DE10049058B4

DE10049058B4 - Making welded joints between metal strips, plates, ingots and / or profiles

Info

Publication number: DE10049058B4
Application number: DE2000149058
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr.-Ing. Brungs; Andreas Dr.-Ing. Mertz; Jorge dos Dr. Santos; Christoph Schilling; Alexander V. Strombeck
Original assignee: Honsel Werke AG; GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: Honsel Werke AG; GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 2000-10-04
Filing date: 2000-10-04
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2020-10-05
Also published as: DE10049058A1

Abstract

Verwendung des Reibrührschweißverfahrens zum Herstellen von Schweißverbindungen zwischen Metallbändern, -platten, -barren und/oder -profilen, von denen wenigstens eines der zu verbindenden Teile wenigstens teilweise aus aufschäumbarem Metall besteht, wobei Druck und Temperatur in der Fügenaht während des Reibrührschweißens so eingestellt werden, daß noch kein Aufschäumen des aufschäumbaren Metalls eintritt.use of the friction stir welding method for producing welded joints between metal bands, plates, ingots and / or profiles, of which at least one the parts to be joined at least partially from foamable Metal exists, with pressure and temperature in the joint seam during the friction stir welding so be set that still no frothing of the foamable Metal enters.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Herstellen von Schweißverbindungen zwischen Metallbändern, -platten, -barren und/oder -profilen durch das Reibrührschweißverfahren.The The present invention relates to the manufacture of welded joints between metal bands, plates, ingots and / or profiles by the friction stir welding method.

Schweißverbindungen zwischen Metallbändern, -platten, -barren und/oder -profilen sind erforderlich, wenn Gegenstände hergestellt werden sollen, die größer sind, als sich mit dem verwendeten Vormaterial einstückig erreichen läßt, und/oder die durch Schweißen hergestellten Gegenstände weiterverarbeitet werden sollen. Dabei lassen sich auch Teile mit unterschiedlicher Geometrie, beispielsweise Profile und Bänder oder unterschiedlicher Legierungszusammensetzung und damit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften miteinander verbinden. Des weiteren ist es interessant, Bänder endlicher Länge aneinanderzufügen, um für das Bandwalzen ein zu verarbeitendes Vormaterial in großer Länge vorliegen zu haben.welds between metal bands, -plates, ingots and / or profiles are required when making articles to be bigger as can be achieved in one piece with the starting material used, and / or by welding manufactured objects should be further processed. It can also be parts with different geometry, such as profiles and bands or different alloy composition and thus different connect mechanical properties with each other. Furthermore, it is it interesting, ribbons finite length another cause, around for the strip rolling a material to be processed long-term material present to have.

Das hierfür zu verwendende Fügeverfahren muß eine ausreichende Festigkeit der Fügenaht gewährleisten, um die Weiterverarbeitung durch Bandwalzen, Pressen, Biegen, Abkanten und dergleichen zu ermöglichen. Die Verbindung von Vormaterialien mittels eines herkömmlichen Schmelzschweißverfahrens gewährleistet eine hohe Festigkeit im Schweißnahtbereich, während andere Fügeverfahren wie Kleben oder Löten nicht die notwendigen Festigkeiten erbringen.The therefor to be used joining method must have a sufficient Strength of the joint seam guarantee, for further processing by band rolling, pressing, bending, folding and the like. The compound of materials by means of a conventional Fusion welding process guaranteed high strength in the weld area, while other joining methods like gluing or soldering do not provide the necessary strength.

Da indessen die Temperaturen beim Schmelzschweißen die Schmelztemperatur der Vormaterialien zwangsläufig erreicht, ist dieses Verfahren zum Zusammenfügen von Vormaterialien aus aufschäumbarem Metall ungeeignet, da durch die hohen auftretenden Temperaturen der Schäumvorgang bereits während des Fügens in der Schweißnaht eingeleitet wird, was zu einer Aufdickung im Fügebereich führt, so daß eine Weiterverarbeitung durch Bandwalzen, Pressen, Biegen oder Abkanten mit erst anschließendem Aufschäumen des aufschäumbaren Vormaterials nicht mehr möglich ist oder zu unbrauchbaren Fertigprodukten führt.There meanwhile, the fusion welding temperatures are the melting temperature of the Materials inevitably achieved, this method is for joining of materials from foamable Metal unsuitable because of high temperatures the foaming process already during of joining in the weld is introduced, resulting in a thickening in the joining area, so that further processing by Strip rolling, pressing, bending or folding with subsequent foaming of the expandable Starting material is no longer possible is or leads to unusable finished products.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Fügeverfahren zu finden, mit dem sich Metallbänder, -platten, -barren und/oder -profile, von denen wenigstens eines der zu verbindenden Teile wenigstens teilweise aus aufschäumbarem Metall besteht, verbinden lassen, ohne daß ein Aufschäumen während des Fügevorgangs erfolgt, so daß eine Weiterverarbeitung der so gefügten Vormaterialien durch Bandwalzen, Pressen, Biegen oder Abkanten und dergleichen mit erst anschließendem Aufschäumen des aufschäumbaren Materials möglich ist.Of the Invention is based on the problem of finding a joining method with which has metal bands, plates, ingots and / or profiles, of which at least one the parts to be joined at least partially from foamable Metal is made to connect without foaming during the joining process done so that a Further processing of the so joined Materials by band rolling, pressing, bending or folding and the like with only subsequent foam of the foamable Materials possible is.

Ausgehend von dieser Problemstellung wird erfindungsgemäß die Verwendung des Reibrührschweißverfahrens zum Herstellen von Schweißverbindungen zwischen Metallbändern, -platten, -barren und/oder -profilen, von denen wenigstens eines der zu verbindenden Teile wenigstens teilweise aus aufschäumbarem Metall besteht, wobei Druck und Temperatur in der Fügenaht während des Reibrührschweißens so eingestellt werden, daß noch kein Aufschäumen des aufschäumbaren Metalls eintritt, vorgeschlagen.outgoing from this problem is the use of the friction stir welding according to the invention for producing welded joints between metal bands, plates, ingots and / or profiles, of which at least one the parts to be joined at least partially from foamable Metal exists, with pressure and temperature in the joint seam during the Friction stir welding so be set that still no frothing of the foamable Metal enters, proposed.

Das Reibrührschweißen ist in den internationalen Patentanmeldungen mit den Veröffentlichungsnummern WO 93/10935 A1 und WO 95/26254 A1 bechrieben.The Friction Stir Welding is in the international patent applications with the publication numbers WO 93/10935 A1 and WO 95/26254 A1.

Beim Reibrührschweißen wird ein zylinderförmiges Werkzeug eingesetzt, das aus einem Stift besteht, der unter einer Schulter (Kreisfläche mit größerem Durchmesser) angeordnet ist.At the Friction Stir Welding becomes a cylindrical one Tool used, which consists of a pin, which under a Shoulder (circular area with a larger diameter) is arranged.

Das Werkzeug rotiert um die eigene Achse und wird langsam in den Verbindungsbereich zwischen die zu verbindenden Teile eingebracht bis die Schulter auf der Werkstückoberfläche aufsitzt. Zwischen dem verschleißfreien Werkzeug und den Werkstücken entsteht Reibungswärme, die das Material plastifiziert. Nach ausreichender Plastifizierung des Materials wird das Schweißwerkzeug entlang des Schweißstoßes bewegt. Das plastifizierte Material wird durch den rotierenden Stift zu seiner Rückseite transportiert und durch den Druck der Werkzeugschulter, welche auf die Werkstückoberseite gepreßt wird, und die Profilierung des Stiftes zusammengepreßt. Dort bildet sich beim Abkühlen die feste Verbindung.The The tool rotates around its own axis and slowly moves into the connection area between the parts to be joined until the shoulder sits on the workpiece surface. Between the wear-free Tool and the workpieces Frictional heat arises, which plasticizes the material. After sufficient plasticization of the Material becomes the welding tool moved along the weld joint. The plasticized material is closed by the rotating pin his back transported and by the pressure of the tool shoulder, which on the workpiece top is pressed and the profiling of the pin is compressed. There forms on cooling the stable connection.

Verschiedene, beispielsweise Möglichkeiten, die zu verbindenden Teile anzuordnen und die Schweißverbindung zu legen, sind ebenfalls in der WO95/26254 beschrieben und sind auch beim erfindungsgemäßen Verbinden von Teilen, von denen wenigstens eines wenigstens teilweise aus aufschäumbarem Material besteht, anwendbar.Various, for example, ways that To arrange to be connected parts and to lay the welded joint are also described in WO95 / 26254 and are also in the inventive joining of parts, at least one of which at least partially foamable Material exists, applicable.

Der Fügeprozeß beim Reibrührschweißen erfolgt somit durch einen sich drehenden Stift, der in Schweißrichtung bewegt wird. Durch eine geeignet hohe Anpreßkraft wird durch die Reibung der Werkstoff plastifiziert bewegt und zusammengepreßt.Of the Joining process occurs during friction stir welding thus by a rotating pin, in the welding direction is moved. By a suitably high contact pressure is due to friction the material plastified moves and compressed.

Bei der Verbindung von aufschäumbarem Vormaterial aus Metallegierungen, hergestellt beispielsweise durch Walzen, Strangpressen, Konformpressen oder ähnliche Verfahren, hat sich überraschend gezeigt, daß sich eine Verbindung hoher Festigkeit herstellen läßt, ohne eine Aufdickung im Fügebereich durch Aufschäumen des aufschäumbaren Metalls einzuleiten. Dies ergibt sich daraus, daß sich aufgrund des durch den rotierenden Stift verursachten Werkstofftransports in der Fügenaht eine Schweißverbindung bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen erzeugen läßt. Beim Reibrührschweißen liegt nämlich die Fügetemperatur deutlich unterhalb der Liquidustemperatur der zu fügenden Metalle sowie unterhalb der Temperatur, bei der der Schäumprozeß beginnt.In the connection of foamable starting material of metal alloys, prepared for example by rolling, extrusion molding, conformal molding or similar processes, has become surprising Schend shown that a compound of high strength can be produced without initiating a thickening in the joining region by foaming the foamable metal. This results from the fact that due to the material transport caused by the rotating pin in the joint seam, a welded joint can be produced at relatively low temperatures. In friction stir welding, the joining temperature is clearly below the liquidus temperature of the metals to be joined and below the temperature at which the foaming process begins.

Die erfindungsgemäß gefügten Bänder und Profile weisen somit Fügestellen mit hoher Festigkeit sowie nur unwesentliche Störstellen hinsichtlich nachfolgender Umformprozesse auf. Dabei kann das aufschäumbare Metall im Fügebereich praktisch das gleiche Aufschäumverhalten behalten wie in den übrigen Bereichen, wie durch Versuche festgestellt wurde.The Stripes and profiles joined according to the invention thus have joints with high strength and only insignificant defects with respect to the following Forming processes. In this case, the foamable metal in the joining area practically the same foaming behavior keep like in the rest Ranges, as determined by experiment.

Als verwendbare Legierungen seien beispielsweise Aluminium-, Magnesium- und Eisenlegierungen genannt. Die Dicke der zu verbindenden Bänder und Profile kann bevorzugt zwischen 1 mm und 50 mm liegen.When usable alloys are, for example, aluminum, magnesium and iron alloys called. The thickness of the tapes to be joined and Profiles may preferably be between 1 mm and 50 mm.

Durch die Verwendung des Reibrührschweißens zum Verbinden von beispielsweise durch Walzen, Strangpressen, Konformpressen oder ähnlichen Verfahren mit begrenzter Länge hergestellten Bändern lassen sich diese praktisch endlos zusammenfügen, so daß ein für das Bandwalzen erforderliches Vormaterial in großer Länge vorliegt, das zu einem Coil aufgewickelt vorliegen kann.By the use of friction stir welding for Connecting, for example, by rolling, extrusion, conforming presses or similar procedures with limited length made tapes These can be practically endlessly joined together, so that a required for the strip rolling feedstock in big Length is present which can be wound into a coil.

Ebenso lassen sich Bänder und/oder Profile in Längsrichtung zur Herstellung breiter, aufschäumbarer Metallbauteile zusammenfügen.As well can be tapes and / or profiles in the longitudinal direction for producing wide, foamable Assemble metal components.

Ähnliches gilt für die Verbindung von Stangen oder Profilen für die Herstellung von plattenförmigen Barren, beispielsweise als Kernlage zur Herstellung großformatiger Metall-Schaum-Sandwiche durch Blechwalzen.something similar applies to the connection of bars or profiles for the production of plate-shaped bars, For example, as a core for the production of large-sized metal foam sandwiches Plate rolling.

Ferner lassen sich Bänder, Platten, Barren und/oder Profile mit unterschiedlicher Legierungszusammensetzung, aus aufschäumbarem Vormaterial und nicht aufschäumbarem Vormaterial oder aus aufschäumbarem Vormaterial mit unterschiedlichem Aufschäumverhalten zusammenfügen, wodurch sich lokal unterschiedliche mechanische Eigenschaften und Geometrien herstellen lassen, die sich vor dem Aufschäumen durch Bandwalzen, Pressen, Biegen, Abkanten oder dergleichen umformen lassen, wonach der Aufschäumvorgang eingeleitet wird.Further can tapes, Plates, ingots and / or profiles of different alloy composition, made of foamable Starting material and non-foamable Starting material or foamable Combine starting material with different Aufschäumverhalten, whereby locally different mechanical properties and geometries can be produced before foaming by band rolling, pressing, Bending, bending or the like can be reshaped, after which the foaming process is initiated.

Das aufschäumbare Material kann in Form von Bändern, Platten, Barren und/oder Profilen vorliegen, ebenso das nicht aufschäumbare Material, wobei das aufschäumbare Material vorzugsweise zwischen zwei massiven Deckschichten eingebettet ist und zwischen den Deckschichten und der Zwischenschicht ein metallischer Verbund vorliegt.The expandable Material can be in the form of ribbons, Plates, ingots and / or profiles are present, as is the non-foamable material, wherein the foamable Material is preferably embedded between two solid cover layers and a metallic one between the cover layers and the intermediate layer Verbund exists.

Durch die Verwendung des Reibrührschweißens lassen sich gewickelte, aufschäumbare Metallbänder in beliebiger Länge herstellen. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit der Verwendung des wirtschaftlichen Bandwalzverfahrens bei der Herstellung von Metall-Schaum-Sandwichen. Die Fügestellen weisen eine hohe mechanische Festigkeit mit geringer Beeinflussung des Aufschäumverhaltens auf, und es lassen sich großflächige, aufschäumbare Metallkörper herstellen.By allow the use of friction stir welding wrapped, foamable metal bands in any length produce. This results in the possibility of using the economical strip rolling process in the production of metal foam sandwiches. The joints have a high mechanical strength with little influence the foaming behavior on, and it can be produced large-scale, expandable metal body.

Claims

Use of the friction stir welding method for manufacturing of welded joints between metal bands, plates, ingots and / or profiles, of which at least one the parts to be joined at least partially from foamable Metal exists, with pressure and temperature in the joint seam during the Friction stir welding so be set that still no frothing of the foamable Metal enters.

Use of the friction stir welding method according to claim 1, at least one of the parts to be joined consists of two massive ones Cover layers and an intermediate layer of foamable metal consists.

Use of the friction stir welding method according to claim 1 or 2, in the foamable and not foamable Parts should be connected.

Use of the friction stir welding method according to claim 1, 2 or 3, in which the parts to be joined from different Consist of metals or alloys.

Use of the friction stir welding method according to claim 1, 2 or 4, in which the foamable metal layers to be joined differ foaming behavior exhibit.