DE102014226411A1

DE102014226411A1 - Beeinflussung der Schweißmetallurgie beim Widerstandsschweißen von Mischverbindungen

Info

Publication number: DE102014226411A1
Application number: DE102014226411.1A
Authority: DE
Inventors: Daniel Keil; Alexander Harms
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2014-12-18
Publication date: 2016-06-23

Abstract

Um einen Metallverbund aus einem ersten Bauelement und einem zweiten Bauelement vorzuschlagen, wobei die beiden Bauelemente aus chemisch unterschiedlichen Stählen bestehen können und schmelzmetallurgisch mittels Widerstandsschweißen verbunden werden können, wird vorgeschlagen, zwischen dem ersten Bauelement und dem zweiten Bauelement zumindest bereichsweise eine Zwischenschicht anzuordnen, wobei die Zwischenschicht einen Zusatzwerkstoff mit Austenitbildnern aufweist oder daraus besteht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Bauelementeverbund mit einem ersten Bauelement und ein durch Widerstandsschweißen mit dem ersten Bauelement verbundenes zweites Bauelement, wobei zwischen dem ersten Bauelement und dem zweiten Bauelement zumindest bereichsweise eine Zwischenschicht angeordnet ist.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelementeverbundes aus einem ersten Bauelement und einem zweiten Bauelement.
Stand der Technik
Für einige Anwendungsgebiete ist es wünschenswert, Bauelemente aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen miteinander zu verbinden bzw. zu fügen. Generell sind unterschiedliche Fügeverfahren zum Fügen von metallischen Bauelementen bzw. Fügepartnern bekannt.
Das Widerstandspunktschweißen von Mischverbindungen hat bedingt durch die unterschiedliche chemische Zusammensetzung der Bauelemente die Bildung ungünstiger Phasen zur Folge. Dabei handelt es sich in Abhängigkeit der zu verschweißenden Werkstoffe und in Abhängigkeit des Aufmischungsgrades in den unterschiedlichen Zonen der Schweißlinse um Härtegefüge, zum Beispiel Martensit oder Bainit.
Beim Lichtbogenschweißen kann durch Einsatz von legierungstechnisch angepassten Zusatzwerkstoffen diesem Problem entgegengetreten werden. Dabei ist es möglich, das Mischgefüge in den für die Verbindung optimalen Zustand zu bringen. Beispielsweise werden beim Laserstrahlschweißen und Elektronenstrahlschweißen hochlegierte Folien genutzt, um das Gefüge und die damit verbundenen Eigenschaften gezielt einzustellen. Des Weiteren ist bekannt, stickstoffhaltiges Schutzgas beim Schweißen von Nickelbasislegierungen zur Rissvermeidung zu verwenden. Grundsätzlich könnte das Widerstandsschweißverfahren auch bei der Herstellung von Mischverbindungen aus austenitischen hochlegierten Stählen mit hohem Kohlenstoff- und Mangangehalt mit z.B. ferritischen Stählen verwendet werden. Dabei bildet sich in der Schweißlinse allerdings ein martensitisch geprägtes Gefüge aus. Dieser Härtepeak führt bei zyklischer Belastung zu einem frühzeitigen Versagen der Verbindung, sodass die Eigenschaften des Grundwerkstoffs nicht ausgenutzt werden können. Somit ist mit dem konventionellen Widerstandspunktschweißen eine Beeinflussung des Erstarrungsgefüges nicht möglich.
Aus diesem Grund werden zur Verbindung von austenitischen hochlegierten Stählen derzeit meist Laserstrahlschweiß-, Elektronenstrahlschweißverfahren oder das Metallschutzgasschweißen angewandt. Um die Metallurgie über den Schweißprozess beeinflussen zu können, wird dabei ein Zusatzwerkstoff eingesetzt. Dadurch kann die vorab beschriebene Martensitbildung vermieden werden. Da beim Laserstrahlschweißen, Elektronenstrahlschweißen und Metallschutzgasschweißen das Schmelzbad offen und von einer Seite zugänglich ist, können Zusatzwerkstoffe mit Austenitbildnern von außen zugeführt werden.
In der DE 10 2004 009 651 B4 wird ein Verfahren zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner, insbesondere von Aluminium-Kupfer-Verbindungsstellen beschrieben. Dabei ist vorgesehen, dass ein Schweißzusatzwerkstoff aus einem metallischen Werkstoff verwendet wird und die beiden Fügepartner unter Einbindung des Schweißzusatzwerkstoffes mit Hilfe eines Energiestrahls, vorzugsweise Laserstrahls, miteinander verbunden werden.
Die DE 10 2006 059 884 A1 beschreibt einen austenitischen Schweißzusatzwerkstoff auf Eisen-Basis für das Schweißen eines austenitischen Werkstoffs mit einem weiteren Werkstoff.
Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Bauelementeverbund aus einem ersten Bauelement und einem zweiten Bauelement vorzuschlagen, wobei die beiden Bauelemente aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen bestehen können und schmelzmetallurgisch mittels Widerstandsschweißen miteinander verbunden werden können.
Erfindungsgemäß wird hierfür ein Bauelementeverbund aufweisend ein erstes Bauelement und ein durch Widerstandsschweißen mit dem ersten Bauelement verbundenes zweites Bauelement vorgeschlagen. Zwischen dem ersten Bauelement und dem zweiten Bauelement ist zumindest bereichsweise eine Zwischenschicht angeordnet. Die Zwischenschicht weist erfindungsgemäß einen Zusatzwerkstoff mit Austenitbildnern auf oder besteht aus einem austenitischen Schweißzusatzwerkstoff. Der austenitische Schweißzusatzwerkstoff beinhaltet Austenitbildner.
Das erste und zweite Bauelement weisen einen metallischen Werkstoff auf oder bestehen aus einem metallischen Werkstoff. Dabei bestehen die beiden Bauelemente bevorzugterweise aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen oder weisen zumindest unterschiedliche metallische Werkstoffe auf. Bevorzugterweise sind die beiden zu verbindenden Bauelemente überlappend angeordnet
Durch die Verwendung einer Zwischenschicht zwischen den beiden zu verbindenden Bauelementen, wobei die Zwischenschicht einen Zusatzwerkstoff mit Austenitbildnern aufweist oder aus einem austenitischen Schweißzusatzwerkstoff besteht, wird eine vergleichsweise einfache Möglichkeit bereitgestellt, die Schweißmetallurgie bei Verwenden eines Widerstandsschweißverfahrens zu beeinflussen, ohne den eigentlichen Schweißprozessablauf zu verändern. Es hat sich herausgestellt, dass lediglich geringfügige Anpassungen der Schweißparameter notwendig sein können und Prozesszeiten ansonsten beibehalten werden können. Des Weiteren sind vorteilhafterweise keine weiteren Eingriffe in die bereits bestehenden Produktionsabläufe beim Widerstandsschweißen von Bauelementen notwendig.
Erfindungsgemäß ist somit eine chemisch an die beiden Bauelemente bzw. Fügepartner angepasste Zwischenlage vorgesehen, die durch Aufschmelzen das Gefüge in der Schweißlinse in den gewünschten Zustand (Vermeidung von Härtegefüge) überführt. Dabei wird die Ausnutzung der technologischen Eigenschaften der Werkstoffe verbessert.
Durch die gezielte Beeinflussung der Metallurgie können dadurch vorteilhafterweise auch Stähle Verwendung finden, die für bestimmte Anwendungen sehr geeignet und interessant sind, jedoch aufgrund deren geringen Schweißeignung für das Widerstandsschweißen bisher nicht verwendet werden konnten. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene gezielte Beeinflussung der Schweißmetallurgie lassen sich die Unzulänglichkeiten egalisieren und ein weiteres Werkstoffspektrum erschließen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das erste Bauelement und/oder das zweite Bauelement einen austenitischen Werkstoff aufweist. Besonders bevorzugterweise besteht das erste Bauelement und/oder das zweite Bauelement aus einem legierten, beispielsweise hochlegierten, Stahl mit bevorzugterweise hohem Kohlenstoff- und Mangangehalt. Hierdurch kann eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig hoher Dehnung des Bauelementverbunds erreicht werden.
Bevorzugterweise ist die Zwischenschicht zwischen dem ersten Bauelement und dem zweiten Bauelement als Klebeschicht ausgebildet. Dabei bildet die Klebeschicht die Zwischenschicht und weist somit den Zusatzwerkstoff mit Austenitbildnern auf oder besteht aus dem austenitischen Schweißzusatzwerkstoff. Hierfür weist der Klebstoff bzw. die Klebeschicht zumindest einen Austenitbildner auf. Beispielsweise kann als Austenitbildner Stickstoff in chemisch gebundener Form im Klebstoff vorliegen.
Des Weiteren ist bevorzugterweise vorgesehen, dass die Zwischenschicht als Metallfolie ausgebildet ist. Dabei bildet die Metallfolie die Zwischenschicht und weist somit den Zusatzwerkstoff mit Austenitbildnern auf oder besteht aus dem austenitischen Schweißzusatzwerkstoff. Die Metallfolie weist hierfür zumindest einen Austenitbildner auf.
Auch ist bevorzugterweise vorgesehen, dass die Zwischenschicht als Beschichtung auf einer Oberfläche des ersten Bauelements und/oder auf einer Oberfläche des zweiten Bauelements ausgebildet und angeordnet ist. Dabei bildet die Beschichtung die Zwischenschicht und weist somit den Zusatzwerkstoff mit Austenitbildnernauf oder besteht aus dem austenitischen Schweißzusatzwerkstoff. Die Beschichtung weist hierfür zumindest einen Austenitbildner auf.
Besonders bevorzugterweise kann die Beschichtung als Zinkschicht mit mindestens einem Austenitbildner, beispielsweise Nickelpartikeln, ausgebildet sein. Auch könnte eine organische Beschichtung mit Zinkpartikeln zur Herstellung der elektrischen Leitfähigkeit vorgesehen sein, wobei zusätzlich zu den Zinkpartikeln Nickelpartikel als Austenitbildner hinzugefügt sind oder die Zinkpartikel durch Nickelpartikel ersetzt sind. Des Weiteren könnte eine organische Beschichtung vorgesehen sein, wobei Stickstoff als Austenitbildner in die Beschichtung chemisch eingebunden ist.
Bevorzugterweise weist der austenitische Zusatzwerkstoff mit Austenitbildnern Stickstoff, Mangan, Kohlenstoff und/oder Nickel auf.
Besonders bevorzugterweise weist der austenitische Schweißzusatzwerkstoff als Austenitbildner bezogen auf das Gesamtgewicht des austenitischen Schweißzusatzwerkstoffs mindestens zwischen 0,1 und 1,5 Gewichtsprozent Stickstoff und/oder mindestens zwischen 2,0 und 30,0 Gewichtsprozent Mangan und/oder mindestens zwischen 0,02 und 0,8 Gewichtsprozent Kohlenstoff und/oder mindestens zwischen 8,0 und 30,0 Gewichtsprozent Nickel auf.
Ferner weist der austenitische Schweißzusatzwerkstoff als Austenitbildner bezogen auf das Gesamtgewicht des austenitischen Schweißzusatzwerkstoffs zwischen 0,1 und 1,5 Gewichtsprozent Stickstoff und/oder zwischen 2,0 und 30,0 Gewichtsprozent Mangan und/oder zwischen 0,02 und 0,8 Gewichtsprozent Kohlenstoff und/oder zwischen 8,0 und 30,0 Gewichtsprozent Nickel auf. Ganz besonders bevorzugterweise sind zwischen 2,0 und 18,0 Gewichtsprozent Mangan vorgesehen.
Des Weiteren könnte zusätzlich oder alternativerweise als Austenitbildner Kobalt vorgesehen sein.
Bei Verwendung derartiger Austenitbildner wird der Existenzbereich des Gamma-Einphasenraums stabilisiert oder zu höheren und/oder niedrigeren Temperaturen erweitert. Insbesondere bei Verwendung der vorgenannten bevorzugten Gewichtsprozentanteile verbleibt das gesamte Stahlgefüge bei Raumtemperatur metastabil im Austenitzustand, wenn die Martensitstarttemperatur unterhalb der Raumtemperatur liegt.
Erfindungsgemäß ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelemente-verbunds aus mindestens einem ersten Bauelement und einem zweiten Bauelement vorgesehen. Das erfindungsgemäße Verfahren weist zumindest die folgenden Schritte auf:

a) Anordnen einer Zwischenschicht auf dem ersten Bauelement und/oder auf dem zweiten Bauelement, wobei die Zwischenschicht einen austenitischen Schweißzusatzwerkstoff aufweist oder daraus besteht;
b) Zusammenfügen der beiden Bauelemente, derart, dass die Zwischenschicht zumindest bereichsweise zwischen dem ersten Bauelement und dem zweiten Bauelement angeordnet wird; und
c) Fügen der beiden Bauelemente mittels Widerstandsschweißen, bevorzugterweise mittels Widerstandspunktschweißen.

Im Gegensatz zu den Schweißverfahren wie beispielsweise Lichtbogenschweißen oder Strahlschweißen ist das Schmelzbad beim Widerstandsschweißen nicht offen zu einer Seite zugänglich, sondern liegt zwischen den zu verbindenden Bauelementen bzw. Fügepartnern. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können Austenitbildner über die Verwendung einer Zwischenschicht aus einem Zusatzwerkstoff mit Austenitbildnern zur Beeinflussung der Schweißmetallurgie in den Bereich der Schweißlinse eingebracht werden.
Bevorzugterweise ist in Schritt a) vorgesehen, dass die Zwischenschicht als Klebeschicht auf eine Oberfläche des ersten Bauelements und/oder auf einer Oberfläche des zweiten Bauelements aufgebracht wird. Dabei kann die Klebeschicht als flüssiger Klebstoff aufgetragen werden oder in Form eines Klebebands aufgeklebt werden. Die Klebeschicht bildet somit die Zwischenschicht und weist den Zusatzwerkstoff mit Austenitbildnern auf oder besteht aus dem austenitischen Schweißzusatzwerkstoff. In den Klebstoff beziehungsweise in die Klebeschicht wurde hierfür vorab zumindest ein Austenitbildner eingebracht.
Auch ist bevorzugterweise in Schritt a) vorgesehen, dass die Zwischenschicht in Form einer Metallfolie auf eine Oberfläche des ersten Bauelements und/oder auf eine Oberfläche des zweiten Bauelements aufgelegt wird. Die Metallfolie bildet dabei die Zwischenschicht und weist somit den Zusatzwerkstoff mit Austenitbildnern auf oder besteht aus dem austenitischen Schweißzusatzwerkstoff. Bei der Herstellung der Metallfolie wurde hierfür vorab zumindest ein Austenitbildner in den Werkstoff für die Metallfolie eingebracht.
Bevorzugterweise ist des Weiteren vorgesehen, dass die Zwischenschicht in Schritt a) als Beschichtung auf einer Oberfläche des ersten Bauelements und/oder auf einer Oberfläche des zweiten Bauelements aufgebracht wird. Die Beschichtung bildet dabei die Zwischenschicht und weist somit den Zusatzwerkstoff mit Austenitbildnern auf oder besteht aus dem austenitischen Schweißzusatzwerkstoff.
Beispielsweise kann die Beschichtung als Zinkschicht auf eine Oberfläche eines der Bauelemente aufgebracht werden, wobei hierfür zumindest ein Austenitbildner in die Beschichtung mit eingebracht wird.
Die Beschichtung kann vorteilhafterweise aufgesprüht werden. Dabei wird die Beschichtung zumindest partiell im Bereich der Fügestellen bzw. der zu verschweißenden Bereiche auf eine Oberfläche des ersten Bauelements und/oder auf eine Oberfläche des zweiten Bauelements aufgesprüht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen schematisch:
1: Anordnen einer Zwischenschicht auf ein Bauelement,
2: Zusammenfügen von zwei Bauelementen, und
3: Fügen der beiden Bauelemente mittels Widerstandspunktschweißen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
1 bis 3 zeigen einzelne Verfahrensschritte für ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelementeverbunds 100 aus mindestens einem ersten Bauelement 10 und einem zweiten Bauelement 11.
In 1 sind zwei Bauelemente 10, 11 eines Bauelementeverbunds 100 gezeigt. In einem ersten Schritt wird auf das erste Bauelemente 10 eine Zwischenschicht 12 partiell aufgesprüht. Hierbei wird die Zwischenschicht 12 zumindest in dem Bereich aufgetragen, in dem die Schweißverbindung durch Widerstandspunktschweißen hergestellt wird.
In 2 ist ein nächster Schritt des Verfahrens gezeigt, wobei die beiden Bauelemente 10, 11 derart zusammengefügt werden, dass die Zwischenschicht 12 zumindest bereichsweise zwischen dem ersten Bauelement 10 und dem zweiten Bauelement 11 angeordnet wird.
Nach Zusammenfügen der beiden Bauelemente 10, 11 werden in einem weiteren Schritt, wie in 3 gezeigt, die beiden Bauelemente 10, 11 mittels Widerstandspunktschweißen nach Ansetzen von Elektroden einer Schweißzange 14 miteinander gefügt. Dabei werden die beiden Elektroden auf jeweils eine Außenoberfläche des ersten Bauelements 10 und des zweiten Bauelements 11 aufgesetzt und der Schweißvorgang eingeleitet.
Bezugszeichenliste

100: Bauelementeverbund
10: erstes Bauelement
11: zweites Bauelement
12: Zwischenschicht
13: Zusatzwerkstoff mit Austenitbildnern
14: Schweißzange

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004009651 B4 [0007]
DE 102006059884 A1 [0008]

Claims

Bauelementeverbund (100) aufweisend ein erstes Bauelement (10) und ein durch Widerstandsschweißen mit dem ersten Bauelement (10) verbundenes zweites Bauelement (11), wobei zwischen dem ersten Bauelement (10) und dem zweiten Bauelement (11) zumindest bereichsweise eine Zwischenschicht (12) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (12) einen Zusatzwerkstoff mit Austenitbildnern (13) aufweist oder aus einem austenitischen Zusatzwerkstoff besteht.
Bauelementeverbund (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauelement (10) und/oder das zweite Bauelement (11) einen Zusatzwerkstoff mit Austenitbildnern aufweist oder aus einem austenitischen Zusatzwerkstoff besteht.
Bauelementeverbund (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (12) als Klebeschicht ausgebildet ist.
Bauelementeverbund (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (12) als Metallfolie ausgebildet ist.
Bauelementeverbund (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (12) als Beschichtung auf einer Oberfläche des ersten Bauelements (10) und/oder auf einer Oberfläche des zweiten Bauelements (11) ausgebildet ist.
Bauelementeverbund (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwerkstoff mit Austenitbildnern (13) bezogen auf das Gesamtgewicht des Zusatzwerkstoffs mit Austenitbildnern (13) als Austenitbildner mindestens zwischen 0,1 und 1,5 Gew.-% Stickstoff und/oder mindestens zwischen 2,0 und 30,0 Gew.-% Mangan und/oder mindestens zwischen 0,02 und 0,8 Gew.-% Kohlenstoff und/oder mindestens zwischen 8,0 und 30,0 Gew.-% Nickel aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Bauelementeverbunds (100) aus mindestens einem ersten Bauelement (10) und einem zweiten Bauelement (11), gekennzeichnet durch zumindest folgende Schritte:, a) Anordnen einer Zwischenschicht (12) aufweisend einen oder bestehend aus einem Zusatzwerkstoff mit Austenitbildnern auf dem ersten Bauelement (10) und/oder auf dem zweiten Bauelement (11); b) Zusammenfügen der beiden Bauelemente (10, 11), derart, dass die Zwischenschicht (12) zumindest bereichsweise zwischen dem ersten Bauelement (10) und dem zweiten Bauelement (11) angeordnet wird; c) Fügen der beiden Bauelemente (10, 11) mittels Widerstandsschweißen.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (12) in Schritt a) als Klebeschicht auf eine Oberfläche des ersten Bauelements (10) und/oder auf eine Oberfläche des zweiten Bauelements (11) aufgebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (12) in Schritt a) als Metallfolie auf eine Oberfläche des ersten Bauelements (10) und/oder auf eine Oberfläche des zweiten Bauelements (11) aufgelegt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (12) in Schritt a) als Beschichtung auf eine Oberfläche des ersten Bauelements (10) und/oder auf eine Oberfläche des zweiten Bauelements (11) aufgebracht wird.