EP1313589A1

EP1313589A1 - Verfahren zum verbinden metallischer schaumwerkstoffe

Info

Publication number: EP1313589A1
Application number: EP01971917A
Authority: EP
Inventors: Heinrich Grützner; Helmut Horn
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2000-08-26
Filing date: 2001-08-16
Publication date: 2003-05-28
Also published as: WO2002018089A1

Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren zum Verbinden metallischer Schaumwerkstoffe (1, 2), wobei zwischen den beiden Schaumwerkstoffen (1, 2) im Verbindungsbereich (7) ein rotierender Bolzen im Reibschluss derart bewegt wird, dass die beiden Gegenstände (1, 2) im Verbindungsbereich (7) durch die Reibung und den von dem Reibbolzen (6) auf die Schaumwerkstoffe (1, 2) ausgeübten Druck erwärmt und plastifiziert und dadurch die beiden Schaumwerkstoffe (1, 2) im Verbindungsbereich (7) miteinander verschweisst werden.

Description

Verfahren zum Verbinden metallischer Schaumwerkstoffe

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden metallischer Schaumwerkstoffe mit anderen metallischen Werkstoffen. Derartige Verfahren werden bei der Metallbearbeitung, insbesondere bei der Verwendung der neuartigen metallischen Schaumwerkstoffe benötigt.

Metallische Schaumwerkstoffe, auch zellulare metallische Werkstoffe genannt, vor allem aus Aluminium, haben mit der Erfindung- eines neuen pulvermetallurgischen Herstellungsverfahrens, das beispielsweise in der DE 40 11 836.0 veröffentlicht ist, großes Interesse gefunden und werden zur Zeit in die industrielle Fertigung eingeführt. Sie bestehen aus dreidimensionalen Anordnungen von gasgefüllten Zellen bzw. Poren aus metallischem Material. Derartige metallische Schaumwerkstoffe werden nicht nur zu Blechen verar- beitet, sondern beispielsweise auch in Sandwich- Strukturen eingesetzt, wobei eine mittlere Kernlage aus metallischem- Schaum zwischen zwei Lagen aus herkömmlichen Metallblechen und dergleichen angeordnet ist. Die Herstellung von derartigen Sandwich- Strukturen, vorzugsweise aus Aluminium, erfolgt durch Aufkleben oder Walzplattieren von konventionellen Blechen auf die Kernlage. Derartige Sandwich- Strukturen werden insbesondere in der Fahrzeugindu- strie eingesetzt. Metallische Schäume bzw. das zugehörige noch nicht geschäumte Halbzeug und Verfahren zu deren Herstellung werden weiterhin in der DE AS 1 933 321 sowie der PCT/WO90/00115 offenbart. Bei der vorliegenden Erfindung verwendete metallische Schäume und deren Herstellung sind insbesondere in J. Banhart "Production Methods for Metallic Foams" in "Metal Foams/Fraunhofer USA Symposium, Stanton, Delaware, 7-8 October 1997, Verlag Metall Innovation Technologie MIT 1998, S.3 bis 9, offenbart. Soweit hier in diesem Zusammenhang von metallischen Schäumen gesprochen wird, sind derartige metallische Schäume gemeint. Eine weitere Darstellung derartiger metallischer Schäume findet sich in Automobiltechnische Zeitschrift, ATZ/MTZ-Sonderausgabe "Werkstoffe im Au- to obilbau 1998, Seiten 66 bis 69.

Durch die zunehmende Verwendung von metallischen Schäumen im industriellen Bereich wird es erforderlich, Fügeverfahren bereitzustellen, mit denen Halb- zeuge aus metallischem Schaum bzw. aufgeschäumte Gegenstände weiterverarbeitet, insbesondere miteinander verbunden werden können. Hierzu stehen bisher lediglich Klebeverfahren zur Verfügung, wobei das Kleben von Aluminiumbauteilen keine befriedigende Lösung darstellt, da nur überlappende Verbindungen und keine Stoßverbindungen möglich sind. Weiterhin wird die Temperaturbeständigkeit des gesamten Bauteils durch die Klebung bestimmt. Auch die bisher getesteten Schweißverfahren, wie MIG (Metall-Inert-Gas- Schweißen) oder WIG (Wolfram-Inert-Gas-Schweißen) und dergleichen bieten keine befriedigende Lösung, da die schaumförmige Struktur der zu fügenden Halbzeuge mit diesen Verfahren keine reproduzierbare Schweißverbindung ermöglicht. Derartige erfolglose Schweißverfahren sind beispielsweise in Schweissen & Schneiden, 1998, Seiten 786 bis 787 beschrieben. Dort zeigte sich, daß diese neuartigen Werkstoffe verschiedene, schaumspezifische Problematiken mit sich bringen. Beim lasergestützten Fügen des zellularen Materials kommt es zu einem Zusammenbruch der Schaumstruktur, der nur durch massives Zuführen von drahtförmigen Schweißzusatzwerkstoffen ausgeglichen werden kann.

Generell besteht, wie auch dort beschrieben, beim Schweißen die Gefahr, daß das noch nicht geschäumte Material durch die Erwärmung über den Schmelzpunkt, wie es ja zum Aufschäumen ebenso durchgeführt wird, bereits ausgast, so daß das geschweißte Material im Umkreis der Schweißlinie keine Aufschäumung mehr zeigt. Bei bereits aufgeschäumten Materialien wird erwartet, daß durch das Aufschmelzen des Materials beim Schweißen die gesamte Schaumstruktur kollabiert und so keine mechanisch stabile Verbindung möglich ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine stoffschlüssige Verbindung zwischen metallischen Schaumwerkstoffen in ungeschäumtem oder geschäumtem Zustand mit anderen metallischen Materialien ermöglicht wird bzw. Verbünde aus derartigen Materialien, deren zellulare Struktur nicht wesentlich zerstört oder unmöglich ge- macht wurde und die dennoch eine stabile, mechanisch belastbare Verbindung aufweisen.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 sowie den Verbund nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens und des Verbundes sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen gegeben.

Erfindungsgemäß wird die oben gegebene Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem der metallische Schaumwerkstoff mit dem weiteren metallischen Gegenstand mittels des Reib-Rühr-Schweißverfahrens verbunden wird. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der EP 0 615 418 Bl für Materialien wie Metalle, Legierungen oder Thermoplaste bekannt. Dieses Verfahren eignet sich überraschenderweise für das Verbinden und Fügen von metallischen Schaumwerkstoffen. Dazu trägt bei, daß die Verbindungsbildung beim Reib- Rührschweißen in festem Zustand erfolgt und damit die bekannten Schwierigkeiten beim Schweißen von Aluminium vermieden werden können.

Überraschenderweise führt das Reib-Rührschwei en nicht dazu, daß der noch nicht geschäumte metallische Schaumwerkstoff ausgast, obwohl er längs der Schweißnaht plastifiziert wird. Dadurch ist es möglich, später derartige verbundene Schaumwerkstoffe noch aufzuschäumen und die gewünschte Struktur zu erhalten. In gleicher Weise zerstört das Reib-Rührschweißen nicht die schaumartige Struktur des metallischen Schaum- werkstoffes in bereits geschäumtem Zustand, so daß eine feste Verbindungsnaht zwischen metallischem, geschäumtem Schaumwerkstoff und weiteren metallischen Materialien möglich ist. Das erfindungsgemäße Reib-Rührschweißen erfolgt mittels eines Reibbolzens, wobei der Bolzen zwischen beiden Halbzeugen rotierend bewegt wird, und zwar so, daß die Halbzeuge durch die Reibung erwärmt und den Druck plastifiziert werden und der durch die Drehung hervorgerufene Materialtransport zu einem Verschweißen der plastifizierten Materialien führt. Der für das Reib-Rührschweißen geeignete Reibkörper wird dabei linear oder auch kurvenartig so geführt, daß er die Seitenflächen der gegenüberliegend fest eingespannten Gegenstände berührt und durch Reibung thermisch aktiviert. Durch diese thermische Aktivierung werden folglich die Oberflächen in bindungsfähigen Zustand versetzt. Gleichzeitig wird durch den Reib- körper im Bereich der Bindezone ein Druck erzeugt, durch den die Randbereiche plastifiziert werden und Material auf die jeweils gegenüberliegende Seite wie beschrieben transportiert wird. Die Qualität der Schweißnaht wird dabei durch die Form und den Werk- stoff des Reibbolzens sowie durch seine Positionierung, Drehzahl, Vorschubgeschwindigkeit und Zustellbewegung bestimmt. Auch der Spanntechnik für die Halbzeuge kommt eine wesentliche Bedeutung für die Qualität der Schweißung zu. Bevorzugt wird das Ver- fahren daher bei noch nicht aufgeschäumtem Vormaterial ausgeführt und das Material erst nach dem Schweißen aufgeschäumt. Das noch nicht aufgeschäumte Vormaterial kann in einfacher Weise für das Reib- Rührschweißen eingespannt werden.

Gegenüber sämtlichen anderen Schweißverfahren eignet sich besonders das Reib-Rührschweißen für die Verbindung von metallischen Schaumwerkstoffen. Durch die Ausgestaltung des Reibbolzens werden nämlich immer nur die Verbindungsbereiche thermisch aktiviert, die zu einem bestimmten Zeitpunkt der Reibbewegung durch den Bolzen ausgesetzt sind. Die Verbindungsbildung selbst erfolgt dann im festen Zustand, eine Schädigung der Schweißverbindung in Folge von Ausgasungs- vorgängen wird dadurch weitestgehend ausgeschlossen. Es sind auch im Unterschied zu herkömmlichen Schweißverfahren keine Schweißzusatzwerkstoffe erforderlich und auch artfremde Verbindungen möglich.

Im folgenden sollen einige Beispiele für das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Verbünde ^' gegeben werden.

Es zeigen:

•Figur 1 eine Prinzipskizze des Reib-Rührschweißens bei metallischen Schaumwerkstoffen;

Figur 2 ein Beispiel für die Verschweißung zweier Bleche aus metallischem noch nicht geschäumtem Schaummaterial;

Figur 3 ein Beispiel für die Verschweißung zweier Sandwich-Strukturen mit Kernlage aus noch nicht geschäumtem Schaummaterial;

Figur 4 einen Bruchtest an einem Material nach Figur 3; und

Figur 5 ein Beispiel für die Verschweißung eines herkömmlichen Metallbleches mit einem metallischen Schaummaterial.

Figur 1 zeigt eine Prinzipskizze für das Reib- Rührschweißen metallischer Schaummaterialien. Dabei bezeichnen die Bezugszeichen 1 und 2 ein erstes und ein zweites Werkstück, die längs einer Schweißzone 7 miteinander verschweißt werden sollen. Das Verschweißen erfolgt mittels eines Werkzeuges 4, das eine Werkzeugschulter 5 aufweist und einen aus dieser zwischen die Werkstücke 1 und 2 hervorragenden Stift 6. Der Stift 6, der unprofiliert oder profiliert seinkann, dreht sich mit hoher Geschwindigkeit und erhitzt so das Material, das er in der Schweißzone 7 kontaktiert.

Die gesamte Anordnung ist auf einer festen Unterlage 3 aufgebracht und der Stift bzw. Bolzen 6 wird über die Werkzeugschulter 5 in das Material der Werkstücke 1 und 2 eingepreßt.

In Figur 1 ist die Schweißzone bzw. Schweißbahn 7 zu erkennen, die bereits von dem Stift 6 und der Werkzeugschulter 5 durchlaufen wurde. Mit dem Bezugs zeichen 8, 8' bzw. a ist der Bereich bezeichnet, in dem in den Werkstücken 1 und 2 das ursprüngliche Gefüge erhalten wurde. Mit den Bezugszeichen 9, 9' bzw. b ist eine Zone bezeichnet, die bereits durch die Wärme, die durch den Bolzen 6 erzeugt wird, beeinflußt ist. Mit Bezugszeichen 10 ist ein thermomechanisch beeinflußtes Gefüge bezeichnet, das plastisch deformiert ist mit einigen Gebieten von Rekristallisation. Bezugszeichen 11 bezeichnet einen dynamisch rekristallisierten Bereich (Nugget) .

Hier wie bei den folgenden Figuren ist mit entsprechenden Bezugszeichen jeweils ein entsprechendes Element bezeichnet. Figur 2 zeigt ein Beispiel für das Verschweißen von Aluminiumschaum AlSi7 (Aluminium- Legierung, hergestellt aus einer Pulvermischung mit der Zusammensetzung 92,5 % AI, 7 % Si und 0,5 % TiH als Treibmittel) . Beide Bleche 1 und 2 bestehen aus ω ω r-o t-¹ Cn o Cπ o Cn Cn

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sie aus herkömmlichem Metall bestehen, während lediglich die Zwischenschicht lc bzw. 2c aufgeschäumt wurde.

Figur 4 zeigt das Ergebnis eines Zugversuchs an einem reib-rührgeschweißten noch ungeschäumten Halbzeug aus AlSi7.

Auch hier ist wiederum zu erkennen, daß die beiden sandwichartigen Halbzeuge, wie sie auch in Figur 3a dargestellt sind, durch eine Schweißbahn 7 miteinander verbunden sind. Offensichtlich weist die Schweißnaht 7 eine so hohe mechanische Stabilität auf, daß der Bruch aufgrund des Zuges mit einer Bruchlinie 40 benachbart zu der Schweißbahn auftritt. Damit ist auch die hohe Stabilität, die durch das Reib- Rührschweißen bei metallischem Schaummaterial im ungeschäumten Zustand erzeugt werden kann, nachgewiesen.

Figur 5 zeigt ein weiteres Beispiel für das Verschweißen eines Werkstückes 1 aus Aluminiumschaummaterial in noch ungeschäumtem Zustand mit einem herkömmlichen Blech 2 aus einer Aluminium-Magnesium- Legierung mit 3 % Magnesium. In Figur 5A ist wiederum die Schweißbahn 7 zu erkennen.

Figur 5B zeigt dasselbe Material in aufgeschäumtem Zustand, nun jedoch von der Rückseite her betrachtet, so daß das Aluminiumschaummaterial 1 auf der rechten ^• Seite und das herkömmliche Aluminium-Magnesium-Blech 2 auf der linken Seite zu sehen sind. Es ist unmittelbar zu erkennen, daß durch die Schweißbahn 7 eine hervorragende Verbindung zwischen diesen beiden un- terschiedlichen Materialien hergestellt wurde. Zusammenfassend bietet die vorliegende Erfindung erstmalig und völlig überraschend die Möglichkeit, metallische Schaummaterialien miteinander durch ein Schweißverfahren zu verbinden, ohne die typischen Strukturen des Metallschaumes zu verhindern oder zu zerstören. Dies ist mit anderen Schweißverfahren so nicht möglich.

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4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als zweiter Gegenstand (2) ein Gegenstand verwendet wird, der aus einem herkömmlichen metallischen Werkstoff oder zumindest teilweise aus einem metallischen Schaumwerkstoff (2c) in geschäumtem oder unge- schäu tem Zustand besteht.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als erster und/oder zweiter Gegenstand (1, 2) ein Gegenstand verwendet wird, der aus einer Sandwich- Struktur besteht, bei der zwei herkömmliche metallische. Lagen (la, lb, 2a, 2b) eine Kernlage (1c, 2c) aus metallischem Schaumwerkstoff in un- geschäumtem oder geschäumtem Zustand zwischen sich einschließen.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als metallischer Schaumwerkstoff ein Metall verwendet wird, das ein Treibmittel enthält.

7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall des metallischen Schaumwerkstoffes Aluminium, Magnesium, Eisen, Zink, Zinn, Kupfer, Blei oder Legierungen hiervon, beispielsweise Bronze oder Messing, verwendet wird.

8. Verbund aus zwei metallischen Gegenständen (1, 2), wobei mindestens einer der beiden Gegenstände in einem Verbindungsbereich (7) zumindest teilweise aus einem metallischen Schaumwerkstoff in ungeschäumtem oder geschäumtem Zustand besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gegenstände durch eine Reib-Rühr- Schweißnaht in dem Verbindungsbereich (7) miteinander verbunden sind.

9. Verbund nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Gegenstand

(2) aus einem herkömmlichen metallischen Werkstoff oder zumindest teilweise aus einem etal- lischen Schaumwerkstoff (2c) in geschäumtem oder ungeschäumtem Zustand besteht.

10. Verbund nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und/oder der zweite Gegenstand (1, 2) aus einer

Sandwichstruktur bestehen, bei der zwei herkömmliche metallische Lagen (la, lb, 2a, 2b) eine Kernlage (1c, 2c) aus metallischem Schaumwerkstoff in ungeschäumtem oder geschäumtem Zustand zwischen sich einschließen.

11. Verbund nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Schaumwerkstoff zumindest teilweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung besteht, das ein Treibmittel enthält.

2. Verbund nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall des metallischen Schaumwerkstoffes Aluminium, Magnesium, Eisen, Zink, Zinn, Kupfer, Blei oder Legierungen hiervon, beispielsweise Bronze oder Messing, ist.