DE10017453A1 - Verfahren zur Herstellung einer Schweiß- bzw. Lötverbindung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Schweiß- bzw. Lötverbindung zwischen einem Stahl- und einem Aluminiumwerkstoff (1, 2) unter Verwendung eines Zusatzwerkstoffes (3), wobei der Stahlwerkstoff (1) zuvor zumindest im Bereich der herzustellenden Verbindung mit einer Beschichtung versehen wird. Eine Verbindung, bei der das Auftreten intermetallischer Phasen soweit als möglich bzw. gänzlich vermieden wird, so dass die Verbindung hohen mechanischen Beanspruchungen standhält, ist dadurch erreichbar, dass sowohl für den Zusatzwerkstoff (3) als auch für die Beschichtung ein Werkstoff auf Zink-Basis verwendet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Schweiß- bzw. Lötverbindung zwischen einem Stahl- und einem Aluminiumwerkstoff unter Verwendung eines Zusatzwerkstoffes, wobei der Stahlwerkstoff zuvor zumindest im Bereich der herzustellenden Verbindung mit einer Beschich­ tung versehen wird.

Auf dem Wege zum Leichtbau, insbesondere im Fahrzeug-Karosseriebau, wird zunehmend auch der Weg der Mischbauweise beschritten. Dies bringt die Notwendigkeit mit sich, unterschiedliche Werkstoffe, wie beispielsweise Stahl und Aluminium oder auch Magnesium, mittels thermischer Verbin­ dungen (Schweißen, Löten) zu fügen. Als Beispiel für eine Vielzahl bereits vorliegender Veröffentlichungen hierzu wird auf den Aufsatz "Verfahren zum Laserstrahlfügen von Aluminium mit Stahl im Dünnblechbereich" in - Schweißen und Schneiden -, 48.1996, 3, Seiten 187 bis 189 verwiesen.

Auch die DE 33 04 556 A1 behandelt diese Thematik und beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Aluminium-Stahlübergangsstücken durch Lö­ ten. Dabei wird das Stahl-Übergangsstück teilweise durch Aluminium be­ schichtet, wobei eine Aluminiumlotlegierung aufgebracht wird, die aus einer Aluminium-Siliziumlegierung mit 11% bis 13,5% Siliziumanteil besteht.

Beim Schweißen/Löten von Aluminiumwerkstoffen mit Stahlwerkstoffen tre­ ten intermetallische, spröde Phasen sowohl in der Schweißnaht als auch an der Fest/Flüssigphasengrenze (d. h. Übergang Schmelze zu Grundwerkstoff) auf. Diese intermetallischen Phasen beeinträchtigen maßgeblich den tech­ nologischen Gebrauchswert des geschweißten Bauteiles.

Vom bekannten Stand der Technik ausgehend ist es die Aufgabe der Erfin­ dung, ein geeignetes Verfahren zur Herstellung einer Schweiß- bzw. Lötver­ bindung zwischen einem Stahl- und einem Aluminiumwerkstoff zu finden, bei dem das Auftreten intermetallischer Phasen soweit als möglich bzw. gänzlich vermieden wird, so dass die Verbindung hohen mechanischen Beanspru­ chungen standhält.

Die erfindungsgemäße Lösung ist bei einem Verfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 in dessen Kennzeichen zu sehen. Vorteilhafte Wei­ terbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wer­ den durch die Unteransprüche beansprucht.

Erfindungsgemäß erfolgt die Verbindung zwischen dem Zusatzwerkstoff und der auf dem Stahlwerkstoff vorliegenden Beschichtung (z. B. Verzinkung), um die Bildung spröder Phasen zu unterdrücken. Es sind so Verbindungen herstellbar, deren Verbindungsfestigkeit mindestens so hoch ist wie die Haf­ tung der Beschichtung auf dem Stahlwerkstoff.

Der neuartige Gedanke ist also z. B. der Einsatz eines speziellen Schweiß­ zusatzwerkstoffes auf Zink-Basis. Damit einher geht der Vorteil, dass kein Flussmittel benötigt wird und Fügegeometrien in Aluminium-Stahl-Mischbau­ weise hergestellt werden können, die z. B. mittels reiner Lötverfahren (mit Einsatz von Flussmitteln) oder Diffusionsschweißverfahren nicht oder nur eingeschränkt herstellbar sind. Bei der Erfindung handelt es sich um ein Ver­ bindungsverfahren, bei dem durch den Einsatz von Zink-Basis-Schweißzu­ satzwerkstoffen eine schmelzmetallurgische (d. h. klassische) Schweißver­ bindung auf der Seite des Aluminiumwerkstoffes und eine Art Lötverbindung mit einer bevorzugt werkstoffspezifisch "ähnlichen" Zinkschicht auf dem Stahlwerkstoff zustande kommt. Dies bedeutet, dass sich die Erfindung in besonderer Weise zum Verbinden von Aluminiumwerkstoffen mit verzinkten (z. B. elektrolytisch oder feuerverzinkten) Stahlwerkstoffen eignet, wie sie beispielsweise im Fahrzeug-Karosseriebau zum Einsatz kommen.

Für das Zustandekommen der Anbindung auf der Stahlseite steht also im Vordergrund, dass der Stahlwerkstoff angepasst an den Schweißzusatz­ werkstoff in geeigneter Weise beschichtet ist und somit die Schmelze nicht mit dem Stahlwerkstoff in schmelzflüssigen Kontakt kommt. Diese Schicht kann eine gebräuchliche Zink-Schicht sein, die bereits bei der Stahlblechher­ stellung aufgebracht ist oder aber auch eine andere, speziell über klassische Beschichtungsverfahren (z. B. thermisches Spritzverfahren) hergestellte Be­ schichtung im Bereich der Fügestelle, z. B. eine metallurgisch an den Schweißzusatzwerkstoff angepasste metallische Schicht. Besonders geeig­ net erscheint eine Beschichtung auf Aluminium-Basis.

Für die schmelzmetallurgische Anbindung des Zink-Basis-Schweißzusatz­ werkstoffes an den Aluminiumwerkstoff ist werkstoffkundlich (d. h. von der Legierungskonstitution des Schweißzusatzwerkstoffes) bedeutsam, dass Aluminium eine sehr hohe Mischkristalllöslichkeit für Zink aufweist (typi­ scherweise größer 30 Gewichtsprozent Zink).

Die Erfindung ist nachstehend beispielhaft erläutert und in der zugehörigen Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäß hergestellte Verbindung in Schnittdarstellung und

Fig. 2a bis 2c vorteilhafte Ausrichtungen bezüglich Laserstrahl und Zu­ satzwerkstoff-Zufuhr

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäß hergestellte Verbindung im Schnitt gezeigt. Dabei ist ein oberflächig verzinktes Stahlblech 1 mit einem Aluminium-Blechbauteil 2 über einen mittels Laserstrahllöten aufgebrachten Zusatzwerkstoff 3 verbunden. Anhand der Grenzlinien 4, 5 ist ersichtlich, dass es sich bei der Verbindung Stahlblech 1/Zusatzwerkstoff 3 im Wesentli­ chen um eine Lötverbindung handelt, während an der Übergangsstelle Alu­ minium-Blechbauteil 2/Zusatzwerkstoff 3 ein Aufschmelzen des Aluminium- Werkstoffes erfolgt ist, es sich somit um eine Schweißverbindung handelt. Auf Seiten des Stahlbleches 1 erfolgte lediglich ein Anschmel­ zen/Aufschmelzen der Beschichtung.

Durch die Verwendung eines zinkhaltigen Zusatzwerkstoffes 3 wird die phy­ sikalische Eigenschaft "Benetzung" begünstigt, da bei der Anbindung an das verzinkte Stahlblech 1 gleiche kristallographische (d. h. mit gleichem Kristall­ gitter) Werkstoffe vorliegen.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung, die sich durch besonders gute mechanische Belastbarkeit der jeweils hergestellten Verbindung auszeich­ nen sind, nachstehend tabellarisch angegeben:

Eine Optimierung der Güte der Verbindung ist durch eine bestimmte Aus­ richtung eines zur Herstellung der Verbindung verwendeten Laserstrahles 6 und der Zusatzwerkstoff-Zufuhr 7 erreichbar. Dies zeigen die Fig. 2a bis 2c.

Gemäß Fig. 2a ist es vorteilhaft, wenn der Laserstrahl in einem Winkel α = 0° bis 15°, und zwar in Richtung auf das Aluminium-Blechbauteil 2 gerichtet ist. Gemäß Fig. 2b ist eine vorteilhafte Ausrichtung des Laserstrahles 6 in bzw. entgegen Vorschubrichtung x (Schweiß- bzw. Lötnahtverlauf) in einem Winkelbereich -30° ≦ β ≦ +30° zu sehen. Gemäß Fig. 2c erfolgt die Zusatzwerkstoff-Zufuhr 7 in bzw. entgegen Vorschubrichtung x in einem Bereich -85° ≦ γ ≦ -45° bzw. +45° ≦ γ ≦ +85°.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung einer Schweiß- bzw. Lötverbindung zwischen einem Stahl- und einem Aluminiumwerkstoff unter Verwendung eines Zu­ satzwerkstoffes, wobei der Stahlwerkstoff zuvor zumindest im Bereich der herzustellenden Verbindung mit einer Beschichtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass für den Zusatzwerkstoff (3) Materialien auf Zink- Basis und für die Beschichtung auf dem Stahlwerkstoff (1) Materialien auf Zink- oder Aluminium-Basis verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer ZnAl-Legierung als Zusatzwerkstoff (3).

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ausrichtung a eines zur Herstellung der Schweiß- bzw. Lötverbindung verwendeten Laserstrahles (6) im Bereich 0° ≦ α ≦ 15° in Richtung auf den Aluminiumwerkstoff (2) durch einen Neigungswinkel β des Laserstrahles (6) in bzw. entgegen der Vorschubrichtung x im Bereich -30° ≦ β < +30°, und durch eine Neigung γ einer Zusatzwerkstoff-Zufuhr 7 in bzw. entgegen der Vorschubrichtung x im Bereich -85° ≦ γ ≦ -45° bzw. +45° ≦ γ ≦ +85°.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Parameter:
Stahlwerkstoff DC04 + ZE 75/75; Aluminiumwerkstoff AC120T6; Blechdi­ cke des Stahles 0,9 (mm); Blechdicke des Aluminiumwerkstoffes 1,1 (mm); Laserlöten; Laservorschub 2,0 (m/min); Zusatzwerkstoff Vorschub 1,2 (m/min); Laserleistung 1,8 (KW); Zusatzwerkstoff ZnAl15.

5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Parameter:
Stahlwerkstoff DC04 + ZE 75/75; Aluminiumwerkstoff 5182; Blechdicke des Stahlwerkstoffes 0,9 (mm); Blechdicke des Aluminiumwerkstoffes 1,1 (mm); Laserlöten; Laservorschub 2,0 (m/min); Zusatzwerkstoff Vorschub 1,0 (m/min); Laserleistung 1,8 (KW); Zusatzwerkstoff ZnAl15.