WO2001098018A1 - Verbindungstechnik zwischen formgedächtnis-material und stahl- oder kupfermaterial - Google Patents

Verbindungstechnik zwischen formgedächtnis-material und stahl- oder kupfermaterial Download PDF

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    • B23K2103/14—Titanium or alloys thereof

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a mechanical and electrical connection between a component made of a shape memory alloy and a component made of an optionally coated steel material or a copper material.
  • This object is achieved according to the invention in that a spot welding technique is provided using electrodes made of a Cu alloy, a current intensity of over 1000 A with an I 2 t value of over 5000 A 2 s and a pressing pressure of at least 30 MPa is set.
  • Spot welding as a special method of resistance pressure welding is carried out in a known manner (see, for example, the book "Welding Technology” by HJ Fahrenwaldt, F. Vieweg & Sohn, Braunschweig 1992, pages 79 to 86).
  • the invention is based on the knowledge that a spot welding technique between components made of the materials mentioned is only possible if these parameters mentioned above are combined and using the special electrodes. Only then can the requirements mentioned be met. Since the electrode alloy mentioned is supposed to be a base alloy, this means that the alloy either represents only two components including customary impurity elements, each in the order of at most 1% by weight, or a smaller proportion of these alloys below 10 atomic% other elements can be added. The advantages achieved with the invention are consequently to be seen in the fact that for the first time a mechanically highly resilient connection has been created between the above-mentioned components, which also fulfills the requirement for an electrically highly conductive connection.
  • the component made of steel material or copper materials to be connected to the shape memory alloy part should generally be relatively thin for reasons of heat conduction or because of the processing technology, such as the possibility of winding, ie a maximum thickness in the connection area of in particular at most 2 mm.
  • the process parameters mentioned each represent only a lower limit value. It is therefore to be regarded as advantageous if a current strength of over 2000 A is set. Because it turns out that a higher improvement in the connection properties can be achieved with higher current values.
  • a compression pressure of at least 40 MPa, preferably of at least 80 MPa is advantageously set.
  • a Cu-X alloy is particularly advantageously provided as the electrode material which, in addition to Cu as the main component (> 50 atomic%) as the X component, also contains at least one of the elements Ag, Be, Co, Cr, Cd, Fe, Hf, Mn, Mo, Nb, Pd, Pt, Ta, Ti, V, W, Zn, Zr.
  • a CuCoBe alloy of the type Cu x Co y Be z with 50 ⁇ x 99 99, 8, 0.1 ⁇ y ⁇ 20 and 0.1 ⁇ z ⁇ 20 (in each case in atom%) is preferably provided.
  • x + y + z »100 (in atom%) including small impurity elements each less than 1 atom% applies.
  • the electrode materials to be used ensure good electrical conductivity, high mechanical strength and a special compatibility with the materials to be welded.
  • Electrode materials can be used to weld components made of the NiTi or Ni-TiCu shape memory alloy to copper-plated steel sheets particularly well.
  • Corresponding electrically well-conductive and mechanically highly resilient connections are required in particular for circuit breakers with switching elements made of shape memory alloys (cf. the text passage mentioned from the book "Engineering Aspects of Shape Memory Alloys”. Similar connection problems also exist when parts are formed from a shape memory Alloy with a sheet or a strand made of Cu or a Cu alloy, the method according to the invention can also be used particularly advantageously here.
  • the method according to the invention can also be used to spot weld components made of other known shape memory alloys to sheets or strands made of steel material or copper material.
  • other shape memory alloys are of course also to be used.
  • Cu-Al shape memory alloys come into question.
  • a corresponding Cu-Zn24All3 alloy is from “Z. Metallkde. ", Vol. 79, H.

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Abstract

Mit dem Verfahren ist ein Bauteil aus einer Formgedächtnis-Legierung mit einem dünnen Bauteil aus Stahlmaterial oder ei-nem Kupfermaterial zu verbinden. Es soll eine Punktschweiß-technik vorgesehen werden unter Verwendung von Elektroden aus einer Cu-Legierung. Dabei soll eine Stromstärke von über 1000 A, vorzugsweise über 2000 A, bei einem I2t-Wert von über 5000 A2s, vorzugsweise über 8000 A2s, und ein Pressdruck von mindestens 30 MPa, vorzugsweise 80 MPa, eingestellt werden.

Description

Beschreibung
Verbindungstechnik zwischen Formgedächtnis-Material und Stahl- oder Kupfermaterial
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer mechanischen und elektrischen Verbindung zwischen einem Bauteil aus einer Formgedächtnis-Legierung und einem Bauteil aus einem gegebenenfalls beschichteten Stahlmaterial oder einem Kupfermaterial.
Es sind verschiedene Legierungen mit Form-Gedächtnis- Eigenschaften bekannt, die bei Erwärmung ihre Form ändern und nach Beendigung des Erwärmungsvorganges ihre ursprüngliche Gestalt wieder annehmen. So gehen z.B. aus „Materials Science and Engineering", Vol. A 202, 1995, Seiten 148 bis 156 verschieden zusammengesetzte Ti-Ni- und Ti-Ni-Cu-Legierungen hervor, die sich z.B. bei einer Erwärmung auf 200 °C um mehrere Prozent verkürzen. Entsprechende Bauteile werden insbeson- dere in Leitungsschutzschaltern eingesetzt (vgl. z.B. das Buch „Engineering Aspects of Shape Memory Alloys" , Verlag Butterworth-Heinemann, London (GB) 1990, Seiten 330 bis 337) . In solchen Leitungsschutzschaltern tritt das Problem auf, dass Bauteile aus solchen Formgedächtnis-Legierungen mit Bau- teilen aus Stahlblech oder verkupfertem Stahlblech oder mit Kupferbändern zu verbinden sind, wobei eine hohe mechanische Belastbarkeit bei gleichzeitig guter elektrischer Stromtragfähigkeit mit geringem Übergangswiderstand zu gewährleisten ist. Es hat sich jedoch gezeigt, dass entsprechende Verbin- düngen mittels gängiger Schweißtechnologie nicht ohne weiteres realisierbar sind. Bekannte Einrichtungen mit entsprechenden Verbindungen weisen deshalb aufwendige Verschraubun- gen, Klemmungen oder Zusammenquetschungen (beispielsweise sogenanntes „Crimpen ) auf . Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Herstellung einer mechanisch und elektrisch hoch belastbaren Verbindung zwischen solchen Bauteilen anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Punktschweißtechnik vorgesehen wird unter Verwendung von E- lektroden aus einer Cu-Legierung, wobei eine Stromstärke von über 1000 A bei einem I2t-Wert von über 5000 A2s und einem Pressdruck von mindestens 30 MPa eingestellt wird. Das Punkt- schweißen als Spezialverfahren des Widerstandspressschweißens erfolgt dabei in bekannter Weise (vgl. z.B. das Buch „Schweißtechnik" von H. J. Fahrenwaldt, Verlag F. Vieweg & Sohn, Braunschweig 1992, Seiten 79 bis 86) .
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass erst bei einer Kombination dieser vorstehend genannten Parameter und unter Verwendung der besonderen Elektroden eine Punktschweißtechnik zwischen Bauteilen aus den genannten Materialien möglich ist. Erst dann sind die die angesprochenen For- derungen zu erfüllen. Da es sich bei der genannten Elektroden-Legierung um eine Basislegierung handeln soll, bedeutet dies, dass die Legierung entweder nur zwei Komponenten unter Einschluss von üblichen Verunreinigungselementen in der Größenordnung von jeweils maximal 1 Gew.-% darstellt oder dieser Legierungen zu einem geringeren Anteil von unter 10 Atom-% noch weitere Elemente hinzulegiert sein können. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind folglich darin zu sehen, dass erstmalig eine mechanisch hoch belastbare Verbindung zwischen den genannten Bauteilen geschaffen ist, die auch die Anforderung an eine elektrisch gut leitende Verbindung erfüllt. Das mit dem Formgedächtnis-Legierungsteil zu verbindende Bauteil aus Stahlmaterial oder Kupfermaterialien sollte im Allgemeinen dabei aus Wärmeleitungsgründen oder wegen der Verarbeitungstechnik wie z.B. einer Aufwicklungsmöglichkeit verhältnismäßig dünn sein, d.h. eine maximale Dicke im Verbindungsbereich von insbesondere höchstens 2 mm besitzen. Die genannten Verfahrensparameter stellen dabei jeweils lediglich einen unteren Grenzwert dar. So ist es als vorteilhaft anzusehen, wenn eine Stromstärke von über 2000 A eingestellt wird. Denn es zeigt sich, dass mit höheren Stromstärkewerten eine weitere Verbesserung der Verbindungseigenschaften zu erreichen ist.
Dies trifft insbesondere auch dann zu, wenn ein I2t-Wert von über 8000 A2s vorgesehen wird.
Da auch der Pressdruck in die Qualität der Verbindung eingeht, wird vorteilhaft ein Pressdruck von mindestens 40 MPa, vorzugsweise von mindestens 80 MPa, eingestellt.
Als besonders vorteilhaft ist es anzusehen, wenn eine Kombination von folgenden Parametern vorgesehen wird: Stromstärke: etwa 2000 A, I2t-Wert: etwa 10000 A2s, Pressdruck: etwa 150 MPa. Jeder der drei genannten Parameter kann dabei auf ± 10 % von dem genannten Wert abweichen, ohne dass sich eine wesentliche Verschlechterung der Verbindungseigenschaften ergibt.
Verwendbare Elektrodenwerkstoffe aus einer Cu-Legierung sind aus DIN ISO 5182 zu entnehmen. Hierfür geeignete Elektrodenformen sind aus DIN ISO 5821 bekannt. Besonders vorteilhaft wird als Elektrodenwerkstoff eine Cu-X-Legierung vorgesehen, die neben Cu als Hauptbestandteil (> 50 Atom-%) als X- Komponente zumindest noch eines der Elemente Ag, Be, Co, Cr, Cd, Fe, Hf, Mn, Mo, Nb, Pd, Pt, Ta, Ti, V, W, Zn, Zr enthält. Vorzugsweise wird eine CuCoBe-Legierung vorgesehen vom Typ CuxCoyBez mit 50 < x ≤ 99, 8, 0,1 < y < 20 und 0,1 < z < 20 (jeweils in Atom-%) . Dabei gilt x + y + z » 100 (in Atom-%) unter Einschluss geringer Verunreinigungselemente jeweils un- ter 1 Atom-% . Die zu verwendenden Elektrodenwerkstoffe gewährleisten eine gute elektrische Leitfähigkeit, eine hohe mechanische Festigkeit sowie eine besondere Verträglichkeit mit den zu verschweißenden Materialien.
Mit diesen Elektrodenmaterialien lassen sich besonders gut Anschweißungen von Bauteilen aus der genannten NiTi- oder Ni- TiCu-Formgedächtnis-Legierung an verkupferte Stahlbleche vornehmen. Entsprechende elektrisch gut leitende und mechanisch hoch belastbare Verbindungen werden insbesondere für Leitungsschutzschalter mit Schaltelementen aus Formgedächtnis- Legierungen benötigt (vgl. die genannte Textstelle aus dem Buch „Engineering Aspects of Shape Memory Alloys" . Ähnliche Verbindungsprobleme sind auch gegeben, wenn man Teile aus einer Formgedächtnis-Legierung mit einem Blech oder einer Litze aus Cu oder einer Cu-Legierung miteinander verbinden will. Auch hier ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft einzusetzen.
Selbstverständlich sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Bauteile aus anderen bekannten Formgedächtnis- Legierungen an Bleche oder Litzen aus Stahlmaterial oder Kupfermaterial punktförmig anzuschweißen. So sind z.B. in „In- termetallics" , Vol. 3, 1995, Seiten 35 bis 46 und „Scripta METALLURGICA et MATERIALIA" , Vol. 27, 1992, Seiten 1097 bis 1102 sind verschiedene geeignete Ti5oNi50-χPdx-Formgedächtnis- Legierungen beschrieben. Statt der Ti-Ni-Legierungen sind selbstverständlich auch andere Formgedächtnis-Legierungen zu verwenden. So kommen beispielsweise Cu-Al-Formgedächtnis- Legierungen in Frage. Eine entsprechende Cu-Zn24All3- Legierung ist aus „Z. Metallkde.", Bd. 79, H. 10, 1988, Sei- ten 678 bis 683 zu entnehmen. In „Scripta Materialia" , Vol. 34, No. 2, 1996, Seiten 255 bis 260 ist eine weitere Cu-Al- Ni-Formgedächtnis-Legierung beschrieben. Selbstverständlich können zu den vorerwähnten binären oder ternären Legierungen noch weitere Legierungspartner wie z.B. Hf in an sich bekann- ter Weise hinzulegiert sein. Für das erfindungsgemäße Verfahren sind Vorrichtungen der gängigen Punktschweißtechnologie zu verwenden. Entsprechende Vorrichtungen zeigt z.B. der genannte Auszug aus dem Buch „Schweißtechnik" .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer mechanischen und elektrischen Verbindung zwischen einem Bauteil aus einer For ge- dächtnis-Legierung und einem dünnen aus einem gegebenenfalls beschichteten Stahlmaterial oder einem Kupfermaterial, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Punktschweißtechnik vorgesehen wird unter Verwendung von E- lektroden aus einer Cu-Legierung, wobei eine Stromstärke von über 1000 A bei einem I2t-Wert von über 5000 A2s und einem Pressdruck von mindestens 30 MPa eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Stromstärke von über 2000 Α eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein I2t-Wert von über 8000 A2s eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Pressdruck von mindestens 40 MPa, vorzugsweise von mindestens 80 MPa, eingestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Stromstärke von etwa 2000 A, ein I2t-Wert von etwa 10000 A2s und ein Pressdruck von etwa 150 MPa eingestellt werden, wobei die genannten Wer- te jeweils auf + 10 % genau eingehalten werden.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als E- lektrodenwerkstoff eine Cu-Legierung vorgesehen wird, die ne- ben Cu als Hauptbestandteil zumindest noch eines der Elemente Ag, Be, Co, Cr, Cd, Fe, Hf, Mn, Mo, Nb, Pd, Pt, Ta, Ti, V, W, Zn, Zr enthält.
7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Elektrodenwerkstoff eine CuCoBe-Legierung vorgesehen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Elektrodenwerkstoff eine CuxCoyBez-Legierung vorgesehen wird mit 50 < x < 99,8,
0,1 < y < 20 und 0,1 < z < 20, wobei gilt x + y + z « 100 (jeweils in Atom-%) unter Einschluss geringer Verunreinigungselemente jeweils unter 1 Atom-%.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Bau- teil aus dem Stahlmaterial oder dem Kupfermaterial mit einer Dicke zwischen 0,1 bis 5 mm, vorzugsweise 0,5 bis 2 mm, vorgesehen wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,. d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Bauteil aus einem verkupferten Stahlblech vorgesehen wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Bauteil aus einer Kupferlitze aus Kupfer oder einer Kupferlegierung vorgesehen wird.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Formgedächtnis-Legierung eine TiNi- oder TiNiCu- oder TiNiPd- oder CuAl- oder CuAlNi- oder CuAlZn-Legierung vorgesehen wird, die gegebenenfalls noch weitere Komponenten mit jeweils einem Anteil unter 5 Atom-% enthält.
13. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Formgedächtnis- Legierung vorgesehen wird, der Hf hinzulegiert ist.
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