PL227674B1

PL227674B1 - Method for joining elements from copper alloys

Info

Publication number: PL227674B1
Application number: PL417023A
Authority: PL
Inventors: Zbigniew GRONOSTAJSKI; Zbigniew Gronostajski; Paweł Kaczyński; Bartosz Bartczak; Sławomir Polak; Karol Jaśkiewicz; Jakub KRAWCZYK; Jakub Krawczyk
Original assignee: Politechnika Wroclawska; Politechnika Wrocławska
Priority date: 2016-04-28
Filing date: 2016-04-28
Publication date: 2018-01-31
Also published as: PL417023A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób łączenia elementów wykonanych ze stopów magnezu z elementami metalowymi, w szczególności wykonanymi ze stali i stopów magnezu.The subject of the invention is a method of joining elements made of magnesium alloys with metal elements, in particular steel and magnesium alloys.

Powszechnie znana jest metoda zgrzewania punktowego, polegająca na dociśnięciu do siebie łączonych elementów elektrodami zgrzewarek, następnie ich nagrzaniu za pomocą przepływu prądu w miejscu łączenia (nagrzewanie jedno impulsowe lub wieloimpulsowe) i utworzenia ciekłego jądra zgrzeiny, które po zastygnięciu tworzy jednolite połączenie.The commonly known method of spot welding is based on pressing the connected elements together with welding machines' electrodes, then heating them by means of the current flow at the connection point (single-impulse or multi-impulse heating) and creating a liquid weld nucleus which, after solidification, forms a uniform connection.

Ponadto znana jest coraz częściej stosowana metoda przetłaczania (klinczowania). Blachy lub profile - poprzez przeformowanie materiału na zimno - zostają ze sobą kształtowo i siłowo połączone bez udziału materiału dodatkowego. Może przy tym chodzić o połączenia dwuwarstwowe, jak również wielowarstwowe. Ponad to mogą być łączone ze sobą, bez uszkadzania powłoki, blachy powlekane oraz uprzednio polakierowane.Moreover, the more and more frequently used method of clinching (clinching) is known. Sheets or profiles - by cold forming of the material - are connected with each other in a form and forceful manner without the use of additional material. These can be two-layer as well as multi-layer connections. Moreover, they can be joined together without damaging the coating, coated and previously varnished sheets.

W zgłoszeniu zastosowano metodę hybrydową łączącą w sobie obie wyżej opisane technologie łączenia: zgrzewanie oporowe oraz przetłaczanie mechaniczne.The application uses a hybrid method that combines both of the above-described joining technologies: resistance welding and mechanical embossing.

Z polskiego opisu patentowego nr PL169169 (B1) znany jest sposób oporowego zgrzewania punktowego blach ocynkowanych, w szczególności programowania korekty natężenia prądu zgrzewania w serii punktów określonej trwałością elektrod. Charakteryzuje się tym, że wartość natężenia prądu zgrzewania (I_n), podana w amperach, dla kolejnych zgrzein (n) w serii wyznacza się dla elektrod kulistych o promieniu czaszy (R), podanym w milimetrach.Polish patent specification no. PL169169 (B1) discloses a method of resistance spot welding of galvanized sheets, in particular programming the correction of the welding current intensity in a series of points determined by the durability of the electrodes. It is characterized by the fact that the value of the welding current (I _n ), given in amperes, for successive welds (n) in the series is determined for spherical electrodes with the radius of the bowl (R), given in millimeters.

Sposób zgrzewania tarciowego ujawniono w opisie patentowym nr PL161154 (B1) który charakteryzuje się tym, że w osi obrotu zgrzewanych elementów, od strony zgrzewanych powierzchni, wykonuje się po jednym współosiowym otworze, a ponadto w jednym z tych elementów wykonuje się otwór łączący zewnętrzną powierzchnię z otworem współosiowym, po czym do jednego z współosiowych otworów wkłada się ruchomy element, korzystnie w postaci rurowego kołka, mający dwa otwory prostopadłe do jego osi i usytuowane w pobliżu jego obu końców. Suma długości ruchomego elementu i całkowitego skrócenia osiowego zgrzewania jest mniejsza od sumy długości obu współosiowych otworów. Następnie zgrzewane elementy ustawia się do siebie równolegle zgrzewanymi płaszczyznami i łączy metodą tarciową.The method of friction welding is disclosed in the patent description No. PL161154 (B1), which is characterized in that in the axis of rotation of the welded elements, from the side of the welded surfaces, one coaxial hole is made, and in addition, an opening is made in one of these elements, connecting the outer surface with a coaxial hole, and then a movable element, preferably in the form of a tubular pin, is inserted into one of the coaxial holes, having two holes perpendicular to its axis and located near both ends thereof. The sum of the length of the movable element and the total shortening of the axial welding is less than the sum of the lengths of the two coaxial holes. Then, the elements to be welded are positioned in parallel with the planes to be welded and joined by the frictional method.

Z międzynarodowego zgłoszenia patentowego nr WO2014196499 (A1) znane jest złącze zgrzewane punktowo utworzone przez ułożenie wielu płytek stalowych (1A, 1B) oraz zgrzewanie punktowe. Przekrój wytrzymałości na rozciąganie w miejscu zgrzewania połączenia utworzony jest za pomocą zgrzeiny, przy czym co najmniej jedną z wielu płyt stalowych jest blacha stalowa o dużej wytrzymałości na rozciąganie, 750 (MPa) do 2500 (MPa) oraz o współczynniku węgla (Ceq) wynoszącym 0,20% wagowych do 0,55% wagowych.From the international patent application no. WO2014196499 (A1) a spot welded joint formed by the stacking of a plurality of steel plates (1A, 1B) and spot welding is known. The cross-section of the tensile strength at the point where the joint is welded is formed by a weld, where at least one of the many steel plates is a steel plate with high tensile strength, 750 (MPa) to 2500 (MPa) and with a carbon coefficient (Ceq) of 0 20 wt% to 0.55 wt%.

W kanadyjskim zgłoszeniu patentowym nr CA2014291630 (A1) ujawniono urządzenie i sposób mocowania różnych metali, takich jak stal oraz aluminium wykorzystujące nit stalowy oraz urządzenie do zgrzewania punktowego. Nit i metale są zamocowane w maszynie i ciepło z prądu elektrycznego zgrzewania zmiękczając aluminium o niższej temperaturze topnienia umożliwia na przeniknięcie nitu nitowi ze stali w łączone blachy aluminiowe.Canadian Patent Application No. CA2014291630 (A1) discloses a device and method for fastening various metals such as steel and aluminum using a steel rivet and a spot welding device. The rivet and metals are fixed in the machine and the heat from the electric welding current softening the lower melting point aluminum allows the rivet to penetrate the steel rivet into the aluminum sheets to be joined.

Natomiast z europejskiego zgłoszenia patentowego nr EP2921241 (A1) znane jest urządzenie zaciskające zawierające stempel mający specjalnie zwymiarowaną stożkową powierzchnię, która polepsza wytrzymałość zacisku utworzonego wraz z nim. W innym aspekcie, stożkowa powierzchnia pod kątem 20-35° w sąsiedztwie dalszego końca stempla zaciskania również powoduje zwiększenie wytrzymałości złączy.On the other hand, from European patent application No. EP2921241 (A1) a clamping device is known which comprises a punch having a specially dimensioned conical surface which improves the strength of the clamp formed with it. In another aspect, the tapered surface at an angle of 20-35 ° adjacent the distal end of the crimp punch also increases the strength of the joints.

Sposób łączenia elementów wykonanych ze stopów magnezu z elementami metalowymi, w szczególności wykonanymi ze stali i stopów magnezu według wynalazku polega na tym, że co najmniej dwa łączone elementy wykonane ze stali nagrzewa się do temperatury od 100 do 600°C i tak podgrzane elementy następnie łączy się za pomocą stempla i matrycy przez plastyczne odkształcenie materiału.The method of joining elements made of magnesium alloys with metal elements, in particular made of steel and magnesium alloys according to the invention, consists in heating at least two elements to be connected made of steel to a temperature of 100 to 600 ° C and the heated elements then being joined. by means of a punch and die by plastic deformation of the material.

Korzystnie łączone elementy nagrzewa się oporowo za pomocą przepływu prądu elektrycznego, najkorzystniej do temperatury 380°C.The elements to be connected are preferably resistively heated by means of electric current flow, most preferably to a temperature of 380 ° C.

Korzystnie stosuje się zgrzewarkę zwarciową lub grzałkę indukcyjną.Preferably, a short-circuit welder or an induction heater is used.

Korzystnie łączone elementy mają postać blach w proporcji grubości blachy grubszej G_gdo grubości blachy cieńszej GC wynoszącej G_g/GC = 1:3.Preferably, the joined elements are in the form of sheets in the proportion of the thicker sheet thickness G _g to the thinner sheet thickness GC, equal to G _g / GC = 1: 3.

PL 227 674 B1PL 227 674 B1

Zaletą wynalazku sposobu łączenia według wynalazku jest zwiększenie temperatury elementów wykonanych ze stopu magnezu. Zabieg ten zwiększa właściwości plastyczne łączonych elementów co zapobiega ich pękaniu podczas odkształcania i poprawia jakość złącza.The advantage of the invention of the joining method according to the invention is to increase the temperature of the elements made of magnesium alloy. This treatment increases the plastic properties of the joined elements, which prevents them from cracking during deformation and improves the quality of the joint.

W przypadku łączenia różnych materiałów element usytuowany od strony stempla wykonany jest ze sztywniejszego materiału, np. stali, zaś materiał od strony matrycy wykonany jest ze stopów magnezu. Elementy podczas nagrzewania zamontowane są bezpośrednio pomiędzy stemplem a matrycą co znacznie skraca czas od uzyskania przez łączone elementy wymaganej temperatury do wykonania połączenia.In the case of joining different materials, the element located on the side of the punch is made of a more rigid material, e.g. steel, and the material on the die side is made of magnesium alloys. During heating, the elements are mounted directly between the punch and the die, which significantly shortens the time from obtaining the required temperature by the joined elements to making the connection.

Sposób łączenia według wynalazku nie wymaga żadnych dodatkowych procesów przygotowawczych, jak zapewnienie odpowiedniej chropowatości powierzchni, jej odtłuszczenie, czy fazowanie krawędzi, dodatkowo wykonane połączenie może zostać obciążone od razu po jego wykonaniu i ostygnięciu materiału do temperatury pokojowej.The method of joining according to the invention does not require any additional preparatory processes, such as ensuring the appropriate surface roughness, degreasing or chamfering the edges, in addition, the joint can be loaded immediately after its implementation and the material has cooled down to room temperature.

Przedmiot wynalazku przedstawiony jest bliżej w przykładach realizacji oraz na rysunku na którym: fig. 1 przedstawia schemat części roboczej stanowiska do łączenia elementów ze stopów m agnezu obrazujący sposób łączenia zgodnie z wynalazkiem, fig. 2 przedstawia przebieg temperatury łączonych elementów i siły łączenia w czasie, fig. 3 przedstawia wykresy ścinania złącz wykonanych z podgrzaniem materiałów łączonych i bez podgrzewania.The subject of the invention is presented in more detail in the examples of implementation and in the drawing in which: Fig. 1 shows a diagram of the working part of the station for joining elements made of magnesium alloys, illustrating the method of joining according to the invention, Fig. 2 shows the course of temperature of joined elements and the strength of joining in time Fig. 3 shows shear plots of joints made with and without heating of the joint materials.

Linia przerywana na wykresie oznacza próbkę wytworzoną przez przetłaczanie bez wstępnego podgrzewania materiału. Składa się ona z blachy HC 1,5 mm od strony stempla i blachy magnezowej AZ31 1,8 mm od strony matrycy. Grubość dna złącza wynosiła 0,45 mm. Maksymalna siła zrywająca wyniosła 3300 N. Linią ciągłą oznaczono próbkę wytworzoną przez przetłaczanie z wstępnym podgrzaniem materiału. Składa się ona z blachy HC 1,5 mm od strony stempla i blachy magnezowej AZ31 1,8 mm od strony matrycy. Grubość dna złącza wynosiła 0,45 mm. Maksymalna siła zrywająca wyniosła 5050 N. Pogrzanie łączonych elementów do temperatury 380°C spowodowało wzrost maksymalnej siły tnącej o 53%.The dashed line in the diagram shows the sample produced by forcing without preheating the material. It consists of 1.5 mm HC sheet on the punch side and 1.8 mm AZ31 magnesium sheet on the die side. The thickness of the bottom of the joint was 0.45 mm. The maximum breaking force was 3300 N. A sample produced by forcing with preheating of the material was marked with a solid line. It consists of 1.5 mm HC sheet on the punch side and 1.8 mm AZ31 magnesium sheet on the die side. The thickness of the bottom of the joint was 0.45 mm. The maximum breaking force was 5050 N. Heating the joined elements to the temperature of 380 ° C increased the maximum shear force by 53%.

P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1

Sposób łączenia elementów ze stopów magnezu polega na tym, że dwa paski blachy ze stopów magnezu MG zamocowano w uchwytach U i ściśnięto przez przyłożenie siły F do uchwytów. Następnie łączone elementy podgrzano za pomocą zgrzewarki zwarciowej przez przepływ prądu od bieguna dodatniego © do ujemnego Θ. Po osiągnięciu przez elementy temperatury 380°C następowało wtłoczenie górnej blachy za pomocą stempla S w dolną, spoczywającą na matrycy M, blachę. W rezultacie po stronie stempla powstaje wnęka, a po stronie matrycy występ.The method of joining elements made of magnesium alloys is that two strips of magnesium alloy sheet MG are fixed in the U-holders and compressed by applying a force F to the holders. Then, the joined elements were heated by means of a short-circuit welding machine by the current flow from the positive pole © to the negative pole Θ. After the elements had reached the temperature of 380 ° C, the upper sheet was pressed into the lower sheet, resting on the M die, by means of a stamp S. As a result, a cavity is formed on the punch side and a projection on the die side.

P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2

Sposób łączenia elementów jak w przykładzie pierwszym, z tą różnicą, że nagrzewanie łączonych elementów wykonywane jest za pomocą grzałki indukcyjnej.The method of connecting elements is as in the first example, with the difference that the connected elements are heated by an induction heater.

P r z y k ł a d 3P r z k ł a d 3

Sposób łączenia elementów jak w przykładzie pierwszym, z tą różnicą, że materiałem od strony stempla jest blacha HC o grubości 1,5 mm, a materiałem od strony matrycy jest blacha wykonana ze stopu magnezu AZ31 o grubości 1.8 mm.The method of joining the elements is as in the first example, with the difference that the material on the punch side is 1.5 mm thick HC sheet, and the material on the die side is a sheet made of AZ31 magnesium alloy 1.8 mm thick.

Claims

The method of joining elements made of magnesium alloys with metal elements, in particular made of steel and magnesium alloys, characterized in that at least two joined elements made of steel are heated to a temperature of 100 to 600 ° C and the heated elements are then joined together. by means of a punch and a die by plastic deformation of the material.

2. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that the elements to be connected are resistively heated by the flow of electric current.

3. The method according to p. 2. The process of claim 2, characterized in that the elements to be joined are heated to a temperature of 380 ° C.

4. The method according to p. The method of claim 2, characterized in that a short-circuit welder or an induction heater is used.

5. The method according to p. A method as claimed in claim 1, characterized in that the joined elements are in the form of sheets in the proportion of the thicker sheet thickness G _g to the thinner sheet thickness G _C equal to Gg / G _C = H 1: 3.