DE10393368T5

DE10393368T5 - Laser-Rollfügeverfahren für ungleiche Metalle und Laser-Rollfüge-Vorrichtung

Info

Publication number: DE10393368T5
Application number: DE10393368T
Authority: DE
Inventors: Muneharu Anjo Kutsuna; Akihiko Nagoya Tsuboi; Manoj Nagoya Rathod
Original assignee: FINE PROCESS Co Ltd; FINE PROCESS Co Ltd NAGOYA
Current assignee: KUTSUNA, MUNEHARU, ANJO, AICHI, JP; Laser X Co Ltd
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2005-08-25
Also published as: AU2003266640A1; WO2004028734A1; US20050230371A1

Abstract

Laser-Rollfügeverfahren für ungleiche Metalle zum Verbinden eines ersten Metallblechs und eines zweiten Metallblechs unterschiedlichen Materials miteinander, die in einem Nichtkontaktzustand gehalten werden, bei dem nachdem lediglich das erste Metallblech mittels Laserbestrahlung aufgeheizt wurde, ein aufgeheizter Abschnitt des ersten Metallblechs durch eine Pressschweißwalze gegen das zweite Metallblech gepresst wird, so dass sie in einen festen Kontakt zueinander gebracht werden und einer plastischen Deformation unterzogen werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungsabschnitt zwischen dem ersten Metallblech und dem zweiten Metallblech gekühlt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Laser-Rollfügeverfahren zum Verbinden von Blechen ungleicher Metalle, beispielsweise Stahl- und Aluminiumlegierungsblechen, die zur Herstellung von Bauteilen in den Verkehrsbranchen, wie z.B. Kraftfahrzeugen, Flugzeugen, Schienenfahrzeugen und Schiffen verwendet werden.
Technischer Hintergrund
In der Verkehrssektor-Industrie für Automobile, Flugzeuge, Schienenfahrzeuge und Schiffe ist die Verringerung des Gewichts des Fahrzeugaufbaus fortgeschritten als ein Mittel zum Mildern des Problems des Treibhauseffekts auf der Erde. Deshalb haben Leichtgewicht-Hybridbauteile, die durch Aneinanderfügen ungleicher Metallbleche, wie einer Leichtgewichtaluminiumlegierung oder Magnesiumlegierung und eines hochfesten unlegierten Stahls oder Edelstahls die allgemeine Aufmerksamkeit erregt. Ein wichtiges aktuelles Problem ist, wie billig diese Teile durch einen hoch zuverlässigen Fügevorgang hergestellt werden können. Es wurde jedoch als extrem schwierig erachtet, beim Aneinanderfügen ungleicher Metalle, wie einer Aluminium legierung und unlegiertem Stahl, die Festigkeit aufrechtzuerhalten.

Verfahren, die in bekannter Weise zum Aneinanderfügen einer Aluminiumlegierung und eines Stahls für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt werden, beinhalten das Rollpress-Schweißen, das Explosivschweißen, das Diffusionsschweißen und das Widerstands-Punktschweißen. 1996 versuchten TAIZAN u.a. die Bleche durch Widerstands-Punktschweißen unter Verwendung von aluminiumverkleidetem Stahl als Einfügematerial (Insert material) zu verbinden (Nicht-Patentdokument 1).

Durch Messen der mechanischen Eigenschaften unterschiedlicher intermetallischer Verbindungen von Eisen (Fe) und Aluminium (Al) wurde ermittelt, dass die aluminiumreichen Verbindungen, wie zum Beispiel FeAl₃ und Fe₂Al₅ spröde waren, während eisenreiche Verbindungen, wie zum Beispiel FeAl und Fe₃Al relativ duktil waren (Nicht-Patentdokument 2). Somit war beim Aneinanderfügen von Eisen-Aluminium durch bekannte Maßnahmen die Existenz einer spröden intermetallischen Verbindung an der Fügegrenzfläche, welche die Reißfestigkeit verringert und Brüchigkeit induziert, ein Hauptproblem.

Es wurde darauf hingewiesen, dass die Sprödigkeit des Verbindungsstücks durch Kirkendall-Porosität aufgrund von Interdiffusion mehr als durch die Erzeugung einer dünnen intermetallischen Verbindungsschicht induziert wird und dass, wenn der Durchmesser der Teilchen der intermetallischen Verbindung an der Fügegrenzfläche 4 μm oder weniger ist, eine hohe Bruchzähigkeit des Verbindungsstücks erzielt wird (Nicht-Patentdokument 3).

Andererseits wurde kürzlich durch Sepold u.a. in Deutschland über die Verwendung eines Lasers zum Aneinanderfügen von Eisen und Aluminium berichtet (Nicht-Patentdokument 4). Wenn Materi al durch einen Laserstrahl bestrahlt wird, wird es einem thermischen Zyklus mit einem schnellen Aufheizvorgang und einem schnellen Abkühlvorgang unterzogen, welches nicht Gleichgewichtsbedingungen sind. Deshalb wird die Ausbildung von spröden intermetallischen Verbindungen herabgesetzt, da das Material für einen sehr kurzen Zeitraum eine hohe Temperatur aufweist.

Rollpress-Schweißen wird hauptsächlich zur Herstellung von Aluminium verkleideten Stahlblechen verwendet. Die Verbindung bildet sich aus, wenn eine plastische Deformation des Aluminiums an der Grenzfläche eine neue Oberfläche bildet, die in die Kratzer, welche auf der Stahloberfläche vorhanden sind, ragt. Es wurde festgestellt, dass es ein optimales relatives Gleiten zwischen Stahl- und Aluminiumoberflächen an der Grenzfläche gibt um eine hohe Verbindungsfestigkeit zu erhalten. Das relative Gleiten wird ausgedrückt als Verringerung an Stahl und Aluminium. Eine Vakuum-Rollverbindung mit einer geringen Verringerung der Dicke wurde durch MUKAE, NISHIO und andere durchgeführt (Nicht-Patentdokument 5). Es wurde gefunden, dass die Scherfestigkeit von unlegiertem Stahl (mild-steel) und 5083-Aluminium-Verbindungen bei ungefähr 60 MPa konstant blieb, wenn die Gesamtverringerung ungefähr 5% war, jedoch nach der Wärmenachbehandlung abnahm, da die Grenzflächen-Verbindungsdicke zunahm.

Obwohl gemäß dem bekannten Laser-Rollfügeverfahren für Metallbleche unterschiedlicher Materialien als Idee vorgeschlagen wurde, dass ein exzellentes Ergebnis erhalten werden könnte, wenn ein Aufheizen mit dem Laser und die Anwendung von Druck mittels einer Press-Schweißrolle zur selben Zeit ausgeführt würden, konnte in den tatsächlichen Experimenten nicht eine Verbindung erzielt werden, bei der eine hinreichende Festigkeit sichergestellt war. Dies bedeutet, niemand konnte einen erforderlichen Zustand erhalten. Wenn beispielsweise Stahl- und eine Aluminiumlegierung verbunden werden, ist es bekannt, dass die Verbindung aufgrund der Ausbildung von Aluminium reichen intermetallischen Verbindungen an der Grenzfläche brüchig wird, was die Verbindungsfestigkeit verringert. Die Maßnahmen zur Vermeidung oder Herabsetzung der Ausbildung von aluminiumreichen intermetallischen Verbindungen sind jedoch nicht bekannt. Natürlich wird die intermetallische Verbindung nicht reich an Aluminium, wenn der Stahl und die Aluminiumlegierungsbleche nicht auf hohe Temperaturen aufgeheizt werden. Die Verbindungsfestigkeit der beiden selbst fällt jedoch ab und deshalb kann eine geeignete Verbindung nicht durchgeführt werden.

Daher hat dieser Erfinder ein Verfahren zur Verbindung ungleicher Metalle, wie zum Beispiel SPCC-Stahl- und Aluminiumlegierungsblechen vorgeschlagen, dass als Laser-Rollpressschweißen bezeichnet wird und bei dem die Materialien mit einem Laserstrahl bestrahlt werden und gleichzeitig durch eine Rolle Druck ausgeübt wird (Nicht-Patentdokumente 6, 7). Gemäß diesem Verfahren werden die SPCC-Stahl- und die Aluminiumlegierungsbleche mit einem Abstand (Spalt) zusammengehalten und dann das SPCC-Stahlblech durch Bestrahlen mit einem Laserstrahl schnell aufgeheizt. Der aufgeheizte Teil des SPCC-Stahlblechs wird mit der Druckwalze gegen das Aluminiumlegierungsblech gedrückt und die Bleche werden verbunden, indem sie einer plastischen Deformation unterzogen werden. Obwohl die Seite der Verbindungsfläche des SPCC-Stahlblechs schnell auf die eutektische Temperatur (ungefähr 1170°C) aufgeheizt wird, wird somit aufgrund des Spalts zwischen dem SPCC-Stahl- und dem Aluminiumlegierungsblech das Aluminiumlegierungsblech nicht direkt mit dem Laser aufgeheizt. Durch Pressen des SPCC-Stahlblechs gegen das Aluminiumlegierungsblech mit der Presswalze werden sie in einen festen Kontakt zueinander gebracht, die Oberfläche des Aluminiumlegierungsblechs wird schnell geschmolzen, während die Verbindungsgrenzfläche aufgrund von Wärmediffusion (Leitung) in das Innere des Aluminiumlegierungsblechs schnell gekühlt wird und als Folge wird die Ausbildung von spröden intermetallischen Verbindungen FeAl₃ und Fe₂Al₅ herabgesetzt.

15 zeigt die Beziehung zwischen dem Dickenverhältnis der gebildeten intermetallischen Verbindungsschicht und der Vorschubrate (Verbindungsgeschwindigkeit/Fahrgeschwindigkeit) als ein Ergebnis des Laser-Rollpress-Schweißens von ungleichen Metallen. 16 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Vorschubrate (Verbindungsgeschwindigkeit/Fahrgeschwindigkeit) und der Scherfestigkeit der Verbindungen zeigt. Der Scherfestigkeitstest wurde an Laser-Rollverbindungen mit einer Scheroberfläche von 24 mm² (8 mm Breite×3 mm überlappende Länge) durchgeführt.

Die folgenden Punkte sind in 15 festzustellen. Mit dem Anwachsen der Vorschubrate (Verbindungsgeschwindigkeit/Fahrgeschwindigkeit) nimmt die durchschnittliche Grenzflächenschichtdicke ab und gleichzeitig nimmt die Dicke von spröden Verbindungen (FeAl₃+Fe₂Al₅) ab. Spezieller, obwohl die Grenzflächendicke bei 1,2 m/min 12 μm war, nahm sie auf 2 μm bei der Maximalgeschwindigkeit von 2,0 m/min ab, während die Schicht mit der spröden Verbindung von 77% auf 49% abnahm. Somit wurde festgestellt, dass der Anteil der duktilen Verbindung mit der Zunahme der Vorschubrate (Verbindungsgeschwindigkeit/Fahrgeschwindigkeit) anwuchs, wodurch die Schicht mit der spröden Verbindung unterdrückt wurde.

Wenn andererseits, wie in 16 gezeigt, die Vorschubrate (Verbindungsgeschwindigkeit/Fahrgeschwindigkeit) erhöht wurde, nahm die Scherfestigkeit bis zur Erreichung einer spezifischen Geschwindigkeit zu und nahm nach Erreichen eines Maximalwerts ab. Die maximale Scherfestigkeit war 55,8 MPa, welche erzielt wurde wenn die Dicke der Grenzflächenschicht 5 μm war und zu dieser Zeit die Vorschubrate (Verbindungsgeschwindig keit/Fahrgeschwindigkeit) 1,6 m/min war, der Rolldruck 150 MPa war und die Laserleistung 1,5 kW war. Wenn man dies mit dem Ergebnis von 15 vergleicht, so war die zugeführte Wärmeenergie nicht hinreichend, was eine unvollständige Verbindung ergab, obwohl für die Geschwindigkeiten zwischen 1,8 und 2,0 m/min der Anteil der spröden Verbindung abnahm, und deshalb fiel die Scherfestigkeit ab.

(Nicht-Patentdokument 1)

M. Yasuayama, K. Ogawa, 1996 Spot welding of aluminium and steel sheet with insert of aluminium clad steel sheet – Part I Journal of Japan Welding Society, Vol. 14, No. 2: 314–320

(Nicht-Patentdokument 2)

H. Okamoto: Phase Diagrams of Binary Iron Alloys, ASM In ternational (1993), 12–28.

(Nicht-Patentdokument 3)

C E Albright: The Fracture toughness of steel-aluminium deformation weld, Welding Journal, Vol. 60, No. 11 (1981), 207s–214s.

(Nicht-Patentdokument 4)

G. Sepold, E. Schubert and I. Zerner: Laser beam joining of dissimilar materials, IIW, IV(734) (1999), 1–10.

(Nicht-Patentdokument 5)

S. Mukae, K. Nishio, K. Katoh, T. Inoue and N. Hatanaka, 1991. Development of vacuum roll bonding apparatus and production of clad metals-Part 1, Journal of Japan Welding Society, Vol. 9, No. 1, 17–23 (1991).

(Nicht-Patentdokument 6)

Muneharu Kutsuna and Rathod Manoj: Investigation of Rollbonding condition for SPCC steel and A5052 aluminium alloy. Laser Roll Bonding of Dissimilar metals (Report 1), Reprints of the National Meeting of Japan Welding Society, Tokyo, No. 68, March 19, 2001 P258–259.

(Nicht-Patentdokument 7)

Muneharu Kutsuna and Rathod Manoj: Relation between joint strength of Laser Roll Bonded SPCC steel and A5052 alumin ium alloy and its interuface structure. Laser Roll Bonding of Dissimilar metals (Report 2), Reprints of the National Meeting of Japan Welding Society, Morioka, No. 69, September 10, 2001, p92–93.

Gemäß dem in den oben erwähnten Nicht-Patentdokumenten 6, 7 bezeichneten Laser-Rollschweißen wurde eine Verbindungsgrenzflächenschicht mit einer unterdrückten spröden intermetallischen Verbindung ausgebildet und eine Verbindung mit einer hohen Scherfestigkeit wurde erhalten. Spezieller war die Scherfestigkeit der Verbindung 22,9 MPa bis 55,9 MPa, was ungefähr 23% bis 57% der Scherfestigkeit des Aluminiumlegierungs-Grundmaterials entspricht. Obwohl man in der Lage war, eine derartige Wirkung zu erzielen, verursacht das Laser-Rollschweißen Probleme, die gelöst werden sollten, beispielsweise kann ein schneller Aufheizvorgang und ein schneller Abkühlvorgang nicht hinreichend gesteuert werden und eine merkliche Oberflächenoxidation wird verursacht.

Obwohl beispielsweise, wie an den Ergebnissen von 15 und 16 zu sehen ist, die vorstehend beschrieben wurden, in bekannter Weise der Anteil der duktilen Verbindung größer wurde als jener der spröden Verbindung wenn die Vorschubrate (Verbindungsgeschwindigkeit/Fahrgeschwindigkeit) der ungleichen Metallbleche erhöht wurde, erreichte die Scherfestigkeit auf halbem Wege einen Grenzwert. Deshalb wird vermutet, dass wenn eine hinreichende Wärmezufuhr durch Verringern der Vorschubrate (Verbindungsgeschwindigkeit/Fahrgeschwindigkeit) aufrechterhalten wird und es möglich ist, entweder die Wärmezufuhr zu dem Aluminiumlegierungsblech zu unterdrücken oder eine schnelle Abkühlung zu erzielen, die Bildung von FeAl₃, Fe₂Al₅, welches spröde intermetallische Verbindungen sind, unabhängig von der Dicke der gebildeten intermetallischen Verbindung unter drückt werden kann. Die Verbindungsfestigkeit kann durch eine Verbindung erhöht werden, bei der der Anteil der duktilen Komponente höher eingestellt wird als jener der spröden.

Zu der vorliegenden Erfindung wurde deshalb angesichts derartiger Probleme gelangt. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Laser-Rollfügeverfahren und eine Laser-Rollfügevorrichtung bereitzustellen zum Aneinanderfügen von ungleichen Metallen mit der Fähigkeit die Verbindungsfestigkeit durch Erhöhung der Bildung der duktilen intermetallischen Verbindungen zu verbessern.

Offenbarung der Erfindung

Zur Lösung der oben beschriebenen Aufgabe werden bei der Laser-Rollfügevorrichtung der vorliegenden Erfindung ein erstes und ein zweites Metallblech unterschiedlicher Metalle verbunden. Diese Bleche werden ohne Kontakt zueinander eingespannt. Die Vorrichtung weist eine Laserbestrahlungseinrichtung, durch welche lediglich das erste Metall mittels Laserbestrahlung aufgeheizt wird, auf. Sie weist eine Walzenpresseinrichtung auf zum Pressen des heißen Teils des ersten Metallblechs – welcher durch die Laserbestrahlung unter Verwendung der Laserbestrahlungseinrichtung aufgeheizt wird – gegen das zweite Metallblech mittels einer Pressschweißwalze, so dass sie in einen festen Kontakt zueinander gebracht werden. Das aufgeheizte erste Metallblech wird zum Induzieren einer plastischen Deformation und zur Erzielung einer Verbindung zwischen den zwei Metallen gegen das zweite Metallblech gepresst.

Vorzugsweise ist eine Kühleinrichtung vorgesehen zum Kühlen des zweiten Metallblechs von der Nichtkontaktoberfläche her, wo das erste und zweite Metallblech durch die Pressschweißwalze unter Druck gesetzt werden.

Weiterhin ist die Kühleinrichtung vorzugsweise zum Kühlen der Pressschweißwalze und des ersten Metallblechs vorgesehen.

Das Laser-Rollfügeverfahren für ungleiche Metalle wird mittels der Laser-Rollfügevorrichtung verwirklicht, das heißt ein erstes und zweites Metallblech ungleicher Metalle werden ohne Kontakt zueinander gehalten; lediglich das erste Metallblech wird durch Laserbestrahlung aufgeheizt und danach wird ein aufgeheizter Abschnitt des ersten Metallblechs gegen das zweite Metallblech mittels einer Pressschweißwalze gedrückt, so dass sie in einen festen Kontakt zueinander gebracht werden und einer plastischen Deformation zum Verbinden der beiden Metallschichten miteinander unterzogen werden. In diesem Verfahren wird das Abkühlen an der Verbindung zwischen dem ersten Metallblech und dem zweiten Metallblech durchgeführt. Zu diesem Zeitpunkt wird zum Kühlen der Verbindung das zweite Metallblech von der Seite der nichtkontaktierenden Fläche her gekühlt oder die Pressschweißwalze und das erste Metallblech werden an einer Stelle gekühlt, an der das erste Metallblech und das zweite Metallblech durch die Pressschweißwalze unter Druck gesetzt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung diffundiert in das Metallblech eintretende Wärme auf effektive Weise intern, so dass die Temperatur der Verbindung schnell abfällt. Da der Temperaturbereich, in dem spröde intermetallische Verbindungen gebildet werden, in einer extrem kurzen Zeit durchlaufen wird, kann die Bruchfestigkeit durch Erhöhen des Betrags der duktilen intermetallischen Verbindung verbessert werden.

Das Laser-Rollfügeverfahren für ungleiche Metalle wird mittels der Laser-Rollfügevorrichtung verwirklicht, das heißt ein erstes und ein zweites Metallblech ungleicher Metalle werden ohne Kontakt zueinander gehalten, lediglich das erste Metallblech wird durch Laserbestrahlung aufgeheizt und danach wird ein aufgeheizter Abschnitt des ersten Metallblechs gegen das zweite Metallblech mittels einer Pressschweißwalze gepresst, so dass sie in einen festen Kontakt zueinander gebracht werden und einer plastischen Deformation zur Verbindung der beiden Metallbleche miteinander unterzogen werden. Weiterhin werden das erste und das zweite Metallblech gegeneinander gepresst, während sie unterhalb der Walze eintreten; ihr Zustand ändert sich ausgehend von weit entfernten Stoßflächen zu übereinandergreifenden Stoßflächen hin. Die Besonderheit dieser Vorrichtung ist, dass durch Bestrahlen des ersten Metallblechs die Laserbestrahlungseinrichtung hilft, die Grenzfläche der Verbindung mit einem Laser zu bestrahlen.

Es ist wünschenswert, dass die Laserbestrahlungseinrichtung einen Einfallswinkel des Laserstrahls auf die Oberfläche des ersten Metallblechs aufweist, der nahezu gleich dem Brewster-Winkel ist.

Deshalb wird das Laser-Rollfügeverfahren der vorliegenden Erfindung zum Aneinanderfügen ungleicher Metalle durch die Laser-Rollfügevorrichtung verwirklicht, das heißt das erste und das zweite Metallblech werden dergestalt zugeführt, dass sie von einem Zustand mit weit voneinander entfernten Verbindungsoberflächen in eine übereinander greifende Verbindung übergehen. Zur Laser-Bestrahlung der Verbindungsgrenzfläche wird lediglich das erste Metallblech durch Laserbestrahlung aufgeheizt. Danach wird das erste Metallblech mittels der Pressschweißwalze dergestalt gegen das zweite Metallblech gepresst, dass beide in einen festen Kontakt zueinander gebracht werden und in dem sie einer plastischen Deformation unterzogen werden beide Metallbleche miteinander verbunden werden. Während des Verbindens wird die Oberfläche des ersten Metallblechs mit einem Laserstrahl dergestalt bestrahlt, dass der Einfallswinkel nahe dem Brewster-Winkel gewählt wird.

Da die vorliegende Erfindung zum Aufheizen der Verbindungsgrenzfläche auf eine vorbestimmte Temperatur lediglich eine minimale Wärmezufuhr erfordert, ist die nachfolgende Kühlwirkung groß. Da die Reflexion niedrig gehalten wird und die meiste Energie durch das erste Metallblech absorbiert wird, weil der Einfallswinkel des Laserstrahls nahe dem Brewster-Winkel ist, kann ein effektives Aufheizen durchgeführt werden und die Verbindung kann mittels einer Laserleistung erhalten werden, bei der der Energieverbrauch verringert ist.

Das Laser-Rollfügeverfahren für ungleiche Metalle der vorliegenden Erfindung wird durch eine Laser-Rollfügevorrichtung verwirklicht, bei der ein erstes und ein zweites Metallblech ungleicher Metalle ohne Kontakt zueinander gehalten werden, lediglich das erste Metallblech von der Seite der nichtkontaktierenden Oberfläche her durch eine pulsartige Laserbestrahlung aufgeheizt wird und danach ein aufgeheizter Abschnitt des ersten Metallblechs mittels einer Pressschweißwalze gegen das zweite Metallblech gepresst wird, so dass beide in einen festen Kontakt zueinander gebracht werden und einer plastischen Deformation unterzogen werden zum Verbinden der beiden Metallbleche miteinander. Weiterhin ist die Laserbestrahlungseinrichtung mit einer Steuerung zur Erzeugung eines Laserstrahls im Puls-Modus verbunden, was zur Bildung einer Bestrahlung mit überlappenden Punkten in der Richtung der Verbindungslinie auf der nichtkontaktierenden Oberfläche des ersten Metallblechs führt.

Vorzugsweise ist die Steuerung dergestalt vorgesehen, dass der Treiber der Laserbestrahlungseinrichtung so gesteuert wird, dass die Aufheizpunkte auf der Seite der Verbindungsoberfläche des ersten Metallblechs kontinuierlich überlappend erzeugt werden.

Weiterhin synchronisiert die Steuerung vorzugsweise die Pulsbestrahlung mit der Vorschubrate (Verbindungsgeschwindigkeit/Fahrgeschwindigkeit) von sowohl dem ersten als auch dem zweiten Metallblech, so dass die Aufheizpunkte kontinuierlich sind.

Deshalb wird das Laser-Rollfügeverfahren für ungleiche Metalle der vorliegenden Erfindung durch eine Laser-Rollfügevorrichtung verwirklicht, bei der ein erstes und ein zweites Metallblech ungleicher Metalle ohne Kontakt zueinander gehalten werden. Lediglich das erste Metallblech wird von der Seite der Nichtkontakt-Oberfläche her durch eine pulsartige Laserbestrahlung aufgeheizt, was zur Ausbildung einer Bestrahlung mit überlappenden Punkten in der Richtung der Verbindungslinie führt, und nachfolgend wird ein aufgeheizter Abschnitt des ersten Metallblechs durch eine Pressschweißwalze gegen das zweite Metallblech gepresst, so dass sie in einen festen Kontakt zueinander gebracht werden und zur Verbindung der beiden Metallfläche miteinander einer plastischen Deformation unterzogen werden. Die Laserbestrahlung wird dergestalt ausgeführt, dass die Aufheizpunkte auf der Seite der Verbindungsfläche des ersten Metallblechs kontinuierlich sind. Weiterhin kann die Pulsbestrahlung synchron mit der Vorschubrate (Verbindungsgeschwindigkeit/Fahrgeschwindigkeit) von sowohl dem ersten als auch dem zweiten Metallblech durchgeführt werden, so dass die Aufheizpunkte kontinuierlich sind.

Da die vorliegende Erfindung den Pulslaser zur Verringerung der Wärmezufuhr durch Vermeiden einer kontinuierlichen Bestrahlung mit dem Laserstrahl verwendet, kann die Kühlwirkung nach dem Aufheizen verstärkt werden. Da die Scherfestigkeit der Verbindung durch Ausbilden von kontinuierlichen Aufheizpunkten vergrößert wird, werden diese der kontinuierlichen Bestrahlung vorgezogen.

Die Laser-Rollfügevorrichtung für ungleiche Metalle sollte Mittel zur Verhinderung einer Oxidation bei hohen Temperaturen von beiden zu verbindenden Metallblechen haben. Inaktives Gas wird gegen die Verbindungsabschnitte der beiden Bleche geblasen und die Seite des Materials mit einem starken Oxidfilm, wie Aluminium, wird mit einem Flussmittel bedeckt. Bevorzugt bedeckt ein solches Mittel zur Verhinderung einer Oxidation mit einem Flussmittel durch Aufsprühen, Siebdruck oder mit einem Spender.

Die Laser-Rollfügevorrichtung für ungleiche Metalle ist weiterhin vorzugsweise so aufgebaut, dass die Verbindung mit einem Stahlblech als dem ersten Metallblech und einem Aluminiumblech oder Aluminiumlegierungsblech als dem zweiten Metallblech durchgeführt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Strukturdiagramm, das Verbindungsdurchführungs-Hauptabschnitte einer Laser-Rollfügevorrichtung zur Ausführung des Laser-Rollfügeverfahrens für ungleiche Metalle zeigt,
2 ist ein Diagramm, das die Anordnung des SPCC-Stahlblechs und des Aluminiumlegierungsblechs in der in 1 mit einem Pfeil bezeichneten X-Richtung betrachtet zeigt,
3 ist ein Diagramm, das vom Konzept her den Teil eines aufgeheizten Abschnitts des SPCC-Stahlblechs zeigt, der direkt mit dem Laserstrahl bestrahlt wird,
4 ist ein Diagramm, das den Interdiffusionskoeffizienten basierend auf der Aufheiztemperatur von Stahl und Aluminiumlegierung mittels eines Graphen zeigt,
5 ist eine Zeichnung, die ein Blockdiagramm eines Abschnitts eines Merkmals einer Ausführungsform 1 einer Laser-Rollfügevorrichtung zeigt,
6 ist ein Diagramm des Pulsbestrahlungszustands für aufeinanderfolgende Aufheizpunkte,
7 ist ein Diagramm der Pulszustände der Pulslaserleistung,
8 ist ein Diagramm der Pulszustände der Pulslaserleistung,
9 ist ein Diagramm, das einen Zustand zeigt, in dem ein Tisch als Wärmesenke verwendet wird als Aufbau der Kühlvorrichtung,
10 ist ein Diagramm, das einen Zustand zeigt, in dem eine Mehrzahl von Unterstützungswalzen in einen Behälter tauchen, der ein Kühlmittel enthält, als einen Aufbau der Kühlvorrichtung,
11 ist ein Diagramm, das ein Kühlverfahren zum Kühlen der Seite des SPCC-Stahlblechs sowie der Seite des Aluminiumlegierungs-Stahls zeigt,
12 ist ein Diagramm, das ein Bestrahlungsverfahren für die Verbindungsfläche in einer Laser-Rollfügevorrichtung zeigt,
13 ist ein Diagramm, das ein Bestrahlungsverfahren für die Verbindungsfläche in einer Laser-Rollfügevorrichtung zeigt,
14 ist ein Diagramm, das Mittel zur Verhinderung einer Oxidation bei der Laser-Rollfügevorrichtung zeigt,
15 ist ein Diagramm, das die Dicke der Grenzflächenschicht und das Verhältnis von spröden und duktilen Verbindungen zeigt,
16 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Vorschubrate, der Scherfestigkeit und der Dicke der Grenzflächenschicht zeigt, und
17 ist ein Diagramm des metallischen Zustands von Fe-Al.
Beste Ausführungshinweise der Erfindung Als nächstes werden eine Ausführungsform eines Laser-Rollfügeverfahrens und einer Laser-Rollfügevorrichtung für ungleiche Metalle der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Das Laser-Rollfügeverfahren dieser Ausführungsform und die Laser-Rollfügevorrichtung zur Ausführung desselben sind auf der Grundlage des Laser-Rollpressschweißens, das durch diesen Erfinder vorgeschlagen wurde und in den Nicht-Patentdokumenten 6, 7 beschrieben ist, aufgebaut. Die miteinander zu verbindenden Metallbleche unterschiedlicher Art sind ein Blech aus unlegiertem Stahl und ein Aluminiumlegierungsblech und spezieller SPCC-Stahl (kaltgewalztes Material eines Weichstahls), welcher ein für Kraftfahrzeuge verwendetes Baumaterial ist und eine A5052-0-Legierung (2,5 Gew.% Mg), welche eine duktile Aluminiumlegie rung ist. Die Dicke des SPCC-Stahlblechs 3 ist 0,5 mm und die Dicke des Aluminiumlegierungsblechs 4 ist 1 mm.
1 ist ein schematisches Strukturdiagramm, das die Verbindungsdurchführungs-Abschnitte der Laser-Rollfügevorrichtung zur Durchführung des Laser-Rollfügeverfahrens für Metalle unterschiedlicher Art zeigt. In dem Verbindungsdurchführungs-Hauptabschnitt dieser Laser-Rollfügevorrichtung 1 sind ein 2,4 kW CO₂-Laser (hier im folgenden einfach als "Laser" bezeichnet) 11, ein ebener Reflexionsspiegel 12 und eine Rollvorrichtung (Walzvorrichtung) 13 kombiniert. Ein SPCC-Stahlblech 3 und ein Aluminiumlegierungsblech 4, die aus unterschiedlichen Metallarten bestehen, werden auf einen Tisch 17 geladen und, wie durch einen Pfeil X angedeutet von links nach rechts geführt. In der Walzvorrichtung 13 wird das oben angeordnete SPCC-Stahlblech 3 durch eine Pressschweißwalze 15 mit einer einen Druck ausübenden Feder 16, in welcher ein Walzdruck gemessen wird und vorläufig eingestellt wird, unter Druck gesetzt. Der Walzdruck wird aus der Länge der Druck ausübenden Feder 16 und durch Verändern eines Unterschiedes in der Ausdehnung/Kontraktion der Druck ausübenden Feder 16 zwischen 4,5 mm–5,5 mm berechnet, der Walzdruck wird auf 150 MPa–202 MPa eingestellt.
Der von dem Laser 11 ausgegebene Laserstrahl B mit einer Gaußschen Verteilung wird durch eine ZnSe-Linse (nicht gezeigt) fokussiert. Ein ebener Reflexionsspiegel 12 ist an einem Zielort der Ausgabe des Laserstrahls B angeordnet und der Laserstrahl B wird durch diesen ebenen Reflexionsspiegel 12 auf einen Ort nahe der Pressschweißwalze 15 gerichtet. Da das SPCC-Stahlblech 3 und das Aluminiumlegierungsblech 4 in der durch den Pfeil bezeichneten X-Richtung zugeführt werden und durch die Pressschweißwalze 15 dergestalt unter Druck gesetzt werden, dass eine Verbindungslinie (Verbindungsabschnitt) auf beiden Blechen ausgebildet wird, ist der durch den ebenen Re flexionsspiegel 12 reflektierte Laserstrahl so eingestellt, dass er bezüglich des in der durch den Pfeil bezeichneten X-Richtung geführten SPCC-Stahlblechs 3 unmittelbar vor die Pressschweißwalze 15 strahlt. Da gemäß dieser Ausführungsform eine ausgedehnte Laseraufheizung notwendig ist um eine Verbindungslinie von ungefähr 3 mm Breite zu haben, wird ein Defokussierungsabstand von 25 mm verwendet. Der auf das SPCC-Stahlblech 3 zu strahlende Laserstrahl B hat nahezu die Gestalt einer Ellipse, deren lange Seite die Zuführrichtung (mit dem Pfeil bezeichnete X-Richtung) ist und deren lange Seite ungefähr 3,5 mm ist, während ihre kurze Seite ungefähr 2,5 mm ist.
2 ist ein Diagramm, das die Anordnung des SPCC-Stahlblechs und das Aluminiumlegierungsblechs betrachtet in der in 1 mit einem Pfeil bezeichneten X-Richtung zeigt. Wie in der Figur gezeigt ist ein Abschnitt, in dem das SPCC-Stahlblech 3 und das Aluminiumlegierungsblech 4 miteinander überlappen, mit einem Spalt G von 0,2 mm vorgesehen zur Verhinderung eines Kontakts der beiden Bleche miteinander bis sie durch die Pressschweißwalze 15 unter Druck gesetzt werden. Für den Heizlaser B zum Verbinden des SPCC-Stahlblechs und des Aluminiumlegierungsblechs 4 wird die Laser-Wärmezufuhr gemäß eines Wärmeverteilungsmodells berechnet und weiterhin die Temperatur der Oberfläche durch eine tatsächliche Messung bestimmt. 3 ist ein Diagramm, das vom Konzept her den Teil eines aufgeheizten Abschnitts des SPCC-Stahlblechs zeigt, der direkt mit dem Laserstrahl B bestrahlt wird. Obwohl, wie in 3 gezeigt, ein Bestrahlungspunkt 3p der vorstehend erwähnten Größe auf der Bestrahlungsfläche 3a des SPCC-Stahlblechs 3 erscheint, ist ein Heizpunkt 3q, der auf der Verbindungsfläche 3b des SPCC-Stahlblechs 3 zum Heizen des Aluminiumlegierungsblechs 4 erscheint, kleiner als jener.
In der Laser-Rollfügevorrichtung 1, wird die Verbindung des SPCC-Stahlblechs 3 und des Aluminiumlegierungsblechs 4 gemäß einem folgenden Verfahren durchgeführt. Das SPCC-Stahlblech 3 und das Aluminiumlegierungsblech 4 werden in der mit dem Pfeil bezeichneten X-Richtung zugeführt und das SPCC-Stahlblech 3, das mittels Laserbestrahlung aufgeheizt wird, wird gegen das Aluminiumlegierungsblech 4 mittels Walzdruck der Pressschweißwalze 15 gedrückt. Zu diesem Zeitpunkt werden die beiden Bleche 3, 4 in einem Zustand des Nichtkontakts gehalten, bis der Pressvorgang abläuft und der Laserstrahl B auf die Bestrahlungsfläche 3a des SPCC-Stahlblechs 3 strahlt. Obwohl bei dem SPCC-Stahlblech 3, das mit dem Laserstrahl B bestrahlt wird, die Seite der Verbindungsfläche 3b auf einer entgegengesetzten Seite schnell auf eine eutektoidische Temperatur (ungefähr 1170°C) erhitzt wird, wird aufgrund des Spalts G die Wärme nicht direkt zu dem Aluminiumlegierungsblech 4 übertragen. Nach der Laserbestrahlung wird das SPCC-Stahlblech 3 gegen das Aluminiumlegierungsblech 4 durch die Pressschweißwalze 15 gepresst, so dass die Verbindung mittels plastischer Deformation durchgeführt wird.
Gemäß diesem Verbindungsvorgang durch die Laser-Rollfügevorrichtung 1 wird in dem Aluminiumlegierungsblech 4 ein Abschnitt, gegen den der Heizpunkt 3q des SPCC-Stahlblechs 3 gepresst wird, schnell geschmolzen, so dass Eisen aufgrund des Schmelzens des Aluminiums in einen feuchten Zustand übergeht und als eine Folge Eisenatome entfernt werden und in das verflüssigte Aluminium diffundieren. Der Grund, warum die Deckfläche des SPCC-Stahlblechs 3 auf 1200°C–1400°C aufgeheizt wird, ist, das die Verbindungsfläche der rückseitigen Fläche des SPCC-Stahlblechs 3 bezüglich des Aluminiumlegierungsblechs 4 auf Temperaturen oberhalb einer vorbestimmten Temperatur aufgeheizt werden muss (ungefähr 1170°C für Fe-Al-Reihen). Obwohl die kritische Temperatur abhängig von der Kombination von miteinander zu verbindenden Metallen unterschiedlich ist, kann es irgendeine Temperatur sein, solange die duktile intermetallische Verbindung erzeugt wird oder ein duktiler eutektoidischer Aufbau erhalten wird. Im Falle des SPCC-Stahlblechs 3 und des Aluminiumlegierungsblechs 4 wird, wie in 17 gezeigt, eine FeAl-intermetallische Verbindung erzeugt, die verhältnismäßig duktil bei Temperaturen über ungefähr 1170°C ist.
In dem Aluminiumlegierungsblech 4, gegen das das aufgeheizte SPCC-Stahlblech gepresst wird, wird eine interne Wärmediffusion erzeugt, so dass der Verbindungsabschnitt schnell gekühlt wird. Eine derartige schnelle interne Wärmediffusion führt zu einer Verstärkung der Verbindungsfestigkeit, obwohl die Dicke der spröden intermetallischen Verbindungen klein ist. Gemäß dem Laser-Rollfügeverfahren dieser Stufe wird somit lediglich die Seite des SPCC-Stahlblechs 3, die zum Beschleunigen der internen Diffusion mit dem Spalt G in einem Nichtkontakt-Zustand angeordnet ist, aufgeheizt und anschließend durch Pressen des Aluminiumlegierungsblechs 4 der Betrag der dem Aluminiumlegierungsblech 4 zugeführten Wärme herabgedrückt zum Schutz der intermetallischen Verbindung vor einer Aluminiumanreicherung, was Sprödigkeit bedeutet.
Jedoch lediglich wenn der Spalt G zwischen dem SPCC-Stahlblech 3 und dem Aluminiumlegierungsblech 4 vorgesehen wird, wird nicht nur die duktile intermetallische Verbindung auf dieser Verbindungsgrenzfläche erzeugt sondern auch die spröde intermetallische Verbindung, wie in 15 gezeigt. Die Erzeugung der spröden intermetallischen Verbindung wird in Betracht gezogen, da die Geschwindigkeit der internen Diffusion der in das Aluminiumlegierungsblech 4 eingebrachten Wärme, insbesondere die Abkühlgeschwindigkeit auf der Verbindungsgrenzfläche langsam ist. 4 ist ein Diagramm, das den Interdiffusionskoeffizienten basierend auf der Aufheiztemperatur des Stahls und der Aluminiumlegierung durch einen Graphen zeigt. Obwohl die Interdiffusion von Eisen und Aluminium bei Temperaturen von 450°C oder weniger sehr langsam ist, wird die Diffusion von Eisen in Aluminium sehr langsam wenn die Temperatur sogar leicht 450°C übersteigt und wenn die Temperatur 900°C erreicht, wird die Diffusion von Aluminium in Eisen sehr schnell.
Deshalb wird die intermetallische Verbindung von FeAl welche an der Verbindungsgrenzfläche gebildet wird und relativ duktil ist, erzeugt, wenn das SPCC-Stahlblech 3 gegen das Aluminiumlegierungsblech 4 gepresst wird und Aluminium im Eisen plötzlich auf eine Temperatur aufgeheizt wird, bei der der Diffusionskoeffizient von Aluminium in Eisen ansteigt. Obwohl jedoch das Aluminiumlegierungsblech 4 schnell gekühlt wird aufgrund der internen Wärmediffusion da es nicht direkt aufgeheizt wird, ist jedoch, wenn die abfallende Temperatur 450°C–600°C durchläuft, wo die Diffusion von Eisen in Aluminium auftritt, die Durchlaufzeit ungefähr 1 bis 2 Sekunden und somit wird an der Grenzfläche eine spröde aluminiumreiche Metallverbindung erzeugt. Dies bedeutet, die Abkühlgeschwindigkeit der Verbindungsgrenzfläche ist ein wichtiger Faktor, welcher den Widerstand gegenüber einem Verbindungsbruch beim Laser-Rollfügen beeinträchtigt. Der Grund, weshalb der Anteil der spröden intermetallischen Verbindung groß ist, wie in 15 gezeigt, wird darin gesehen, dass der Betrag der zugeführten Wärme groß ist, da die Führungsgeschwindigkeit gering ist und entsprechend die Abkühlgeschwindigkeit gering ist.
Somit steuert die Laser-Rollfügevorrichtung 1 dieser Ausführungsform die Laserleistung, die Größe des Bestrahlungsflecks des Laserstrahls, die Zuführgeschwindigkeit und dergleichen und insbesondere die Abkühlgeschwindigkeit durch aktives Kühlen mit einer Kühlvorrichtung die speziell für die Abkühlzeit vorgesehen ist, zu der die Verbindungsgrenzflächentemperatur 450°C–600°C durchläuft, wo der Diffusionskoeffizient von Eisen in Aluminium hoch ist. Da die Geschwindigkeit des Temperatur abfalls abnimmt wenn das Ausmaß der dem Aluminium zugeführten Wärme klein ist, wird der Laserstrahl in Gestalt eines Pulses zugeführt. Obwohl diese Ausführungsform sowohl die Kühlvorrichtung als auch die Bestrahlung mit dem Laserpuls anwendet, ist es zulässig, nicht die Kühlvorrichtung zu benutzen oder lediglich abhängig von der Blechdicke die Kühlvorrichtung zu benutzen.
5 zeigt ein Blockdiagramm eines Abschnitts eines Merkmals in der Laser-Rollfügevorrichtung 1 dieser Ausführungsform. Die Laser-Rollfügevorrichtung 1 ist so aufgebaut, dass, wie in den Verbindungsausführungs-Hauptabschnitten von 1 gezeigt, das SPCC-Stahlblech 3 und das Aluminiumlegierungsblech 4 in einem Nichtkontakt-Zustand mit dem Spalt G gehalten werden (siehe 2) und und vertikal parallel durch ein Zuführungsmittel (nicht gezeigt) zugeführt werden. Ein Laser 11 zum Aufheizen des SPCC-Stahlblechs 3 und eine Pressschweißwalze 15 zum Pressen des SPCC-Stahlblechs 3, das durch den Laser 11 aufgeheizt wird, gegen das Aluminiumlegierungsblech 4 sind vorgesehen. Weiterhin weist diese Laser-Rollfügevorrichtung 1 eine Steuereinheit 21 auf zum Steuern des Betriebs der gesamten Einheit, mit welcher der Laser 11 verbunden ist, so dass das Timing (der Zeitablauf) der Pulsbestrahlung des SPCC-Stahlblechs 3 gesteuert wird. Ein Temperaturmonitor 22 und eine Kühleinheit 23 sind mit dieser Steuereinheit 21 verbunden, so dass die Kühlleistung eingestellt werden kann, während die Aufheizbedingungen des SPCC-Stahlblechs 3 und des Aluminiumlegierungsblechs 4 überwacht werden.
Wie diese Kühleinheit 23 ist die Laser-Rollfügevorrichtung 1 dieser Ausführungsform mit einem ersten Temperatursensor 25 zum Erfassen einer Aufheiztemperatur einer Bestrahlungsposition des Lasers 11 auf dem SPCC-Stahlblech 3, einem zweiten Temperatursensor 26 zum Erfassen der Temperatur der Oberfläche des SPCC-Stahlblechs 3 nachdem es durch die Pressschweißwalze 15 gegen das Aluminiumlegierungsblech 4 gepresst ist und einem dritten Temperaturerfassungssensor 27 zum Erfassen der Temperatur des Aluminiumlegierungsblechs 4 nachdem es mit dem SPCC-Stahlblech 3 verbunden ist, versehen. Die entsprechenden Temperatursensoren 25, 26, 27 sind mit dem Temperaturmonitor 22 verbunden, so dass die Temperaturen überprüft werden können. Die von den entsprechenden Temperatursensoren 25, 26, 27 erhaltenen Temperaturdaten werden weiterhin der Steuereinheit 21 zugeführt. Die Steuereinheit 21 ist so aufgebaut, dass sie eine Rückkopplungssteuerung des Antriebs der kühlenden Einheit 23 basierend auf diesen Temperaturdaten durchführt.
Die kühlende Einheit 23 versucht durch Versprühen eines Kühlmittels auf die rückseitige Fläche des Aluminiumlegierungsblechs 4 die Temperatur der Verbindungsgrenzfläche zu verringern. Als Kühlmittel zum Kühlen der Verbindungsgrenzfläche kann im Falle von Gas die Verwendung von beispielsweise von Luft oder CO₂-Gas und im Falle von Flüssigkeit die Verwendung von Wasser oder flüssigem Stickstoff erwogen werden. Für den Fall eines Festkörpers kann Trockeneis verwendet werden und es kann erwogen werden, das Aluminiumlegierungsblech 4 zu kühlen, indem es in einem direkten Kontakt gehalten wird. Obwohl im Falle des in 1 gezeigten Beispiels das SPCC-Stahlblech 3 und das Aluminiumlegierungsblech 4 auf dem Tisch 17 angeordnet sind, ist ein Zuführungsmittel (nicht gezeigt) zum Unterstützen und Zuführen derselben dergestalt vorgesehen, dass sie teilweise durch eine Unterstützungsrolle 28 unterstützt werden, die unmittelbar unterhalb der Pressschweißwalze 15 angeordnet ist, da es notwendig ist, einen Platz für die kühlende Einheit 23 zum Versprühen des Kühlmittels zu gewährleisten.
In der Laser-Rollfügevorrichtung 1 mit einem derartigen Aufbau werden zunächst das SPCC-Stahlblech 3 und das Aluminiumlegierungsblech 4 in der mit dem Pfeil bezeichneten X-Richtung (Zufuhrrichtung) von links nach rechts in der Figur zugeführt. Zu dieser Zeit wird von dem Laser 11 der Laserstrahl B mit einer Gaußschen Verteilung ausgegeben und wie in 1 gezeigt durch den ebenen Reflexionsspiegel 12 reflektiert und dann auf die Deckfläche des SPCC-Stahlblechs 3 in der Zufuhrrichtung unmittelbar vor die Pressschweißwalze 15 gestrahlt. Da das SPCC-Stahlblech 3 und das Aluminiumlegierungsblech 4 linear zugeführt werden, wird ein durch die Laserbestrahlung aufgeheizter Abschnitt, so wie er ist, entlang der Pressschweißwalze 15 bewegt, so dass die Verbindungslinie gebildet wird. Das durch die Pressschweißwalze 15 unter Druck gesetzte SPCC-Stahlblech 3 wird gegen das Aluminiumlegierungsblech 4 gepresst, welches durch die Unterstützungsrolle 28 von unten unterstützt wird. Obwohl zu dieser Zeit die Bestrahlungsfläche 3a, welches die Deckfläche des SPCC-Stahlblechs 3 ist, aufgeheizt wird, (siehe 3 für die folgende Beschreibung), hat die Verbindungsfläche 3b auf einer entgegengesetzten Seite die eutektische Temperatur (ungefähr 1170°C im Falle von Fe-Al-Reihen) erreicht. Somit wird eine Verbindungsfläche 4a des gepressten Aluminiumlegierungsblechs 4 schnell aufgeheizt und ihre Temperatur übersteigt 650°C, was der Schmelzpunkt von Aluminium ist, so dass lediglich die Oberfläche schmilzt. Da das Aluminiumlegierungsblech 32, dessen Verbindungsfläche 4a geschmolzen ist, im Gegenzug die Verbindungsfläche 3b des SPCC-Stahlblechs 3 in einen sogenannten feuchten Zustand versetzt, diffundieren Eisenmoleküle des SPCC-Stahlblechs 3 in der feuchten Verbindungsfläche 3b, so dass in der Verbindungsgrenzfläche eine intermetallische Verbindung gebildet wird.
Wärme, die in das Aluminiumlegierungsblech 4 zur Erzeugung der intermetallischen Verbindung eintritt, heizt die Verbindungsfläche 4a schnell auf und diffundiert im Innern. Durch Kühlen des Aluminiumlegierungsblechs 4 kann gemäß dieser Ausführungsform die Temperatur dieses Verbindungsabschnitts in einem Notfall herabgesetzt werden. Dies bedeutet, flüssiger Stickstoff C wird von der kühlenden Einheit 23 auf einen aufgeheizten Ab schnitt gespritzt, der durch die Unterstützungsrolle 28 unterstützt wird und folglich wird das Aluminiumlegierungsblech 4 von der Seite der kühlenden Fläche 4b gegenüber der Verbindungsfläche 4a gekühlt. Da der Temperaturgradient zwischen der Verbindungsfläche 4a und der kühlenden Fläche 4b anwächst und insbesondere Aluminium eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat, findet die interne Diffusion von Wärme, die in das Aluminiumlegierungsblech 4 eintritt, auf effektive Weise statt und als eine Folge fällt die Temperatur des Verbindungsabschnitts rapide.
Der Temperaturabfall wird durch den zweiten und dritten Temperatursensor 26, 27 überwacht und die gemessenen Temperaturen sowie eine durch den ersten Temperatursensor 25 zum Überwachen einer Aufheiztemperatur des SPCC-Stahlblechs 3 gemessene Temperatur werden auf dem Temperaturmonitor 22 angezeigt. Dann werden von diesem Temperaturmonitor 22 die entsprechenden Temperaturdaten zu der Steuereinheit 21 gesendet und ein Steuersignal wird zu der Kühlungseinheit 23 entsprechend der arithmetischen Operation in der Steuereinheit 21 gesendet. Auf diese Weise wird die Regelung des durch die Kühlungseinheit 23 injizierten flüssigen Stickstoffs C, das heißt die Antriebsregelung der Kühlungseinheit 23 basierend auf den von den Temperatursensoren 26, 27 erfassten Werten rückkopplungsgesteuert. Gemäß dieser Ausführungsform kann durch Einstellung der Kühlkapazität zum Steigern der Geschwindigkeit der Kühlung der Verbindungsgrenzfläche zwischen dem SPCC-Stahlblech 3 und dem Aluminiumlegierungsblech 4 mittels Rückkopplungssteuerung insbesondere ein Temperaturbereich von 450°C–600°C, der wie in 4 gezeigt zu einer Eisendiffusion in Aluminium führt, in einer extrem kurzen Zeit (ungefähr 0,1 s) durchlaufen werden.
Wenn die Menge der in das Aluminium eingebrachten Wärme von Anfang an niedrig eingestellt wird, so wächst die Effizienz der internen Diffusion zur Steigerung der Geschwindigkeit der Kühlung der Verbindungsgrenzfläche an, so dass ein Temperaturabfall beschleunigt wird. Aus diesem Grund wird gemäß dieser Ausführungsform ein Steuersignal von der Steuereinheit 21 zu dem Laser 11 gesandt zur Steuerung des von dem Laser 11 ausgegebenen Laserstrahls B. Gemäß dieser Ausführungsform wird insbesondere der Laserstrahl B so gesteuert, dass er in Form von Pulsen ausgestrahlt wird zur Vermeidung einer übermäßigen Wärmezufuhr infolge kontinuierlicher Bestrahlung. Obwohl die Pulsbestrahlung abhängig von der Vorschubrate des SPCC-Stahlblechs 3 und des Aluminiumlegierungsblechs 4, als einem der Kriterien, geeignet eingestellt wird, werden die Aufheizflecken 3q entlang der Verbindungslinie so eingestellt, dass sie kontinuierlich sind, da, wie durch die Aufheiz-Querschnittsansicht von 3 gezeigt, die auf der Verbindungsfläche erzeugte Fläche des Aufheizflecks 3q kleiner ist als die Fläche des Bestrahlungsflecks 3p. Dieses Kriterium beruht jedoch auf der Überlegung, weshalb die Scherfestigkeit durch die Wahl eines kontinuierlichen Aufheizflecks 3q (das heißt der verbundene Abschnitt wird kontinuierlich in Form einer Linie) erhöht wird und dass es nicht notwendig ist immer die Aufheizflecken kontinuierlich zu wählen wenn eine hinreichende Festigkeit erhalten wird sogar wenn sie nicht kontinuierlich sind.
Um die Aufheizflecken 3q kontinuierlich zu halten, wie in 6(a) gezeigt, überlappen die Bestrahlungsflecken 3p in der S-Richtung der Verbindungslinie auf der Bestrahlungsfläche 3a des SPCC-Stahlblechs 3 und, wie in 6(b) gezeigt, muss die Bestrahlung in einem solchen Intervall durchgeführt werden, dass die Aufheizflecken 3q in der S-Richtung der Verbindungslinie kontinuierlich sind. 7(a)–7(c) sind Diagramme, die ein Beispiel des von dem Laser 11 ausgegebenen Laserstrahls B zeigen. Die Art und Weise der Steuerung des Pulses des Laserstrahls B, der von dem Laser 11 ausgegeben wird, kann auf einer Sinuswelle sowie auf Rechteckwellen, wie in 7(a), 7(b) gezeigt, basieren. Dies bedeutet der Treibersteuerpuls für die Ausgabe des Pulslasers ist nicht auf irgendeine Wellenform beschränkt, sondern es ist gestattet, eine Spitze am oberen Ende eines Pulses durch Erhöhen des Ausgangswertes des Lasers zu erzeugen, wie in 7(c) gezeigt, zur Erhöhung der Temperatur der Vorderfläche und Verbesserung ihres Absorptionsanteils.
Wie in 8 gezeigt, ist es weiterhin gestattet, eine Wellenform (c) durch Überlagern einer kontinuierlichen Welle (a), die durch Herabsetzen der Laserleistung erzeugt wird, mit einer Pulswellenform (b), die durch Erhöhen der Laserleistung erzeugt wird, zu erhalten. Während die Temperatur der Bestrahlungsfläche 3a (siehe 3, die in der folgenden Beschreibung anwendbar ist) durch die kontinuierliche Wellenform erhöht wird und der Absorptionsanteil steigt, ist es folglich möglich, hinreichend Wärme zu der Verbindungsfläche 3b auf der gegenüberliegenden Seite zu führen während die Wärmezufuhr durch die Pulswellenform unterdrückt wird. Dies bedeutet, die auf der Verbindungsfläche 3b erzeugte Fläche des Aufheizflecks 3q wächst und folglich kann das Pulsintervall verlängert werden wodurch die Wärmezufuhr herabgesetzt wird. Für die Bestrahlung des Pulslasers ist es gestattet, dass die Vorschubrate des SPCC-Stahlblechs 3 und des Aluminiumlegierungsblechs 4 auf eine konstante Rate eingestellt wird oder ein synchrones Intermittieren mit den Pulsen ist gestattet.
Gemäß dieser Ausführungsform wird durch Anpassung des Pulslasers als Laserstrahl B von dem Laser 11 zur Aufheizung des SPCC-Stahlblechs 3 die Wärmezufuhr herabgesetzt, so dass die Wärmediffusion in dem Aluminiumlegierungsblech 4, das Wärme von dem SPCC-Stahlblech 3 empfängt, auf effektive Weise stattfindet. Wenn, wie oben beschrieben, das Aluminiumlegierungsblech 4 direkt mit der Kühlungseinheit 23 gekühlt wird, wird der Temperaturabfall an der Verbindungsgrenzfläche durch die Wirkungen beider schnell erzeugt. Wenn deshalb die Temperatur der Verbindungsgrenzfläche verringert wird, sind die Kühlung und Pulsbestrahlung Faktoren zum Erhöhen der Kühlungsgeschwindigkeit und gemäß dieser Ausführungsform wird ein schneller Temperaturabfall an der Verbindungsgrenzfläche durch die Anwendung von beiden erzielt.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein spezielles Beispiel der Kühlungseinheit 23, die in 5 gezeigt ist beschrieben. Die Kühlung wird an dem Aluminiumlegierungsblech 4 wie in 5 gezeigt, durchgeführt. Der Gedanke ist, dass Aluminium eine höhere Wärmeleitung als Stahl hat. 9 bis 11 sind Diagramme die den Aufbau zum Kühlen der Verbindungsgrenzfläche zeigen. 9 zeigt ein Beispiel, bei dem das SPCC-Stahlblech 3 und das Aluminiumlegierungsblech 4 auf dem Tisch 17 angeordnet sind, wie in 1 gezeigt, bei dem der Tisch 17 als eine Wärmesenke verwendet wird. Der Tisch 17 ist aus Stahl mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als Aluminium gefertigt und eine Eingangsöffnung 31 und eine Ausgangsöffnung 32 sind darin ausgebildet und eine Passage 33 ist zwischen den Öffnungen 31 und 32 ausgebildet, so dass Kühlmittel durch das Innere des Tisches 17 hindurchtreten kann. Folglich wird das Aluminiumlegierungsblech 4 in einem weiten Bereich durch den Tisch 17 gekühlt und somit diffundiert die in das Aluminiumlegierungsblech 4 eintretende Wärme, wenn das SPCC-Stahlblech 3 gedrückt wird, schnell und die Temperaturerniedrigung an der Verbindungsgrenzfläche wird schnell durchgeführt.
Die in 5, 9 gezeigten Vorrichtungen sind so aufgebaut, dass das Kühlmittel durch die Kühlungseinheit dergestalt gesteuert wird, dass die Kühlkapazität eingestellt wird. Bei der in 10 gezeigten Vorrichtung ist eine Mehrzahl von Unterstützungsrollen 28, 28, ... in der Richtung der Tangentenlinie angeordnet und diese Unterstützungsrollen 28, 28, ... tauchen in einen Behälter 35, der das Kühlmittel enthält. Die Unterstützungsrollen 28, 28, ... bestehen aus Kupfer mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit und werden durch das Kühlmittel D, wie zum Beispiel kaltes Wasser, dergestalt gekühlt dass dem Aluminiumlegierungsblech 4 Wärme entzogen wird. Da das Aluminiumlegierungsblech 4 durch die Unterstützungsrollen 28, 28, ... gekühlt wird, diffundiert auf diese Weise eintretende Wärme, wenn das SPCC-Stahlblech 3 gedrückt wird, schnell, so dass die Temperaturerniedrigung an der Verbindungsgrenzfläche schnell durchgeführt wird.
11 zeigt einen Fall, bei dem die Kühlung sowohl auf der Seite des SPCC-Stahlblechs 3 als auch auf der Seite des Aluminiumlegierungsblechs 4 stattfindet. Der Aufbau ist somit dergestalt, dass Luft oder flüssiger Stickstoff gegen die Bestrahlungsfläche 3a des SPCC-Stahlblechs 3 von der Kühlungseinheit 23, die in 5 gezeigt ist, her geblasen wird. Zu diesem Zeitpunkt wird das Kühlmittel E von einer entgegengesetzten Seite zu der Bestrahlung mit dem Laserstrahl B an eine Stelle geblasen, an der die Pressschweißwalze 15 Druck auf das SPCC-Stahlblech 3 ausübt. Die durch das Kühlmittel E gekühlte Pressschweißwalze 15 besteht wie die darunter angeordneten Unterstützungsrollen 28, 28 ... aus Kupfer. Bei dem SPCC-Stahlblech 3, das durch die Laserbestrahlung aufgeheizt wird, wird die Verbindungsfläche auf eine eutektische Temperatur (ungefähr 1170°C) wie oben beschrieben aufgeheizt und durch Pressschweißen mit dem Aluminiumlegierungsblech 4 verbunden. Da das SPCC-Stahlblech 3 und das Aluminiumlegierungsblech 4 durch Kühlmittel gekühlt werden, wird danach in jedem von beiden eine Wärmediffusion hervorgerufen. Deshalb wird die Kühlung aktiv an dem SPCC-Stahlblech 3 durchgeführt und folglich wird die Temperaturerniedrigung in der Verbindungsgrenzfläche, in der die intermetallische Verbindung erzeugt wird, schneller durchgeführt.
Bislang wurde ein Beispiel beschrieben, bei dem der Laserstrahl B von der Seite der Nichtkontaktfläche auf das SPCC-Stahlblech 3 gestrahlt wurde. Obwohl jedoch beim Laser-Rollpressschweißen die Verbindungsfläche bis zu der eutektischen Temperatur aufgeheizt werden muss, wird der Laserstrahl B auf die entgegengesetzte Seite (Bestrahlungsfläche 3a) gestrahlt und somit wird übermäßig Wärme eingebracht. Als nächstes wird ein Beispiel beschrieben, bei dem das Aufheizen auf effektive Weise stattfindet, indem der Laserstrahl B direkt auf die Verbindungsfläche 3b gerichtet wird. 12, 13 sind Diagramme, die bei der Laser-Rollfügevorrichtung ein Bestrahlungsverfahren der Verbindungsfläche 3b zeigen. Wenn der Laserstrahl B auf die Verbindungsfläche 3b gestrahlt wird, ist es notwendig, einen großen Zwischenraum zu gewährleisten durch Verformen zumindest eines Metallbleches, wie in der Figur gezeigt, da die Verbindungsflächen einander gegenüberliegen.
Da der reflektierte Laserstrahl auf das Aluminiumlegierungsblech 4 gerichtet wird, wird der Laserstrahl B unter Ausnutzung der Tatsache ausgestrahlt, dass die Brewster-Winkel des Stahlblechs und des Aluminiums unterschiedlich sind. Der Brewster-Winkel von Eisen Fe beträgt 75,2 Grad und der Brewster-Winkel von Aluminium Al beträgt 60,2 Grad. Deshalb wird der Laserstrahl B so eingestellt, dass er auf das SPCC-Stahlblech 3 mit einem Auftreffwinkel von ungefähr 75 Grad strahlt. Der Brewster-Winkel ist ein Auftreffwinkel, der, wie in der Figur gezeigt, ein Winkel θ bezüglich der Normalen H des SPCC-Stahlblechs 3 am Bestrahlungspunkt ist. 12 zeigt einen Zustand, in dem wie in dem oben erwähnten Beispiel das SPCC-Stahlblech 3 oben angeordnet ist und das SPCC-Stahlblech 3 der Pressschweißwalze 15 so zugeführt wird, dass die Verbindungsfläche 3b verformt ist. Umgekehrt zeigt 13 einen Zustand, bei dem das Aluminiumlegierungsblech 4 oben angeordnet ist und das Aluminiumlegierungsblech 4 der Pressschweißwalze 15 so zugeführt wird, dass das Aluminiumlegierungsblech 4 verformt ist.
Durch Verbiegen des SPCC-Stahlblechs 3 oder des Aluminiumlegierungsblechs 4 (beide Bleche können zusammen verbogen sein) kann der Laserstrahl B auf die Verbindungsfläche 3b des SPCC-Stahlblechs 3 gestrahlt werden. In dem in 12 gezeigten Beispiel wird der Laserstrahl B auf das nach oben gebogene SPCC-Stahlblech 3 gerichtet. Um im wesentlichen in der horizontalen Richtung aufzutreffen kann der Laserstrahl B direkt von dem in 1 gezeigten Laser 11 auf das SPCC-Stahlblech 3 gestrahlt werden oder unter Verwendung eines Reflexionsspiegels 12 oder dergleichen indirekt eingestrahlt werden, wenn die direkte Bestrahlung schwierig ist. In jedem Fall wird jedoch der Laserstrahl B auf die Verbindungsfläche des SPCC-Stahlblechs 3 mit dem Brewster-Winkel θ gestrahlt. In dem Fall von 13, in dem die Anordnung umgekehrt ist, kann andererseits durch Verbiegen des oben angeordneten Aluminiumlegierungsblechs 4 das unten angeordnete SPCC-Stahlblech 3 mit dem Laserstrahl B bestrahlt werden. Der Laserstrahl B wird dann unter dem Brewster-Winkel θ auf die Verbindungsfläche 3b des ebenen SPCC-Stahlblechs 3 projiziert.
Bezugnehmend auf 12 wird nach der Aufheizung des gebogenen SPCC-Stahlblechs 3 mittels Laserbestrahlung dieses durch die Pressschweißwalze 15 unter Druck gesetzt und gegen das unten angeordnete Aluminiumlegierungsblech 4 gepresst. In 13 wird andererseits das Aluminiumblech 4, das oben angeordnet ist, nach der Zufuhr in dem verformten Zustand gegen das SPCC-Stahlblech 3, das durch die Laserbestrahlung aufgeheizt wird, mittels der Pressschweißwalze 15 gepresst. Da in jedem Fall die Verbindungsfläche 3b des SPCC-Stahlblechs 3 die eutektische Temperatur (ungefähr 1170°C im Falle von Fe-Al-Reihen) erreicht hat, wird das gepresste Aluminiumlegierungsblech 4 schnell aufgeheizt und die Temperatur übersteigt 650°C, was ein Schmelzpunkt von Aluminium ist, so dass lediglich die Oberfläche geschmolzen wird. Da das geschmolzene Aluminiumlegierungsblech 32 die Oberfläche des SPCC-Stahlblechs 3 in einen feuchten Zustand versetzt, diffundieren Eisenmoleküle des SPCC-Stahlblechs 3 in die feuchte Verbindungsfläche 3b des SPCC-Stahlblechs 3, so dass an der Verbindungsgrenzfläche die intermetallische Verbindung erzeugt wird.
Wenn die Verbindungsfläche 3b des SPCC-Stahlblechs 3 auf diese Weise mit dem Laserstrahl B bestrahlt wird, wird, wie in der Figur gezeigt, der Laserstrahl auf das SPCC-Stahlblech 3 unter dem Brewster-Winkel θ gestrahlt, so dass die Verbindungsfläche 3b auf die eutektische Temperatur (ungefähr 1170°C) aufgeheizt wird, die Reflexion ist herabgesetzt und das meiste der Energie wird durch das SPCC-Stahlblech 3 absorbiert, da der Auftreffwinkel im wesentlichen der Brewster-Winkel θ ist, so dass das Aufheizen auf effektive Weise durchgeführt werden kann. Deshalb kann das Aufheizen zur Verbindung des SPCC-Stahlblechs 3 mit dem Aluminiumlegierungsblech 4 mit einer Ausgangsleistung durchgeführt werden, bei der der Energieverbrauch herabgesetzt ist.
Da die Verbindungsfläche 3b des SPCC-Stahlblechs 3 direkt aufgeheizt wird, ist die Notwendigkeit des Aufheizens des SPCC-Stahlblech 3 beseitigt im Unterschied zu einem Fall, bei dem die Verbindungsfläche 3b auf der gegenüberliegenden Seite auf die eutektische Temperatur aufgeheizt wird durch Bestrahlen von der Bestrahlungsfläche 3a her wie in dem vorstehend gezeigten Beispiel. Wenn der Laserstrahl B gepulst ist, ändert sich der in 3 gezeigte Bereich des Bestrahlungsflecks 3p in den Aufheizfleck 3q, wie er ist, und deshalb wird der Zweck durch Wählen von kontinuierlichen Aufheizflecken erreicht. Aus diesem Grund kann die Überlappung der Bestrahlungsflecken verringert werden, wodurch die Bestrahlungsmenge erniedrigt wird, was zu einer großen Verringerung des Betrags der zugeführten Wärme führt. Durch Herabsetzen der Aufheizung des SPCC-Stahlblechs 3 diffundiert deshalb Wärme in der Verbindungsgrenzfläche in das Innere des Aluminiumlegierungsblechs 4 unmittelbar nach der Verbindung und die Kühlung wird durchgeführt. Wenn wie in dem vorstehend beschriebenen Beispiel unter Verwendung des Kühlmittels gekühlt wird, kann eine weiter erhöhte Kühlwirkung erzielt werden und die Temperaturerniedrigung kann in der Verbindungsgrenzfläche, in der die intermetallische Verbindung erzeugt wird, sofort durchgeführt werden.
Vorzugsweise ist die Laser-Rollfügevorrichtung 1 dieser Ausführungsform mit einem Oxidationsverhinderungsmittel versehen, das durch Waschen der Verbindungsoberflächen beider Blechteile vor der Verbindung mit einer Drahtbürste und Pressluft Kontaminationen entfernt und danach zum Schutz der Aluminiumoberfläche vor einem Oxidfilm eine Bedeckung mit einem Aluminium-Überzugsflussmittel durchführt. 14 ist eine Diagramm, das das Oxidationsverhinderungsmittel der Laser-Rollfügevorrichtung 1 zeigt, welches mit einer Bürstenrolle 41, einer Luftblaseinrichtung 42 und einem Spender 43 zum Bedecken mit einem Flussmittel F für ein zuzuführendes Aluminiumlegierungsblech 4 versehen ist.
Das mit dem wie oben beschrieben aufgeheizten SPCC-Stahlblech 3 durch das Pressschweißen zu verbindende Aluminiumlegierungsblech 4 wird vor diesem Pressschweißen einer Waschung der Begrenzungsfläche unterzogen und nachdem mittels Druckluft Luft darauf geblasen wurde wird vorläufig ein Flussmittel F entlang der Verbindungslinie aufgetragen, die durch einen nachfolgenden Verbindungsvorgang erzeugt wird. Bezüglich der Auftragmenge des Flussmittels F ist eine Dicke von 2 μ angemessen. Dies verhindert die Erzeugung von Oxid in dem Verbindungsabschnitt zwischen dem SPCC-Stahlblech 3 und dem Aluminiumlegierungsblech 4, was zu einer sicheren Verbindung verhilft.
Zur Verhinderung einer Oxidation des SPCC-Stahlblechs 3 und des Aluminiumlegierungsblechs 4 bei hohen Temperaturen ist es wirkungsvoll, nichtreaktives Gas auf die beiden Bleche 3, 4 zu blasen sowie eine Bedeckung mit dem Flussmittel F durchzuführen. Die Bedeckung mit dem Flussmittel F kann durch Versprühen oder Siebdruck sowie durch Verwendung eines Spenders 43 durchgeführt werden.
Wie oben im Detail beschrieben wurde, fällt gemäß dem Laser-Rollfügeverfahren und der Laser-Rollfügevorrichtung für unterschiedliche Arten von Metallen dieser Ausführungsform durch aktives Kühlen der Metallbleche die Temperatur der Verbindungsgrenzfläche schnell ab, da eine interne Diffusion der Wärme auf effektive Weise stattfindet. Folglich kann die Temperatur, in der die spröde Verbindung erzeugt wird, in einer extrem kurzen Zeit durchlaufen werden und die erzeugte Menge einer duktilen intermetallischen Verbindung wird erhöht, wodurch es möglich wird den Widerstand gegenüber einem Verbindungsbruch bei einem Verbindungsstück zu erhöhen.
Durch Ausstrahlen des Laserstrahls B in Pulsen oder direktes Bestrahlen der Verbindungsoberfläche wird die Kühlwirkung verstärkt, während die Menge der dem Metallblech zugeführten Wärme herabgesetzt wird und als eine Folge die Temperatur, bei der die spröde Verbindung erzeugt wird in einer extrem kurzen Zeit durchlaufen werden kann. Die erzeugte Menge der duktilen intermetallischen Verbindung wird erhöht, was es möglich macht, den Widerstand gegenüber einem Verbindungsbruch des Verbindungsstücks zu erhöhen.
Gleichzeitig ist das Laser-Rollfügeverfahren für unterschiedliche Arten von Metallblechen der vorliegenden Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in verschiedenen Anwendungen angewendet werden.
Obwohl beispielsweise gemäß dieser Ausführungsform das SPCC-Stahlblech und das Aluminiumlegierungsblech miteinander verbunden werden, ist eine Anwendung auf Kombinationen von anderen ungleichen Metallen, wie zum Beispiel Titan/Stahl, Aluminium/Kupfer, Stahl/Eisen, Stahl/Verbundmaterial möglich.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, ist gemäß der vorliegenden Erfindung die Laser-Rollfügevorrichtung mit einer Kühlvorrichtung versehen, so dass das zweite Metallblech von der Seite der Nichtkontaktfläche her an einer Stelle gekühlt wird, an der das erste Metallblech und das zweite Metallblech durch die Pressschweißwalze unter Druck gesetzt werden. Als ein Ergebnis können ein Laser-Rollfügeverfahren und eine Laser-Rollfügevorrichtung für ungleiche Metalle bereitgestellt werden, die in der Lage sind, die Verbindungsfestigkeit durch Erhöhung der erzeugten Menge der duktilen intermetallischen Verbindung zu verbessern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung bestrahlt die Laserbestrahlungseinrichtung der Laser-Rollfügevorrichtung die Verbindungsfläche des ersten Metallblechs mit einem Laserstrahl nachdem das erste Metallblech und das zweite Metallblech ausgehend von einem Zustand, in dem ihre Verbindungsflächen weit voneinander entfernt sind durch die Pressschweißwalze unter Druck gesetzt werden und so zugeführt werden, dass sie überlappen. Folglich ist es möglich, ein Laser-Rollfügeverfahren für ungleiche Metalle und eine Laser-Rollfügevorrichtung bereitzustellen, bei denen die Kühlwirkung durch Herabsetzen des Betrags der dem Metallblech zugeführten Wärme verstärkt wird, so dass die erzeugte Menge der duktilen intermetallischen Verbindung vergrößert wird zum Verbessern der Verbindungsfestigkeit des Verbindungsstücks.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Laser-Rollfügevorrichtung ein Steuermittel auf und durch Steuern des Treibers durch dieses Steuermittel sendet die Laserbestrahlungseinrichtung Bestrahlungsflecke des Laserstrahls, ausgegeben in der Form von Pulsen, dergestalt aus, dass sie in der Richtung der Verbindungslinie auf der Nichtkontaktfläche des ersten Metallblechs überlappen. Folglich ist es möglich, ein Laser-Rollfügeverfahren für ungleiche Metalle und eine Laser-Rollfügevorrichtung bereitzustellen, bei denen die Kühlwirkung verstärkt wird durch Herabsetzen des Betrags der dem Metallblech zugeführten Wärme, so dass die erzeugte Menge der duktilen intermetallischen Verbindung erhöht wird, wodurch die Verbindungsfestigkeit des Verbindungsstücks verbessert wird.
Die Wirkung und Zukunftsperspektive der vorliegenden Erfindung sind im folgenden zusammengefasst.

(1) Ein Zusammenfügen in einer Verbindung von unterschiedlichen Metallen, was in bekannter Weise schwierig ist, da eine spröde intermetallische Verbindung erzeugt wird, wird ermöglicht und die Zuverlässigkeit dieser Verbindung kann verbessert werden. Beispiel: Fe-Al-Reihen, Co-Al-Reihen, Cr-Al-Reihen und dergleichen
(2) Durch Ermöglichung der Verbindung eines Leichtmetalls, wie zum Beispiel einer Aluminiumlegierung mit einem Hartmetall oder einer Verbindung mit einem durch Verarbeitung beständigeren Metall können leichtgewichtige Bauteile und beständige leichtgewichtige Bauteile (wartungsfrei) hergestellt werden.
(3) Ein leichtgewichtiges feuerfestes Bauteil kann hergestellt werden.
(4) Ein Herstellungsverfahren für die folgenden leichtgewichtigen Strukturen und Teile ist vorgesehen:
a. ein leichtgewichtiges Hybridstrukturteil (Sandwich-Teil 1);
b. ein leichtgewichtiges Hybridstrukturteil (Sandwich-Teil 2);
c. ein maßgeschneidertes Ausgangsmaterial (Aluminium-Stahl-Stoßverbindung);
c. ein T-Verbindungsteil (Kehlnahtverbindung).
(5) Sie trägt wesentlich zur Verringerung des Gewichts von Transporteinheiten bei.
(6) Es kann erwartet werden, dass es sich um eine energiesparende Verbindungstechnologie mit geringen Verzerrungen handelt.
(7) Wenn ein Halbschmelz-Verbindungsverfahren angewandt wird, kann ein hochzuverlässiges Verbindungsstück mit einer metallischen Verbindung erwartet werden.

Zusammenfassung
Es ist eine Aufgabe, ein Laser-Rollfügeverfahren für ungleiche Metalle bereitzustellen, das in der Lage ist, die Verbindungsfestigkeit eines Verbindungsstücks durch Erhöhung der erzeugten Menge der duktilen intermetallischen Verbindung zu verbessern, sowie eine Laser-Rollfügevorrichtung. Ein Laser-Rollfügeverfahren für ungleiche Metalle zum Verbinden eines ersten Metallblechs 3 und eines zweiten Metallblechs 4 unterschiedlichen Materials, die in einem Nichtkontaktzustand gehalten werden durch Pressen eines aufgeheizten Abschnitts des ersten Metallblechs 3 gegen das zweite Metallblech 4 mit einer Pressschweißwalze 15 nachdem lediglich das erste Metallblech 3 durch Laserbestrahlung aufgeheizt wurde, so dass sie in einen festen Kontakt zueinander gebracht werden und einer plastischen Deformation unterzogen werden, bei dem ein Verbindungsabschnitt zwischen dem ersten Metallblech 3 und dem zweiten Metallblech 4 gekühlt wird.
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Claims

Laser-Rollfügeverfahren für ungleiche Metalle zum Verbinden eines ersten Metallblechs und eines zweiten Metallblechs unterschiedlichen Materials miteinander, die in einem Nichtkontaktzustand gehalten werden, bei dem nachdem lediglich das erste Metallblech mittels Laserbestrahlung aufgeheizt wurde, ein aufgeheizter Abschnitt des ersten Metallblechs durch eine Pressschweißwalze gegen das zweite Metallblech gepresst wird, so dass sie in einen festen Kontakt zueinander gebracht werden und einer plastischen Deformation unterzogen werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungsabschnitt zwischen dem ersten Metallblech und dem zweiten Metallblech gekühlt wird.
Laser-Rollfügeverfahren für ungleiche Metalle gemäß Anspruch 1, bei dem das zweite Metallblech von der Seite der Nichtkontaktfläche her an einer Stelle gekühlt wird, an der das erste Metallblech und das zweite Metallblech mit der Pressschweißwalze gegeneinander gepresst werden.
Laser-Rollfügeverfahren für ungleiche Metalle gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Pressschweißwalze und das erste Metallblech gekühlt werden.
Laser-Rollfügeverfahren für ungleiche Metalle, das ein erstes Metallblech und ein zweites Metallblech unterschiedlichen Materials, die in einem Nichtkontaktzustand gehalten werden, miteinander verbindet, bei dem nachdem lediglich das erste Metallblech durch Laserbestrahlung aufgeheizt wurde mit einer Pressschweißwalze ein aufgeheizter Abschnitt des ersten Metallblechs gegen das zweite Metallblech gepresst wird, so dass sie in einen festen Kontakt zueinander gebracht werden und einer plastischen Deformation unterzogen werden, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Metallblech und das zweite Metallblech in einem Zustand, bei dem die Verbindungsflächen weit voneinander entfernt sind dergestalt zugeführt werden, dass sie an einer Pressschweißwalzenposition überlappen, während der Laser auf die Verbindungsfläche des ersten Metallblechs strahlt, wonach mittels der Pressschweißwalze das erste Metallblech gegen das zweite Metallblech gepresst wird.
Laser-Rollfügeverfahren für ungleiche Metalle gemäß Anspruch 4, bei dem der Laserstrahl im wesentlichen unter dem Brewster-Winkel auf das erste Metallblech gestrahlt wird.
Laser-Rollfügeverfahren für ungleiche Metalle zum Verbinden von einem ersten Metallblech und einem zweiten Metallblech unterschiedlichen Materials miteinander, die in einem Nichtkontaktzustand gehalten werden, bei dem nachdem das erste Metallblech durch Bestrahlen mit einem pulsartigen Laserstrahl von der Seite der Nichtkontaktfläche her aufgeheizt wurde, ein aufgeheizter Abschnitt des ersten Metallblechs mittels einer Pressschweißwalze gegen das zweite Metallblech gepresst wird, so dass sie in einen festen Kontakt zueinander gebracht werden und einer plastischen Deformation unterzogen werden, dadurch gekennzeichnet, dass in der pulsartigen Form ausgegebene Bestrahlungsflecke des Laserstrahls auf die Nichtkontaktfläche des ersten Metallblechs dergestalt gestrahlt werden, dass sie in der Richtung der Tangentenlinie überlappen.
Laser-Rollfügeverfahren für unterschiedliche Metalle gemäß Anspruch 6, bei dem die Überlappung der Bestrahlungsflecke dergestalt festgelegt wird, dass die auf der Seite der Verbindungsfläche des ersten Metallblechs durch die Laserbestrahlung erzeugten Aufheizflecke kontinuierlich sind bevor der pulsartige Laserstrahl ausgestrahlt wird.
Laser-Rollfügeverfahren für ungleiche Metalle gemäß Anspruch 6 oder 7, bei dem die Pulsbestrahlung und die Vorschubraten des ersten und zweiten Metallblechs synchronisiert sind, so dass die Aufheizflecke kontinuierlich sind.
Laser-Rollfügeverfahren für ungleiche Metalle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem zur Verhinderung einer Oxidation bei hohen Temperaturen von beiden miteinander zu verbindenden Metallblechen passives Gas gegen die beiden Bleche geblasen wird und ein Flussmittel auf die Materialseite mit einem starken Oxidfilm, wie zum Beispiel Aluminium, aufgetragen wird.
Laser-Rollfügeverfahren für ungleiche Metalle gemäß Anspruch 9, bei dem die Auftragsmenge des Flussmittels 2 μm oder weniger ist.
Laser-Rollfügeverfahren für ungleiche Metalle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das Verbinden mit einem Stahlblech als dem ersten Metallblech und einem Aluminiumblech oder Aluminiumlegierungsblech als dem zweiten Metallblech durchgeführt wird.
Laser-Rollfügevorrichtung für ungleiche Metalle zum Verbinden eines ersten Metallblechs und eines zweiten Metallblechs unterschiedlichen Materials miteinander, die in einem Nichtkontaktzustand gehalten werden, durch Pressen des aufgeheizten ersten Metallblechs gegen das zweite Metallblech zur Bewirkung einer plastischen Deformation mit: einer Laserbestrahlungsvorrichtung zum Bestrahlen lediglich des ersten Metallblechs mit einem Laser zur Aufheizung desselben und einer Walzpressvorrichtung zum Pressen des aufgeheizten Abschnitts des ersten Metallblechs, der durch die Laserbestrahlung durch die Laserbestrahlungsvorrichtung aufgeheizt wurde, gegen das zweite Metallblech mit einer Pressschweißwalze, so dass sie in einen festen Kontakt zueinander gebracht werden, wobei die Laser-Rollfügevorrichtung weiterhin eine Kühlungseinrichtung zum Kühlen eines Verbindungsabschnitts zwischen dem ersten Metallblech und dem zweiten Metallblech aufweist.
Laser-Rollfügevorrichtung für ungleiche Metalle gemäß Anspruch 12, bei dem die Kühlungseinrichtung vorgesehen ist zum Kühlen des zweiten Metallblechs von der Seite der Nichtkontaktfläche her an einer Position, an der das erste Metallblech und das zweite Metallblech durch die Pressschweißwalze unter Druck gesetzt werden.
Laser-Rollfügevorrichtung für ungleiche Metalle gemäß Anspruch 12 oder 13, bei der die Kühlungseinrichtung vorgesehen ist zum Kühlen der Pressschweißwalze und des ersten Metallblechs.
Laser-Rollfügevorrichtung für ungleiche Metalle zum Verbinden eines ersten Metallblechs und eines zweiten Metallblechs unterschiedlichen Materials miteinander, die in einem Nichtkontaktzustand gehalten werden, durch Pressen des aufgeheizten ersten Metallblechs gegen das zweite Metallblech zum Hervorrufen einer plastischen Deformation mit: einer Laserbestrahlungsvorrichtung zum Bestrahlen von lediglich dem ersten Metallblech mit einem Laser zum Aufheizen desselben und einer Walzpressvorrichtung zum Pressen des aufgeheizten Abschnitts des ersten Metallblechs, der durch die Laserbestrahlung durch die Laserbestrahlungsvorrichtung aufgeheizt wurde, gegen das zweite Metallblech mit einer Pressschweißwalze, so dass sie in einen festen Kontakt zueinander gebracht werden, dadurch gekennzeichnet dass das erste Metallblech und das zweite Metallblech ausgehend von einem Zustand in dem die Ver bindungsflächen weit voneinander entfernt sind, gegeneinander gepresst werden und so zugeführt werden dass sie überlappen und die Laser-Bestrahlungsvorrichtung zum Bestrahlen der Verbindungsfläche des ersten Metallblechs mit dem Laser vorgesehen ist.
Laser-Rollfügevorrichtung für ungleiche Metalle gemäß Anspruch 15, bei der die Laserbestrahlungsvorrichtung so vorgesehen ist, dass der Auftreffwinkel des Laserstrahls auf das erste Metallblech im wesentlichen der Brewster-Winkel ist.
Laser-Rollfügevorrichtung für ungleiche Metalle zum Verbinden eines ersten Metallblechs und eines zweiten Metallblechs miteinander durch Pressen des aufgeheizten ersten Metallblechs gegen das zweite Metallblech unterschiedlichen Materials in einem Nichtkontaktzustand, so dass eine plastische Deformation hervorgerufen wird mit: einer Laser-Bestrahlungsvorrichtung zum Bestrahlen des ersten Metallblechs mit einem pulsartigen Laserstrahl von der Seite der Nichtkontaktfläche her zur Aufheizung desselben und einer Walzpressvorrichtung zum Pressen des aufgeheizten Abschnitts des ersten Metallblechs, der durch die Laserbestrahlung durch die Laserbestrahlungsvorrichtung aufgeheizt wurde, gegen das zweite Metallblech mit einer Pressschweißwalze, dadurch gekennzeichnet, dass die Laser-Bestrahlungsvorrichtung mit einer Steuervorrichtung verbunden ist und in der Form von Pulsen ausgegebene Bestrahlungsflecke des Laserstrahls durch Treibersteuerung durch die Steuervorrichtung dergestalt ausgestrahlt werden, dass die Bestrahlungsflecke in der Richtung einer Verbindungslinie auf der Nichtkontaktfläche des ersten Metallblechs überlappen.
Laser-Rollfügevorrichtung für ungleiche Metalle gemäß Anspruch 17, bei der das Steuermittel vorgesehen ist zum Steuern des Treibers der Laserbestrahlungsvorrichtung dergestalt, dass die auf der Seite der Verbindungsfläche des ersten Metallblechs erzeugten Aufheizflecke durch Überlappen der Bestrahlungsflecke kontinuierlich sind.
Laser-Rollfügevorrichtung für ungleiche Metalle gemäß Anspruch 17 oder 18, bei der die Steuervorrichtung die Pulsbestrahlung mit den Vorschubraten des ersten und zweiten Metallblechs synchronisiert, so dass die Aufheizflecke kontinuierlich sind.
Laser-Rollfügevorrichtung für ungleiche Metalle gemäß einem der Ansprüche 12 bis 19, die weiterhin ein Oxidationsverhinderungsmittel aufweist zum Blasen von passivem Gas auf den Verbindungsabschnitt der beiden Bleche oder Bedecken der Seite des Materials mit einem starken Oxidfilm, wie zum Beispiel Aluminium, mit einem Flussmittel zur Verhinderung einer Oxidation bei hohen Temperaturen von beiden miteinander zu verbindenden Metallblechen.
Laser-Rollfügevorrichtung für ungleiche Metalle gemäß Anspruch 20, bei der das Oxidationsverhinderungsmittel durch Aufsprühen, Siebdrucken oder einen Spender mit einem Flussmittel bedeckt.
Laser-Rollfügevorrichtung für ungleiche Metalle gemäß einem der Ansprüche 12 bis 21, bei der das Verbinden mit einem Stahlblech als dem ersten Metallblech und einem Aluminiumblech oder Aluminiumlegierungsblech als dem zweiten Metallblech durchgeführt wird.