EP1990444A2 - Verfahren zur Nachbehandlung von Schweißverbindungen - Google Patents

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EP1990444A2
EP1990444A2 EP08007714A EP08007714A EP1990444A2 EP 1990444 A2 EP1990444 A2 EP 1990444A2 EP 08007714 A EP08007714 A EP 08007714A EP 08007714 A EP08007714 A EP 08007714A EP 1990444 A2 EP1990444 A2 EP 1990444A2
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EP
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workpiece
weld
cover layer
aluminum
workpieces
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Withdrawn
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EP08007714A
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Mustafa Kocak
Stefan Rikehr
Waman Vishwanath Vaidya
Frank GÄRTNER
Thorsten Stoltenhoff
Frank Kreye
Thomas Klassen
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GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
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GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles

Definitions

  • the present invention relates to a method for the post-treatment of a weld on a workpiece in order to improve the mechanical properties of the weld.
  • the problem is that in the area of the weld, tensile stresses form in the material of the weld itself as well as in the material of the adjacent workpieces. On the one hand, these tensile stresses can lead to a reduction in the strength of the material. On the other hand, due to the tensile stresses under load, formation of cracks in the area of the surface can occur which, on the one hand, further impair the strength of the weld seam and, on the other hand, accelerate the corrosion in this area.
  • the aluminum workpieces that are to be welded often consist of an aluminum alloy with a coating of pure aluminum, the coating serving as a "sacrificial anode" to protect the aluminum alloy of the workpiece from corrosion to protect.
  • this coating is destroyed by the welding process, so that in this area, the effect of the sacrificial anode is lost and the aluminum alloy of the workpieces is exposed here to a greater extent corrosion attacks.
  • the area of the weld is exposed by the mixing of the material of the coating base and thus an increased risk of corrosion. It would therefore further be desirable if, after the production of a weld on such workpieces, a sacrificial anode material would again be present in the area of the weld seam.
  • this object is achieved in that a cover layer is applied to the weld on a workpiece by cold gas spraying.
  • the weld can be formed before the application of the cover layer by any known from the prior art welding method, in particular gas welding, arc welding and laser welding come into question.
  • the weld can serve the purpose of connecting two components to a single workpiece or, on the other hand, of closing openings in a workpiece.
  • powdered material from which the top layer is formed is placed within a nozzle in a gas jet, so that the particles are accelerated to high speeds, typically at speeds above the speed of sound, and thus receive high kinetic energy. If the particles impinge on the workpiece to be coated or the surface of the weld, they form a dense, firmly adhering layer, as it due to the high kinetic energy and the resulting heat release when hitting the workpiece to a liability of the particles themselves and also comes on the workpiece.
  • details for cold gas spraying is incidentally on the DE 101 26 100 A1 directed
  • cold-gas-sprayed layers have compressive stress after being applied to a workpiece.
  • compression stresses are introduced into the workpiece itself during the coating process.
  • the size of the particles used in the cold gas spraying is between 10 and 60 ⁇ m, and preferably between 20 and 45 ⁇ m, it has been shown that good results can be achieved in terms of reducing the tensile stresses in the weld and the workpiece.
  • the method according to the invention has proven to be particularly advantageous with regard to workpieces whose material comprises aluminum or aluminum alloys. But it is also possible that the inventive method is applied to workpieces made of titanium or titanium alloys. In addition, the method according to the invention can be applied to workpieces made of steel, it being possible to restore the originally good corrosion properties in the region of the weld, in particular when galvanized steel workpieces are aftertreated. Furthermore, the method can also be applied to copper and copper alloys.
  • the material of the cover layer behaves anodically to the material of the weld.
  • the cover layer not only counteracts the tensile stresses, but also serves as a sacrificial anode with respect to the weld so that the material of the weld is not exposed to corrosion.
  • the material of the cover layer can also be chosen so that it also behaves anodically to the material of the workpiece and thus also acts as a sacrificial anode against this.
  • the properties can be restored, which, if the workpiece is provided with a coating designed as a sacrificial anode, were present before the formation of the weld.
  • the materials may be selected in such a way that the material of the workpieces comprises an aluminum alloy and the cover layer consists of aluminum, wherein the Workpieces in a further preferred manner also have a coating of aluminum.
  • a workpiece 1 with a weld seam 3 is shown, wherein the weld seam 3 can be formed by known welding methods, for example gas-melt welding, arc welding and laser welding.
  • the material of the workpiece 1 is an aluminum alloy, wherein on the workpiece 1 there is still a coating 5 of pure aluminum which serves as a sacrificial anode and which is interrupted in the region of the weld seam 3 due to the welding process is.
  • the thickness of the workpiece 1 may be between 0.5 and 10 mm in the example described here, and the coating 5 may be multi-layered.
  • workpieces made of copper or titanium and titanium or copper alloys are used.
  • workpieces made of steel it being possible in particular when galvanized steel workpieces to be treated to restore the originally good corrosion properties in the area of the weld seam.
  • the material of the weld 3 is formed due to the welding process of the material of the workpiece 1 itself and that of the coating 5 and thus less noble than the workpiece material. As a result, the weld 3 is initially more susceptible to corrosion than the rest of the workpiece 1 Weld 3 and the adjacent to her area of the workpiece 1 before coating under tensile stresses, so that the strength and corrosion resistance, as explained above, are reduced here (see arrows 7).
  • the workpiece 1 is arranged at a distance of between 10 and 60 mm in front of a cold gas spraying nozzle 9, which is shown here only schematically.
  • particles having a size between 10 and 60 ⁇ m and preferably between 20 and 45 ⁇ m in a gas stream 11 are typically accelerated to speeds above the speed of sound.
  • the material of the particles in the present embodiment is aluminum, and nitrogen is used as the process gas, wherein the process gas can be preheated and has a pressure between 5 to 60 bar and preferably between 20 to 40 bar.
  • the particles in the gas stream 9 strike the workpiece 1 in the area of the weld seam 3 and form a cover layer 13 over the weld seam 3.
  • the gas stream 9 has a typical diameter of 2 to 10 mm, so preferably several times in lines over the range of Weld 3 is applied to the cover layer 13 of pure aluminum with a thickness of 0.05 to 10 mm applied to the region of the weld 3.
  • cover layer 13 according to the invention to the weld seam 5 by means of cold gas spraying results in adhesion of the particles to one another in the cover layer 13 and on the workpiece 1 due to the high kinetic energy of the particles and the resulting heat release upon impact with the workpiece 1 comes.
  • 13 compressive stresses (arrow 15) are built up, inter alia, by the constant impact of other solid particles in the cover layer.
  • the cover layer 13 is made of pure aluminum in the preferred embodiment described here, the cover layer 13 behaves anodically both to the workpieces 1 and to the weld 3, so that also in this way the corrosion resistance of the welded workpiece is improved.

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Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein Verfahren zur Nachbehandlung von Schweißverbindungen. Die Aufgabe, ein Verfahren zur Nachbehandlung einer Schweißnaht bereitzustellen, durch welches die Zugspannungen im Bereich der Schweißnaht vermindert werden, wird dadurch gelöst, dass auf die Schweißnaht an einem Werkstück eine Deckschicht durch Kaltgasspritzen aufgebracht wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachbehandlung einer Schweißnaht an einem Werkstück, um die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht zu verbessern.
  • Insbesondere im Bereich des Flugzeugbaus, wo in sehr großem Umfang Aluminium verwendet wird, gibt es das Bestreben, aus diesem Werkstoff oder seinen Legierungen bestehende Werkstücke statt durch Nieten über Schweißnähte miteinander zu verbinden, da dies mit einer Gewichtsersparnis verbunden ist, was gerade in diesem Bereich hochrelevant ist.
  • Wie bei allen Metallen besteht auch bei Aluminium bei der Herstellung einer Schweißnaht, gleich welches thermische Schweißverfahren gewählt wird, das Problem, dass sich im Bereich der Schweißnaht Zugspannungen im Material der Schweißnaht selbst wie auch im Material der benachbarten Werkstücke ausbilden. Diese Zugspannungen können einerseits dazu führen, dass die Festigkeit des Materials vermindert wird. Andererseits kann es aufgrund der Zugspannungen unter Belastung zu einer Bildung von Rissen im Bereich der Oberfläche kommen, die zum einen die Festigkeit der Schweißnaht weiter beeinträchtigen und zum anderen die Korrosion in diesem Bereich beschleunigen.
  • Um das Problem der Zugspannungen zu beseitigen, ist es möglich, die geschweißten Werkstücke auszulagern, also eine Temperaturbehandlung durchzuführen. Wenn die Werkstücke jedoch eine bestimmte Größe überschreiten, ist eine solche Behandlung nicht mehr durchführbar. Des Weiteren ergibt sich beim Auslagern das Problem, dass sich die Werkstücke dabei möglicherweise verziehen, was ebenfalls unerwünscht ist. Schließlich scheidet eine thermische Nachbehandlung bei bereits ausgehärteten Materialien aus.
  • Außerdem erweist es sich als Problem, dass die Aluminium-Werkstücke, die verschweißt werden sollen, häufig aus einer Aluminium-Legierung mit einer Beschichtung aus reinem Aluminium bestehen, wobei die Beschichtung als "Opferanode" dient, um die Aluminium-Legierung des Werkstücks vor Korrosion zu schützen. Im Bereich der Schweißnaht wird diese Beschichtung durch den Schweißprozess zerstört, sodass in diesem Bereich auch die Wirkung der Opferanode verloren geht und die Aluminium-Legierung der Werkstücke hier in verstärktem Maße Korrosionsangriffen ausgesetzt ist. Außerdem wird der Bereich der Schweißnaht durch das Einmischen des Materials der Beschichtung unedler und damit einem erhöhten Korrosionsrisiko ausgesetzt. Es wäre daher weiterhin wünschenswert, wenn nach der Herstellung einer Schweißnaht an derartigen Werkstücken auch im Bereich der Schweißnaht wieder ein Opferanodenmaterial vorhanden wäre.
  • Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Nachbehandlung einer Schweißnaht bereitzustellen, durch welches die Zugspannungen im Bereich der Schweißnaht vermindert werden.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass auf die Schweißnaht an einem Werkstück eine Deckschicht durch Kaltgasspritzen aufgebracht wird.
  • Dabei kann die Schweißnaht vor dem Aufbringen der Deckschicht durch beliebige, aus dem Stand der Technik bekannte Schweißverfahren gebildet werden, wobei insbesondere Gasschmelzschweißen, Lichtbogenschweißen und Laserschweißen in Frage kommen. Die Schweißnaht kann zum einen den Zweck erfüllen, zwei Bauteile zu einem einzigen Werkstück zu verbinden, oder zum anderen dazu dienen, Öffnungen in einem Werkstück zu schließen.
  • Beim Kaltgasspritzen wird pulverförmiges Material, aus dem die Deckschicht gebildet wird, innerhalb einer Düse in einen Gasstrahl gegeben, sodass die Partikel auf hohe Geschwindigkeiten, typischerweise auf Geschwindigkeiten oberhalb der Schallgeschwindigkeit, beschleunigt werden und damit eine hohe kinetische Energie erhalten. Wenn die Partikel auf das zu beschichtende Werkstück bzw. die Oberfläche der Schweißnaht auftreffen, bilden sie eine dichte, fest haftende Schicht, da es aufgrund der hohen kinetischen Energie und der daraus resultierenden Wärmefreigabe beim Auftreffen auf das Werkstück zu einer Haftung der Partikel untereinander und auch an dem Werkstück kommt. Im Hinblick auf Details zum Kaltgasspritzen wird im Übrigen auf die DE 101 26 100 A1 verwiesen
  • Durch den ständigen Aufprall weiterer fester Partikel weisen kaltgasgespritzte Schichten nach dem Aufbringen auf ein Werkstück Druckspannung auf. Außerdem werden bei dem Beschichtungsprozess in das Werkstück selbst Druckspannungen eingebracht.
  • Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, durch das Aufbringen einer kaltgasgespritzten Schicht auf die Oberfläche einer zuvor gebildeten Schweißnaht die Zugspannungen darin zu kompensieren und damit die Festigkeit zu erhöhen. Auf diese Weise wird außerdem die Neigung zur Rissbildung stark zu vermindert, sodass auf diese Weise die Korrosionsbeständigkeit der Schweißnaht verbessert wird.
  • Wenn die Größe der beim Kaltgasspritzen verwendeten Partikel zwischen 10 und 60 µm und vorzugsweise zwischen 20 und 45 µm liegt, hat es sich gezeigt, dass sich gute Ergebnisse hinsichtlich der Reduzierung der Zugspannungen in der Schweißnaht und dem Werkstück erzielen lassen.
  • Auch wenn die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist, so hat sich das erfindungsgemäße Verfahren als besonders vorteilhaft in Hinblick auf Werkstücke herausgestellt, deren Material Aluminium oder Aluminium-Legierungen umfasst. Es ist aber auch möglich, dass das erfindungsgemäße Verfahren bei Werkstücken aus Titan oder Titan-Legierungen angewandt wird. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren bei Werkstücken aus Stahl angewandt werden, wobei insbesondere dann, wenn verzinkte Stahl-Werkstücke nachbehandelt werden, es möglich ist, im Bereich der Schweißnaht die ursprünglich guten Korrosionseigenschaften wiederherzustellen. Weiterhin kann das Verfahren auch bei Kupfer und Kupferlegierungen angewandt werden.
  • Um die Korrosionsbeständigkeit der Schweißnaht weiter zu verbessern, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn sich das Material der Deckschicht anodisch zum Material der Schweißnaht verhält. In diesem Fall wirkt die Deckschicht nicht nur den Zugspannungen entgegen, sondern dient gleichzeitig als Opferanode in Bezug auf die Schweißnaht, sodass das Material der Schweißnaht keinen Angriffen durch Korrosion ausgesetzt ist.
  • In weiter bevorzugter Weise kann das Material der Deckschicht ferner so gewählt sein, dass es sich auch anodisch zu dem Material des Werkstücks verhält und damit auch diesem gegenüber als Opferanode wirkt. Bei einer derartigen Wahl des Materials der Deckschicht können insbesondere die Eigenschaften wiederhergestellt werden, die, sofern das Werkstück mit einer als Opferanode ausgebildeten Beschichtung versehen ist, vor der Bildung der Schweißnaht vorlagen.
  • Insbesondere können die Materialen in der Weise gewählt werden, dass das Material der Werkstücke eine Aluminium-Legierung aufweist und die Deckschicht aus Aluminium besteht, wobei die Werkstücke in weiter bevorzugter Weise auch eine Beschichtung aus Aluminium aufweisen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung beschrieben, die lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellt. In der Zeichnung zeigt
    • Fig.1
    schematisch den Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In Fig. 1 ist ein Werkstück 1 mit einer Schweißnaht 3 gezeigt, wobei die Schweißnaht 3 durch bekannte Schweißverfahren gebildet sein kann, beispielsweise Gasschmelzschweißen, Lichtbogenschweißen und Laserschweißen. Bei dem Material des Werkstücks 1 handelt es sich in dem hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel um eine Aluminium-Legierung, wobei auf dem Werkstück 1 noch eine Beschichtung 5 aus reinem Aluminium vorhanden ist, die als Opferanode dient und im Bereich der Schweißnaht 3 aufgrund des Schweißprozesses unterbrochen ist. Die Dicke des Werkstücks 1 kann in dem hier beschriebenen Beispiel zwischen 0,5 und 10 mm liegen, und die Beschichtung 5 kann mehrlagig ausgebildet sein. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es aber auch denkbar, dass Werkstücke aus Kupfer oder aus Titan sowie Titan- oder Kupfer-Legierungen verwendet werden. Es ist aber auch möglich Werkstücke aus Stahl zu verwenden, wobei insbesondere dann, wenn verzinkte Stahl-Werkstücke nachbehandelt werden, es möglich ist, im Bereich der Schweißnaht die ursprünglich guten Korrosionseigenschaften wiederherzustellen.
  • Das Material der Schweißnaht 3 ist aufgrund des Schweißprozesses aus dem Material des Werkstücks 1 selbst und dem der Beschichtung 5 gebildet und damit unedler als das WerkstückMaterial. Dadurch ist die Schweißnaht 3 zunächst korrosionsanfälliger als das übrige Werkstück 1. Des weiteren steht die Schweißnaht 3 und der zu ihr benachbarte Bereich des Werkstücks 1 vor der Beschichtung unter Zugspannungen, sodass die Festigkeit und auch die Korrosionsbeständigkeit, wie eingangs erläutert, hier vermindert sind (siehe Pfeile 7).
  • Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Werkstück 1 in einem Abstand zwischen 10 und 60 mm vor einer Kaltgasspritzdüse 9 angeordnet, die hier nur schematisch dargestellt ist.
  • In der Kaltgasspritzdüse 9 werden Partikel mit einer Größe zwischen 10 und 60 µm und vorzugsweise zwischen 20 und 45 µm in einem Gasstrom 11 typischerweise auf Geschwindigkeiten oberhalb der Schallgeschwindigkeit beschleunigt. Bei dem Material der Partikel handelt es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um Aluminium, und als Prozessgas wird Stickstoff verwendet, wobei das Prozessgas vorgeheizt werden kann und einen Druck zwischen 5 bis 60 bar und bevorzugt zwischen 20 bis 40 bar hat.
  • Die Partikel in dem Gasstrom 9 treffen in dem Bereich der Schweißnaht 3 auf das Werkstück 1 und bilden über der Schweißnaht 3 eine Deckschicht 13. Dabei hat der Gasstrom 9 einen typischen Durchmesser von 2 bis 10 mm, sodass bevorzugt mehrfach in Zeilen über den Bereich der Schweißnaht 3 gefahren wird, um die Deckschicht 13 aus reinem Aluminium mit einer Dicke von 0,05 bis 10 mm auf den Bereich der Schweißnaht 3 aufzubringen.
  • Das erfindungsgemäße Aufbringen der Deckschicht 13 auf die Schweißnaht 5 mittels Kaltgasspritzens führt dazu, dass es aufgrund der hohen kinetischen Energie der Partikel und der daraus resultierenden Wärmefreigabe beim Auftreffen auf das Werkstück 1 zu einer Haftung der Partikel untereinander in der Deckschicht 13 und an dem Werkstück 1 kommt. Außerdem werden am Anfang des Beschichtungsprozesses in das Werkstück 1 selbst Druckspannungen eingebracht, durch die die nach dem Schweißen vorhandenen Zugspannungen 7 kompensiert werden. Danach werden u.a. durch den ständigen Aufprall weiterer fester Partikel in der Deckschicht 13 Druckspannungen (Pfeil 15) aufgebaut.
  • Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, durch das Aufbringen einer kaltgasgespritzten Deckschicht 13 auf die Oberfläche einer zuvor gebildeten Schweißnaht 3 die Zugspannungen 7 darin zu kompensieren und damit die Festigkeit zu erhöhen. Auf diese Weise wird außerdem die Neigung zur Rissbildung stark zu vermindert, sodass auf diese Weise auch die Korrosionsbeständigkeit der Schweißnaht 3 verbessert wird.
  • Da die Deckschicht 13 in dem hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel aus reinem Aluminium besteht, verhält sich die Deckschicht 13 anodisch sowohl zu den Werkstücken 1 als auch zu der Schweißnaht 3, sodass auch auf diesem Wege die Korrosionsbeständigkeit des geschweißten Werkstücks verbessert wird.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Nachbehandlung einer Schweißnaht (3) an einem Werkstück (1) umfassend die Schritte:
    - Bereitstellen des Werkstücks (1) mit der Schweißnaht (3) und
    - Aufbringen einer Deckschicht (13) auf die Oberfläche der Schweißnaht (3) durch Kaltgasspritzen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Größe der beim Kaltgasspritzen verwendeten Partikel zwischen 10 und 60 µm und vorzugsweise zwischen 20 und 45 µm liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Material des Werkstücks (1) Aluminium oder Aluminium-Legierungen umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Material des Werkstücks (1) Titan oder Titan-Legierungen umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Material des Werkstücks (1) Stahl umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Werkstück (1) mit einer Zink aufweisenden Beschichtung versehen ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Material des Werkstücks (1) Kupfer oder Kupferlegierungen umfasst.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bisREF 7, wobei sich das Material der Deckschicht (13) anodisch zum Material der Schweißnaht (3) verhält.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei sich das Material der Deckschicht (13) anodisch zu dem Material des Werkstücks (1) verhält.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Material der Werkstücks (1) eine Aluminium-Legierung aufweist und die Deckschicht (13) aus Aluminium besteht.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Werkstücke (1) eine Beschichtung (5) aus Aluminium aufweisen.
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