WO2011003857A2 - Zusatzwerkstoff zum löten von blechen - Google Patents

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    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/30Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 1550 degrees C
    • B23K35/302Cu as the principal constituent
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C9/00Alloys based on copper
    • C22C9/04Alloys based on copper with zinc as the next major constituent

Definitions

  • the present invention relates to a filler material for soldering sheets with the features of claim 1.
  • Additional materials of the type mentioned above are used in particular in the automotive industry, where they are used for joining thin-walled body panels.
  • it is particularly important to keep the heat input required for joining as low as possible, on the one hand to join together sheets as distortion-free and on the other hand, the zinc coating of the sheets during the joining process as little as possible damage, and so to allow a joint seam with the least susceptible to corrosion.
  • the present invention is therefore based on the object to propose a copper-containing filler, which has a relatively low melting point.
  • According to the invention contains the filler in weight percent 15 to 40% Zn, 5 to 30% Mn, 0.01 to 10% Ni, not more than 1% of the usual impurities and Cu as the remainder.
  • the relatively high proportion of zinc it is due to the interaction with the other alloying constituents that the inventive, in particular corrosion-resistant filler material not only when welding in the metal inert gas (MSG) method or laser soldering or in particular in metal inert gas (MIG) soldering stainless steel sheets is used, but due to its relatively low melting temperature, which may be significantly below 900 0 C depending on the composition of the alloy in the specified range limits, especially for joining thin sheets is suitable, with sheet thicknesses that can be less than 1, 5 mm.
  • MSG metal inert gas
  • MIG metal inert gas
  • the suitability for the solder connection of thin sheets is due in particular to the low energy requirement due to the low melting temperature.
  • the correspondingly reducible energy input results in a lower distortion of the sheets.
  • the filler material according to the invention is also particularly suitable for joint connection of different thickness sheets, as is the case for example in the transition between the body and the chassis of a vehicle.
  • the low melting temperature makes the filler according to the invention particularly suitable for joining galvanized sheets, since at a vaporization temperature of the zinc of 91 1 0 C in comparison to the use of known filler materials, a much lower evaporation rate of the zinc coating can be achieved.
  • the alloy according to the invention comprising Zn, Mn and Ni, the filler is characterized by a good flow and wetting behavior as well as good gap bridging in order to ensure a stable and tight seam as a result.
  • the high surface tension of the molten filler material which is attributable in particular to the Mn content of the alloy in conjunction with the low melting temperature, also contributes in particular.
  • the inventive filler has very good cold-forming properties, so that a manufactured from the filler material according to the invention welding or soldering wire is inexpensive to produce with a diameter of 0.8 mm or smaller. Due to the good wetting behavior and resulting from the alloy composition greyish color of the filler material, it resembles the appearance of a sheet surface, so that the filler material is particularly suitable for use in the outer skin of a body. Thus, a composite of different sheet metal blanks outer skin receives a one-piece appearance despite the solder seams.
  • the filler contains 20 to 25 wt% Zn, 8 to 13 wt% Mn and 0.2 to 1.2% Ni.
  • this embodiment is suitable for joining stainless high-alloy sheets.
  • an alloy of the filler with 22 wt .-% Zn, 10 wt .-% Mn and 0.5 weight percent Ni especially when maintaining a respective tolerance range of +/- 10% for the specified alloying components, regardless of given each actual composition of high-alloy sheets to be joined together is particularly universally applicable.
  • the filler material 27 to 33 wt .-% Zn, 15 to 25 wt .-% Mn and 2 to 6 wt .-% Ni the filler is particularly suitable for the connection of high-strength sheets, there strength increases due to the increased Ni content. With an increase in the Mn content is one Increased toughness of the material connected, so that in particular the production of falling seams is facilitated.
  • Wt .-% Ni in each case in a tolerance range of +/- 10%, has universal use.
  • the usual impurities should not exceed 0.2
  • the filler material for joining advantageous effects, which are due in particular to the rings GE melting temperature of the filler can be further increased by the filler is used to perform a soldering or welding process with a beam source as a heat input device. Since a very discrete heat input is possible by means of a beam source, it can be ensured that the already relatively low joining temperature is limited to a narrow local area, so that the risk of distortion of the blanks during joining or a high evaporation rate applied to the sheet blanks zinc coating is further minimized.
  • the filler according to the invention is suitable for use in the arc process; both in continuous operation and in pulsed operation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zusatzwerkstoff zum Löten von Stahlblechen, wobei der Zusatzwerkstoff in Gew.-% 15 bis 40 % Zn, 5 bis 30 % Mn, 0,01 bis 10 % Ni sowie übliche Verunreinigungen nicht mehr als 1 % und als Rest Cu enthält.

Description

Zusatzwerkstoff zum Löten von Blechen
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zusatzwerkstoff zum Löten von Blechen mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Zusatzwerkstoffe der eingangsgenannten Art finden insbesondere Verwendung in der Automobilindustrie, wo sie zum Fügen dünnwandiger Karosseriebleche eingesetzt werden. Beim Fügen der in der Regel mit Zink beschichteten dünnwandigen Karosseriebleche kommt es insbesondere darauf an, den zum Fügen benötigten Wärmeeintrag so gering wie möglich zu halten, um einerseits miteinander zu verbindende Bleche möglichst verzugsfrei zu fügen und andererseits die Zinkbeschichtung der Bleche beim Fügevorgang möglichst geringfügig zu beschädigen, und so eine Fügenaht mit möglichst geringer Korrosionsanfälligkeit zu ermöglichen.
Aufgrund des bei den bekannten, Kupfer enthaltenden Zusatzwerkstoffen regelmäßig oberhalb von 1000 0C liegenden Schmelzpunkt sind entsprechend hohe Temperaturen für die Durchführung des Fügevorgangs notwendig. Einerseits führen diese hohen Temperaturen zu einem Verdampfen der Zinkbeschichtung der Karosseriebleche im Bereich der Fügeverbindung und zum anderen werden durch die hohen Temperaturen thermische Spannungen in den miteinander zu fügenden Blechzuschnitten erzeugt, die die Aufbringung entsprechender Haltekräfte erforderlich macht um einen Verzug der Blechzuschnitte zu verhindern, der ansonsten zu Verwerfungen der Blechzuschnitte bzw. ungleichmäßiger Spaltausbildung des durch die Fügeränder der Blechzuschnitte definierten Fügespaltes führen würde.
Aus den im Stand der Technik bekannten Nachteilen wird deutlich, dass Bedarf an einem kupferhaltigen Zusatzwerkstoff besteht, der die Durch- führung von Fügevorgängen an dünnwandigen Blechen bereits bei vergleichsweise geringer Fügetemperatur ermöglicht, um die erkannten Nachteile zu verhindern, so dass einerseits die Verdampfung der Zinkbe- schichtung verhindert oder zumindest reduziert wird und andererseits eine Reduzierung der beim Fügevorgang auftretenden Verzugskräfte möglich wird, die es ermöglichen, dass bereits vergleichbar geringe Kräfte zur Fixierung der miteinander zu fügenden Blechzuschnitte ausreichend sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen kupferhaltigen Zusatzwerkstoff vorzuschlagen, der einen vergleichsweise geringen Schmelzpunkt aufweist.
Diese Aufgabe wird durch einen Zusatzwerkstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß enthält der Zusatzwerkstoff in Gewichtsprozent 15 bis 40 % Zn, 5 bis 30 % Mn, 0,01 bis 10 % Ni, nicht mehr als 1 % der üblichen Verunreinigungen und Cu als Rest.
Insbesondere dem vergleichsweise hohen Zinkanteil ist es im Zusammenwirken mit den weiteren Legierungsbestandteilen zu verdanken, dass der erfindungsgemäße, insbesondere korrosionsbeständige Zusatzwerkstoff nicht nur beim Schweißen im Metallschutzgas (MSG)-Verfahren oder Laser-Löten oder insbesondere beim Metallinertgas (MIG)-Löten rostfreier Stahlbleche einsetzbar ist, sondern aufgrund seiner relativ geringen Schmelztemperatur, die je nach Zusammensetzung der Legierung in den angegebenen Bereichsgrenzen wesentlich unter 900 0C liegen kann, ganz besonders zum Fügen von dünnen Blechen geeignet ist, mit Blechstärken, die kleiner als 1 ,5 mm sein können.
Die Eignung für die Lötverbindung dünner Bleche ist insbesondere auf den aufgrund der niedrigen Schmelztemperatur nur geringen Energiebedarf zurückzuführen. Die somit entsprechend reduzierbare Energieein- bringung führt im Ergebnis zu einem geringeren Verzug der Bleche.
Aufgrund der geringen Verzugsgefahr ist der erfindungsgemäße Zusatzwerkstoff auch besonders zur Fügeverbindung unterschiedlich dicker Bleche geeignet, wie es beispielsweise im Übergang zwischen der Karosserie und dem Chassis eines Fahrzeugs der Fall ist. Die geringe Schmelztemperatur macht den erfindungsgemäßen Zusatzwerkstoff besonders geeignet zum Fügen von verzinkten Blechen, da bei einer Verdampfungstemperatur des Zinks von 91 10C im Vergleich zur Verwendung bekannter Zusatzwerkstoffe eine wesentlich geringere Verdampfungsrate der Zinkbeschichtung erzielbar ist. Weiterhin zeichnet sich der Zusatzwerkstoff aufgrund der erfindungsgemäß Zn, Mn und Ni aufweisenden Legierung durch ein gutes Flies- und Benetzungsverhalten sowie eine gute Spaltüberbrückung aus, um im Ergebnis eine stabile und dichte Naht zu gewährleisten. Zur Erzielung einer guten Spaltüberbrückung trägt auch besonders die hohe Oberflä- chenspannung des aufgeschmolzenen Zusatzwerkstoffs bei, die insbesondere auf den Mn- Anteil der Legierung in Verbindung mit der niedrigen Schmelztemperatur zurückzuführen ist.
Darüber hinaus ist es insbesondere auf den vergleichsweise hohen
Zinkanteil zurückzuführen, dass der erfindungsgemäße Zusatzwerkstoff über sehr gute Kaltverformungseigenschaften verfügt, so dass ein aus dem erfindungsgemäßen Zusatzwerkstoff gefertigter Schweiß- oder Lotmitteldraht kostengünstig auch mit einem Durchmesser von 0,8 mm oder kleiner herstellbar ist. Aufgrund des guten Benetzungsverhaltens und der sich aus der Legierungszusammensetzung ergebenden gräulichen Farbe des Zusatzwerkstoffs ähnelt er im Erscheinungsbild einer Blechoberfläche, so dass der Zusatzwerkstoff besonders für eine Verwendung im Außenhautbereich einer Karosserie geeignet ist. Somit erhält eine aus unterschiedlichen Blechzuschnitten zusammengesetzte Außenhaut trotz der Lotnähte eine einstückige Anmutung.
Weiterhin werden aufgrund des guten Fließ- und Benetzungsverhaltens bei lediglich geringem Energiebedarf vergleichsweise hohe Fügegeschwindigkeiten möglich. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Zusatzwerkstoff 20 bis 25 Gew.-% Zn, 8 bis 13 Gew.-% Mn und 0,2 bis 1 ,2 % Ni. Insbesondere aufgrund des relativ hohen Mangananteils eignet sich diese Ausführungsform zum Fügen von rostfreien hochlegierten Blechen.
Dabei hat sich herausgestellt, dass eine Legierung des Zusatzwerkstoffes mit 22 Gew.-% Zn, 10 Gew.-% Mn und 0,5 Gewichtsprozent Ni, insbesondere bei Einhaltung eines jeweiligen Toleranzbereiches von +/- 10 % für die angegebenen Legierungsbestandteile, ungeachtet der jeweils gegebenen tatsächlichen Zusammensetzung der miteinander zu fügenden hochlegierten Bleche besonders universell einsetzbar ist. Wenn gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Zusatzwerkstoff 27 bis 33 Gew.-% Zn, 15 bis 25 Gew.-% Mn und 2 bis 6 Gew.-% Ni enthält, eignet sich der Zusatzwerkstoff in besonderem Maße zur Verbindung von hochfesten Blechen, da aufgrund des erhöhten Ni- Gehalts die Festigkeit steigt. Mit einer Erhöhung des Mn-Gehalts ist eine Steigerung der Zähigkeit des Werkstoffs verbunden, so dass insbesondere die Herstellung von fallenden Nähten erleichtert wird.
Ungeachtet der jeweils gegebenen tatsächlichen Zusammensetzung der miteinander zu fügenden hochfesten Bleche hat es sich herausgestellt, dass ein Zusatzwerkstoff, der 30 Gew.-% Zn, 20 Gew.-% Mn und 4
Gew.-% Ni, insbesondere jeweils in einem Toleranzbereich von +/- 10 %, aufweist, universell einsetzbar ist.
Um einen Einfluss der üblichen Verunreinigungen auf die vorteilhaften Eigenschaften des Zusatzwerkstoffs weitestgehend ausschließen zu können, sollten die üblichen Verunreinigungen nicht mehr als 0,2
Gew.-% Al und Sn sowie nicht mehr als 0, 1 Gew.-% Mg, Cr und Co aufweisen.
Als besonders vorteilhaft hinsichtlich der Festigkeit sowie einer leichteren Benetzung auf Stahlwerkstoffen beim Fügen hat sich ein Zusatzwerk- stoff herausgestellt, der als weiteren Bestandteil 0,01 bis 4 Gew.-% Fe aufweist. Ebenfalls festigkeitssteigernd wirkt sich ein Zusatz von 0,01 bis 0,5 Gew.-% Si aus.
Die vorstehend erläuterten, bei Verwendung des Zusatzwerkstoffes zum Fügen erreichbaren vorteilhaften Effekte, die insbesondere auf die ge ringe Schmelztemperatur des Zusatzwerkstoffes zurückzuführen sind, lassen sich noch dadurch steigern, dass der Zusatzwerkstoff zur Durchführung eines Löt- oder Schweißverfahrens mit einer Strahlquelle als Wärmeeintragseinrichtung eingesetzt wird. Da mittels einer Strahlquelle ein sehr diskreter Wärmeeintrag möglich ist, kann sichergestellt werden, dass die ohnehin relativ geringe Fügetemperatur auf einen engen lokalen Bereich begrenzt wird, so dass das Risiko eines Verzuges der Blechzuschnitte beim Fügen bzw. einer hohen Verdampfungsrate einer auf die Blechzuschnitte aufgebrachten Zinkbeschichtung weiter minimiert wird. Insbesondere eignet sich der erfindungsgemäße Zusatzwerkstoff für eine Verwendung im Lichtbogenverfahren; sowohl im Dauerbetrieb als auch im Impulsbetrieb.

Claims

Patentansprüche
1. Zusatzwerkstoff zum Löten von Blechen,
d a dur c h g e k e nnz e i c hn e t,
dass der Zusatzwerkstoff in Gew.-%
15 bis 40 % Zn,
5 bis 30 % Mn,
0,01 bis 10 % Ni
sowie übliche Verunreinigungen nicht mehr als 1 % und als Rest Cu enthält.
2. Zusatzwerkstoff nach Anspruch 1,
g e k e nnz e i c hn e t dur c h,
20 bis 25 % Zn,
8 bis 13 % Mn,
0,2 bis 1,2 % Ni.
3. Zusatzwerkstoff nach Anspruch 2,
g ek ennz e ic hnet durc h,
22 % Zn,
10 % Mn,
0,5 % Ni.
4. Zusatzwerkstoff nach Anspruch 1,
g ek ennz e ic hnet durc h,
27 bis 33 % Zn,
15 bis 25 % Mn,
2 bis 6 % Ni.
5. Zusatzwerkstoff nach Anspruch 4,
g ek ennz e ic hnet durc h,
30 % Zn,
20 % Mn,
4 % Ni.
6. Zusatzwerkstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a dur c h g ek ennz e i c hnet,
dass die Verunreinigungen in Gew.-%
Al < 0,2 %,
Sn < 0,2 %,
Mg < 0,1 %,
Cr < 0,1 %,
Co < 0,1 %,
enthalten.
7. Zusatzwerkstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch,
0,01 bis 4 Gew.-% Fe.
8. Zusatzwerkstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch,
0,01 bis 0,05 Gew.-% Si.
9. Verwendung des Zusatzwerkstoffs nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Durchführung eines Löt- bzw. Schweißverfahrens mit einer Strahlquelle als Wärmeeintragseinrichtung.
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