Schnittansicht eines Teils der Anordnung von Fig. 1 in einem größeren Maßstab während der Explosion zeigt;

Fig. 3 schematisch eine Seiten-Schnittansicht einer Anordnung von Metallschichten und einer Sprengstoffschicht vor einem Explosionsplattiervorgang, wie er bisher durch­ geführt wurde, zeigt und

Fig. 4 schematisch eine Seiten-Schnittansicht eines Teils der Anordnung von Fig. 3 in einem größeren Maßstab während der Explosion zeigt.

In den Zeichnungen werden zur Bezeichnung gleicher Bauteile dieselben Bezugszahlen verwendet.

Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, wird bei dem erfindungsgemä­ ßen Verfahren ein Stahl-Grundblech 11 auf eine starre Am­ boßplatte (nicht gezeigt) aufgelegt, und eine dünne Zwischen­ schicht 12 aus Reinaluminium wird oberhalb des Stahlblechs 11 und parallel dazu mit einem kleinen, gleichmäßigen Abstand 13 zwischen der Zwischenschicht 12 und dem Stahlblech 11 durch kleine Abstandshalterelemente (nicht gezeigt) getragen. Ein Blech 14 aus einer Aluminiumlegierung, das viel dicker als die Zwischenschicht 12 ist, wird oberhalb der Zwischenschicht 12 und parallel dazu mit einem gleichmäßigen Abstand 15 zwi­ schen der Zwischenschicht 12 und dem Blech 14 durch Abstands­ halterelemente (nicht gezeigt) getragen, wobei der Abstand 15 viel größer als der Abstand 13 ist. Eine Sprengstoffschicht 16 aus einem Sprengstoff mit einer Detonationsgeschwindigkeit von 2500 bis 3400 m/s wird auf die obere Oberfläche des Ble­ ches 14 aus der Aluminiumlegierung gebracht. Wenn der Spreng­ stoff 16 zur Detonation gebracht wird, wird das Blech 14 ver­ formt und stößt fortschreitend in einem Stoßwinkel A (Fig. 2) mit der Zwischenschicht 12 zusammen. Weil die Zwischenschicht 12 die Bewegung des verformten Bleches 14 wenig behindert, ist beim anfänglichen Zusammenstoß nur ein geringer Stoßdruck vorhanden, und in der Stoßzone B (Fig. 2) tritt keine Verbin­ dung ein.

Auf den Zusammenstoß mit dem Blech 14 aus der Legierung fol­ gend wird die Zwischenschicht 12 fortschreitend verformt und stößt fortschreitend in einem Winkel C, der im wesentlichen denselben Wert wie der Winkel A hat, mit dem Stahlblech 11 zusammen, wobei die fortschreitende Stoßfront fast mit der fortschreitenden Stoßfront zwischen dem Blech 14 aus der Le­ gierung und der Zwischenschicht 12 zusammenfällt. Durch das Stahlblech 11 wird für eine starke Behinderung der Bewegung des Bleches 14 und der Zwischenschicht 12 gesorgt, und der hohe Stoßdruck, der nun in den Stoßzonen B und D erzeugt wird, bildet gleichzeitig an der Zwischenschicht 12/Blech 14- Grenzfläche und an der Zwischenschicht 12/Stahlblech 11- Grenzfläche starke wellenförmige Verbindungen E und F von gleicher Wellenlänge. Die wellenförmige Verbindung F hat we­ gen des großen Unterschieds zwischen den Fließgrenzen von Aluminium und Stahl eine kleinere Amplitude als die wellen­ förmige Verbindung E.

Bei dem in Fig. 3 und 4 gezeigten früheren Verfahren zur Bil­ dung einer verbundenen Schichtplatte werden ein Stahlblech 11, eine Zwischenschicht 12 aus Reinaluminium, ein Blech 14 aus einer Aluminiumlegierung und eine Sprengstoffschicht 16 in einer Weise zusammengebaut bzw. angeordnet, die der Anord­ nung von Fig. 1 ähnlich ist, wobei jedoch der Abstand 13 zwischen dem Stahlblech 11 und der Zwischenschicht 12 viel größer ist als der Abstand 15 zwischen der Zwischenschicht 12 und dem Blech 14 aus der Aluminiumlegierung und die Zwischen­ schicht 12 wesentlich dicker ist als das Blech 14 aus der Aluminiumlegierung. Wenn der Sprengstoff 16 zur Detonation gebracht wird, wird das Blech 14 aus der Legierung verformt und stößt fortschreitend in einem Stoßwinkel A (Fig. 4) mit der Zwischenschicht 12 zusammen, jedoch hat die Zwischen­ schicht in diesem Fall eine ausreichende Masse und Trägheit, um einen Stoßdruck zu erzeugen, der dazu ausreicht, daß ein Verschweißen eintritt und in der Stoßzone B sofort eine wel­ lenförmige Verbindung E gebildet wird. Die verbundene Schichtplatte aus dem Blech 14 und der Zwischenschicht 12 wird weiter in Richtung auf das Stahlblech 11 vorwärtsgetrie­ ben und verformt, so daß sie in einem Stoßwinkel C, der nun einen niedrigeren Wert hat als der Winkel A, mit dem Stahl­ blech 11 zusammenstößt. Diese zweite Stoßfront folgt in einem bedeutenden Abstand hinter der Stoßfront zwischen dem Blech 14 und der Zwischenschicht 12 und bildet in der Stoßzo­ ne D zwischen der Zwischenschicht 12 und dem Stahlblech 11 eine wellenförmige Verbindung F. Die Verbindung F hat wegen des niedrigeren Stoßwinkels C eine längere Wellenlänge als die Verbindung E.

Die praktische Ausführung der Erfindung wird durch die fol­ genden besonderen Beispiele erläutert, bei denen alle Angaben von Teilen und alle Prozentangaben auf die Masse bezogen sind.

Beispiel 1

In diesem Beispiel wurde unter Verwendung der folgenden Mate­ rialien, die anfänglich in der in Fig. 1 gezeigten Weise zu­ sammengebaut bzw. angeordnet wurden, eine Schichtplatte für Übergangs-Verbindungsstücke hergestellt.

• 1. Kohlenstoffstahl-Blech (11) entsprechend BS 1501-224-440A mit den Abmessungen 855 mm×550 mm×12,15 mm, das bis zu einer besseren Oberflächengüte als 120 Mikrozoll (30,48 µm) CLA (arithmetischer Mittenrauhwert) geschliffen war.
• 2. Zwischenschicht (12) aus technisch reinem Aluminium entsprechend BS 1470 Grade 1200 mit den Abmessungen 1000 mm× 600 mm×1,65 mm.
• 3. Blech (14) aus Aluminiumlegierung entsprechend BS 1470 Grade 5083 mit den Abmessungen 1000 mm×600 mm×8,25 mm.
• 4. Sprengstoffschicht (16) mit einer Detonationsgeschwindigkeit von 2750 m/s, über dem Legierungsblech 14 aufgebracht, bestehend aus 8,8 g/cm² einer Mischung, die aus 80 Teilen Ammoniumnitrat, 20 Teilen Trinitrotoluol und 40 Teilen Natriumchlorid besteht.

Der Abstand 13 zwischen dem Stahl und der Zwischenschicht be­ trug 3 mm, und der Abstand 15 zwischen der Zwischenschicht und dem Blech aus der Aluminiumlegierung betrug 25 mm. Die Abstände wurden durch Abstandshalterelemente aus Polystyrol­ schaum mit einem Querschnitt von 25 mm × 10 mm erhalten, die auf den Schnittpunkten eines Quadrate mit einer Seitenlänge von 250 mm bildenden Musters von im rechten Winkel zueinander stehenden Geraden angeordnet wurden.

Nachdem der Sprengstoff zur Detonation gebracht worden war, zeigte ein in der Richtung der Detonationswelle geführter Schnitt durch die erhaltene Schichtplatte, daß die drei Me­ tallschichten an den zwei Grenzflächen mit wellenförmigen Verbindungen metallurgisch verbunden waren, wobei die Wellen in den zwei Grenzflächen synchron bzw. gleichlaufend waren und die Wellenlänge etwa 3 mm betrug. Wie es wegen der jewei­ ligen Fließgrenzen der Materialien erwartet wurde, war die Wellenamplitude an der Legierung/Zwischenschicht-Grenzfläche wesentlich größer als an der Stahl/Zwischenschicht-Grenzflä­ che. Ein Standardversuch, bei dem ein Meißel an jeder Grenz­ fläche in einen Sägeschnitt eingetrieben wurde, verursachte keine Trennung der Metallschichten und zeigte, daß die Ver­ bindungen fester waren als das weniger feste der zwei Aus­ gangsmaterialien.

Es wurde ein Schnitt durch eine in ähnlicher Weise verbundene Schichtplatte geführt, die durch das bisher angewandte Explo­ sionsplattierverfahren hergestellt worden war, wobei die verwendeten Materialien dieselben waren wie die vorstehend in diesem Beispiel beschriebenen Materialien, jedoch mit dem Unterschied, daß die aus Reinaluminium bestehende Zwischen­ schicht 12 eine Dicke von 8,25 m hatte, das Blech 14 aus der Aluminiumlegierung 5,0 mm dick war und der Abstand 13 den Wert 15 mm und der Abstand 15 den Wert 5 mm hatte. Die wel­ lenförmigen Verbindungen an den zwei Grenzflächen waren nicht gleichlaufend; die Verbindung an der Legierung/Zwischen­ schicht-Grenzfläche hatte eine Wellenlänge von 3 mm, und die Verbindung an der Stahl/Zwischenschicht-Grenzfläche hatte eine Wellenlänge von 5 mm.

Übergangs-Verbindungsstücke, die aus den in diesem Beispiel in Übereinstimmung mit der Erfindung hergestellten verbunde­ nen Schichtplatten ausgeschnitten wurden, waren wegen der verminderten Dicke der weniger festen Zwischenschicht aus Reinaluminium fester als entsprechende Verbindungsstücke, die durch das frühere technische Verfahren hergestellt wurden, obwohl die Haftfestigkeitswerte bei Verbindungsstücken, die durch irgendeines der beiden Verfahren hergestellt wurden, im wesentlichen dieselben waren.

Beispiel 2

Die verbundene Metall-Schichtplatte wurde in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise hergestellt, außer daß die Abmessungen und die Abstände der Schichten die folgenden waren:

• 1) Das Stahlblech (11) hatte die Abmessungen 850 mm×550 mm ×19 mm;
• 2) die Aluminium-Zwischenschicht (12) hatte die Abmessungen 1000 mm×600 mm×2 mm;
• 3) das Blech (14) aus der Aluminiumlegierung hatte die Abmessungen 1000 mm×600 mm×15 mm;
• 4) der Abstand 13 betrug 3 mm;
• 5) der Abstand 15 betrug 36 mm und
• 6) der Sprengstoff enthielt nur 35 Teile Natriumchlorid und hatte eine Detonationsgeschwindigkeit von 2860 m/s, und die Ladungsmenge des Sprengstoffes betrug 12,5 g/cm².

Wie in Beispiel 1 hatte die verbundene Schichtplatte, die bei der Detonation des Sprengstoffs hergestellt wurde, an den zwei Metall-Grenzflächen gleichlaufende wellenförmige Verbin­ dungen von gleicher Wellenlänge. Die Schichtplatte lieferte sehr feste Übergängs-Verbindungsstücke.

Durch die Erfindung wird folglich ein verbessertes Verfahren zum metallurgischen Verbinden einer Metall-Schichtplatte (aus der Übergangs-Verbindungsstücke für Konstruktionen geschnit­ ten werden können) bereitgestellt, bei dem eine Metall-Außen­ schicht und eine Metall-Zwischenschicht mit voneinander ver­ schiedener Zusammensetzung durch die Detonation einer Spreng­ stoffschicht, die an die äußere Oberfläche der Außenschicht angrenzend angeordnet ist, in Richtung auf eine Metall-Grund­ schicht vorwärtsgetrieben werden. Die Zwischenschicht ist nur 0,25 bis 4 mm dick und wird anfänglich in einem Abstand von der Grundschicht angeordnet, der 6 mm oder das 8fache der Dicke der Zwischenschicht nicht überschreitet. Die Außen­ schicht hat eine Masse, die mindestens zweimal so groß ist wie die Masse der Zwischenschicht, und ist anfänglich von der Zwischenschicht durch einen Abstand getrennt, der das 0,5- bis 10fache der Dicke der Außenschicht beträgt und mindestens dreimal so groß ist wie der Abstand zwischen der Grundschicht und der Zwischenschicht.

Claims (10)

1. Verfahren zum metallurgischen Verbinden einer Metall- Schichtplatte aus einer Metall-Grundschicht (11), einer Me­ tall-Außenschicht (14) und einer Metall-Zwischenschicht (12), wobei die erwähnten Schichten verschiedene Zusammensetzungen haben und die Außenschicht und die Zwischenschicht eine Deh­ nung von mindestens 15% zeigen, durch Explosionsplattieren, bei dem die erwähnten Schichten anfänglich im wesentlichen parallel zueinander und getrennt voneinander angeordnet werden, wobei die Grundschicht, die gegebenenfalls auf einem Amboß aufliegt, eine derartige Masse hat, daß die zusammenge­ faßte Masse der Grundschicht und des Ambosses (wenn dieser vorhanden ist) mindestens das 4fache der zusammengefaßten Masse der Außenschicht und der Zwischenschicht beträgt, und an die äußere Oberfläche der Außenschicht angrenzend eine Sprengstoffschicht (16) aus einem Sprengstoff mit einer Deto­ nationsgeschwindigkeit von 1500 bis 3500 m/s angeordnet und zur Detonation gebracht wird, wodurch zwischen den erwähnten Schichten fortschreitende Stoßfronten erzeugt werden, die mit der Detonationsgeschwindigkeit wandern, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zwischenschicht eine Dicke von 0,25 bis 4 mm hat und anfänglich in einem Abstand (13) von der Grundschicht, der 6 mm nicht überschreitet und nicht mehr als das 8fache der Dicke der Zwischenschicht (12) beträgt, angeordnet wird und daß die Außenschicht (14) eine Masse hat, die mindestens zweimal so groß ist wie die Masse der Zwischenschicht (12), und anfänglich von der Zwischenschicht durch einen Abstand (15) getrennt ist, der das 0,5- bis 10fache der Dicke der Außenschicht beträgt und mindestens dreimal so groß ist wie der Abstand (13) zwischen der Grundschicht (11) und der Zwi­ schenschicht (12).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (12) 1,5 bis 3,0 mm dick ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (13) zwischen der Grundschicht (11) und der Zwischenschicht (12) 1,5 bis 3,5 mm beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Außenschicht (14) mindestens viermal so dick ist wie die Zwischenschicht (12).

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Metallschichten (11, 12, 14) aus Alumi­ nium, Aluminiumlegierung, Stahl, Titan und/oder Silber beste­ hen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschicht (11) eine Schicht aus Kohlenstoffstahl oder ei­ nem niedriglegierten Stahl, der weniger als 5 Masse% Legie­ rungsbestandteile enthält, ist, daß die Zwischenschicht (12) eine Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einer Fließgrenze von nicht mehr als 117,2 MPa (17.000 psi) ist, daß die Außenschicht (14) eine Schicht aus einer Alumi­ niumlegierung mit einer Fließgrenze von mehr als 117,2 MPa (17.000 psi) ist und daß der Sprengstoff eine Detonationsge­ schwindigkeit von 2500 bis 3400 m/s hat, wobei die Zwischen­ schicht (12) eine Dicke von 0,5 bis 3,5 mm hat und anfänglich in einem Abstand (13) von der Grundschicht, der 1,5 bis 3,5 mm beträgt, angeordnet wird und die Außenschicht (14) an­ fänglich von der Zwischenschicht (12) durch einen Abstand (15) getrennt ist, der das 1- bis 6fache der Dicke der Außen­ schicht (14) beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht (14) aus Aluminiumlegierung 7 bis 20 mm dick ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (15) zwischen der Zwischenschicht und der Außenschicht aus Aluminiumlegierung 20 bis 50 mm beträgt.

9. Metallurgisch verbundene Metall-Schichtplatte, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt worden ist.

10. Durch Explosionsplattieren verbundene Metall-Schichtplat­ te aus einer Metall-Grundschicht (11), einer Metall-Außen­ schicht (14) und einer Metall-Zwischenschicht (12) wobei die drei Schichten verschiedene Zusammensetzungen haben, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht eine Masse hat, die mindestens zweimal so groß ist wie die Masse der Zwischen­ schicht, und daß die erwähnten Schichten an ihren Grenzflä­ chen mit wellenförmigen Verbindungen (E, F), die an beiden Grenzflächen synchron bzw. gleichlaufend und von gleicher Wellenlänge sind, metallurgisch verbunden sind.