DE69602553T2

DE69602553T2 - Stumpfschweissverfahren von zwei metallischen Blechplatten und nach diesem Verfahren hergestelltes Automobilteil

Info

Publication number: DE69602553T2
Application number: DE69602553T
Authority: DE
Inventors: Jean-Marc Krzys; Hugues Oberle; Gilles Peru; Pascal Verrier
Original assignee: IMMEUBLE LA PACIFIC PUTEAUX; Sollac SA; Lorraine de Laminage Continu SA SOLLAC
Current assignee: ArcelorMittal France SA
Priority date: 1995-04-04
Filing date: 1996-03-25
Publication date: 1999-09-23
Anticipated expiration: 2016-03-26
Also published as: EP0745449B1; US5828032A; DE69602553D1; ES2134567T3; ATE180429T1; FR2732630B1; FR2732630A1; EP0745449A1; JPH08281451A; CA2173388A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für die Stumpfschweißung von zwei metallischen Blechplatten, von denen die eine aus Stahl besteht, während die andere aus einem Metall besteht, dessen Schmelzpunkt um mehr als 400ºC niedriger ist, als die Schmelztemperatur des Stahls.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Automobilteil, und insbesondere auf ein Teil einer Karosserie oder einer Fahrzeugstruktur, welches nach diesem Verfahren hergestellt wird.
Bei zahlreichen industriellen Einsätzen sind die Materialien, aus dem ein Produkt hergestellt wird, von unterschiedlicher Art und werden je nach ihren Eigenschaften eingesetzt.
Dies ist immer häufiger der Fall bei der Herstellung bestimmter Teile eines Automobils, uni ihnen ein geringeres Gewicht zu verleihen und dadurch eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs zu erreichen.
Tatsächlich ist es so, daß nicht alle Bereiche eines Teils den gleichen Kräften und Belastungen unterzogen werden, wie zum Beispiel der Fahrzeugboden, die Elemente der Karosserie oder aber die Gehäuse der Aufhängung.
Daher tendieren die Hersteller von Automobilen dazu, für die Herstellung dieser Art von Teilen in den Bereichen, die ein starkes Tiefziehen und/oder eine Verschweißung erfordern, Blechplatten aus Stahl einzusetzen, und in den anderen Bereichen Blechplatten aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zu verwenden.
Es ist bekannt, daß Stahl für das Tiefziehen gut geeignet ist, eine gute mechanische Festigkeit und ein große Dichte aufweist, während Aluminium oder Aluminiumlegierungen eine gute Eignung für das Strangpressen, eine geringe mechanische Festigkeit und eine geringe Dichte haben.
Dies trifft ebenfalls für den Bereich der LNG-Tanker zu, in denen das Methan bei sehr niedrigen Temperaturen gelagert wird.
Es ist jedoch bekannt, daß Stahl seine mechanischen Eigenschaften verliert, da das Methan bei Temperaturen gelagert wird, die unter der Temperatur des Übergangs zwischen der Streckbarkeit und der Versprödung des Stahls liegen, welche bei Standardstählen zwischen -30 und -60ºC liegt.
Dagegen tendieren die mechanischen Eigenschaften von Aluminium eher dazu, bei niedrigen Temperaturen besser zu werden.
Daher ist es verführerisch, für den eigentlichen Tank Blechplatten aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zu verwenden, während für die Struktur des Tanks Blechplatten aus Stahl verwendet werden.
Die beste Technik für das Fügen dieser Blechplatten, welche aus zwei unterschiedlichen Materialien bestehen, ist das Schweißen, da dadurch zusätzliche Teile, wie zum Beispiel Schrauben oder Niete vermieden werden, und es muß auch kein Zusatzwerkstoff für die Herstellung der Schweißnaht vorgesehen werden, wenn diese Naht mittels einer Rollenelektrode, durch Punktschweißen oder mit Hilfe eines Schweißstrahls hoher Intensität hergestellt wird.
Außerdem erlauben es diese Fügetechniken im Vergleich zu Lösungen, welche den Einsatz von zusätzlichen Teile erfordern, ebenfalls die galvanische Korrosion zu reduzieren.
Das Verschweißen von zwei verschiedenen Werkstoffen, wie zum Beispiel Stahl mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, beinhaltet Jedoch Probleme und erfordert die Beherrschung folgender Elemente:
- die Erwärmung der beiden Werkstoffe,
- die Vorbereitung der Oberflächen der zu verschweißenden Teile, das heißt, die Entfernung von Verunreinigungen und von Oxiden,
- und die Durchführung der Montage unter geeigneten Bedingungen der Temperatur und Sauberkeit.
Derzeitig werden verschiedene Schweißtechniken eingesetzt, um zwei Werkstoffe unterschiedlicher Art miteinander zu verbinden.
Eine dieser Techniken ist das Zundern, das darin besteht, daß der Schweißbereich mit einem Hochfrequenzstrom erwärmt wird und mittels Laminierwalzen die beiden Werkstoffen aufeinander gelegt werden.
Diese Technik wird dann eingesetzt wenn man Querfugen herstellen will, ist jedoch nicht für das Verschweißen einer Blechplatte aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einem Strukturteil aus Stahl geeignet.
Eine andere Technik wird für das Verschweißen von zwei Stäben verwendet, von denen der eine aus Stahl und der andere aus Aluminium besteht, und die darin besteht, daß die zu verschweißenden Enden der beiden Stäbe erwärmt und diese beiden Enden aneinander angesetzt und dann durch diese Stäbe ein Wechselstrom hoher Intensität geleitet wird.
Der Zusammenbau erfolgt mit Hilfe eines Projektils, welches den einen Stab gegen den anderen Stab schleudert.
Die für die Erwärmung notwendige Zeit ist jedoch relativ Lang und kann die Eigenschaften des Stahls und des Aluminiums wesentlich verändern.
Außerdem ist dieses Verfahren ein Punktschweißverfahren, also ein diskontinuierliches Verfahren.
Außerdem ist noch eine andere Technik bekannt, das heißt, das Punktschweißverfahren, dessen hauptsächlicher Nachteil darin liegt, daß es nicht kontinuierlich ist.
Weiterhin ist die Technik des Explosionschweißens bekannt, die darin besteht, daß die beiden Blechplatten übereinandergelegt werden und zwischen diesen Blechplatten ein kontrollierter Abstand eingehalten wird und dann auf die obere Blechplatte eine explosive Schicht aufgetragen wird.
Die Detonation wird an einer der Ecken oder einer der Kanten eingeleitet und verläuft dann so, daß allmählich die Projektion der oberen Blechplatte auf die untere Blechplatte eingeleitet wird.
Diese Technik erfordert große menschenleere Räume, oder gepanzerte Räume, wodurch die Größe Blechplatten, die verschweißt werden können, begrenzt wird.
Weiterhin ist die Technik des Reibschweißens bekannt, welche darin besteht, als erstes durch Reibung der beiden zu fügenden Teile Wärme zu erzeugen und dann diese Teile zu schmieden.
Bei dieser Technik ist es jedoch notwendig, die Wirkung der Verformung, welche die Ausbildung von intermetallischen Verbindungen an der Schnittstelle hervorrufen können, durch Wärmebehandlungen abzuschwächen.
Außerdem kann im Hinblick auf die großen Drücke, die beim Schmieden erzeugt werden müssen, die zu verschweißende Fläche kaum mehr als einige Quadratzentimeter betragen.
Schließlich ist die Technik des Diffusionsschweißens bekannt, welche den Nachteil hat, daß sie eine große Schweißzeit erfordert, die ein großes Hindernis für eine industrielle Anwendung darstellt.
Diese verschiedenen Techniken sind nicht für das Stumpfschweißen von zwei metallischen Blechplatten geeignet, von denen die eine aus Stahl besteht, welcher eine Schmelztemperatur besitzt, die um 400ºC niedriger ist, als die Schmelztemperatur der anderen Blechplatte, und erlauben es daher nicht, stumpf geschweißte Blechplatten in großen Stückzahlen herzustellen.
Tatsächlich beinhaltet das Stumpfschweißen von zwei metallischen Blechplatten, von denen die eine aus Stahl und die andere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, gewisse Probleme, die einerseits in der Tatsache zu sehen sind, daß die Schmelztemperatur des Stahls je nach Güte zwischen 1.450 und 1.700ºC liegt, während die Schmelztemperatur des Aluminiums zwischen 550 und 700ºC liegt, und andererseits darin liegen, daß sich an der Schnittstelle der beiden Blechplatten intermetallische Verbindungen ausbilden.
Das Dokument JP-A-59-30489 beschreibt das Stumpfschweißen von zwei Teilen, insbesondere eines Teils aus einer Eisenlegierung mit einem Teil aus Aluminium. Nach diesem Dokument wird der Schweißstrahl auf das Aluminiumteil gerichtet, das schmilzt, während der andere Werkstoff, der nicht schmilzt in das Aluminium diffundiert wird.
Das Dokument JP-A-58-70985 beschreibt das Verschweißen von zwei unterschiedlichen Metallen, und insbesondere das Verschweißen eines Teils aus einer gesinterten Hartlegierung mit einem Stahlteil. Der Schweißstrahl wird auf das Teil aus der gesinterten Hartlegierung gerichtet, welches eine höhere Schmelztemperatur besitzt und eine bessere Wärmeleitung hat.
Schließlich beschreibt das Dokument DE-A-14 40 291 die Stumpfschweißung von zwei metallischen Blechplatten, von denen das eine aus Stahl und das andere aus Aluminium besteht, welche mittels Lichtbogenschweißung durchgeführt wird, wobei der Lichtbogen auf dem Aluminiumteil gehalten wird.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Stumpfschweißverfahren vorzuschlagen, welches es ermöglicht, zwei Blechplatten miteinander zu verbinden, von denen die eine aus Stahl besteht und die andere aus einem metallischen Werkstoff hergestellt ist, dessen Schmelztemperatur um mehr als 400ºC niedriger ist, als die Schmelztemperatur des Stahls, wie zum Beispiel Stahl mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, um so Zusammenbauten herzustellen, die industrielle Einsätze ermöglichen, welche gute Eigenschaften für das Tiefziehen der Blechplatten gewährleisten und geringe Herstellkosten verursachen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich daher auf ein Verfahren für das Stumpfschweißen von zwei metallischen Blechplatten, von denen die erste aus Stahl besteht, während die zweite Blechplatte aus einem metallischen Werkstoff hergestellt ist, dessen Schmelztemperatur um mehr als 400ºC niedriger ist, als die Schmelztemperatur des Stahls und das folgende Schritte umfaßt:
- die beiden Blechplatten werden an ihren beiden zu verbindenden Seitenrändern aneinander angesetzt,
- die beiden Blechplatten werden mittels Spannvorrichtungen zusammengehalten,
- auf eine der Hauptflächen der ersten Blechplatte wird ein Schweißstrahl hoher Intensität gerichtet, welcher die erste metallische Blechplatte durchquert und dessen Brennpunkt in einem vorbestimmten Abstand von der Verbindungsnaht so angeordnet ist, daß an dieser Verbindungsnaht eine Temperatur erzeugt wird, die gleich der Schmelztemperatur des Metalls der zweiten Blechplatte ±10% ist,
- der Schweißstrahl hoher Intensität wird parallel zu der Verbindungsnaht bewegt, um dadurch eine Schweißnaht an den Seitenrändern dieser beiden Blechplatten herzustellen.
Nach weiteren Merkmalen der vorliegenden Erfindung:
- entspricht der Abstand zwischen der vertikalen Achse, welche den Brennpunkt des Schweißstrahls hoher Intensität und die Verbindungsnaht durchquert, in etwa 5 bis 50% der Wandstärke der Blechplatte mit der geringeren Wandstärke, und beläuft sich vorzugsweise auf 20 bis 40%, was bei metallischen Blechplatten mit einer Wandstärke von 1 mm einem Abstand von 0,2 bis 0,4 mm entspricht,
- wird der optimale Abstand zwischen der vertikalen Achse, welche den Brennpunkt des Schweißstrahls hoher Intensität und die Verbindungsnaht durchquert, durch folgende Formel bestimmt
darin ist:
P die lineare Energie, die notwendig ist, um das Volumen zu schmelzen, welches von dem Schmelzbereich während der Schweißung eingenommen wird,
e der natürliche Logarithmus von 10,
Tf die Schmelztemperatur des Metalls der zweiten Blechplatte,
To die Umgebungstemperatur,
ep die Wandstärke der ersten Blechplatte aus Stahl,
ρ die Rohdichte des Stahls,
c die spezifische Wärme des Stahls,
- wird der Kontakt zwischen den beiden metallischen Blechplatten in der Nähe der Verbindungsnaht der beiden Blechplatten hergestellt,
- wird während dem Zusammenhalten der beiden Blechplatten ein gegen die Verbindungsnaht gerichteter seitlicher Druck beaufschlagt, um an dieser Verbindungsnaht die Fertigungstoleranzen auszugleichen,
- wird während der Herstellung der Schweißnaht auf die Verbindungsnaht ein auf diese Verbindungsnaht gerichteter Schmiededruck beaufschlagt, um Oxide, Verunreinigungen und intermetallische Verbindungen auszutreiben, welche sich an dieser Verbindungsnaht bilden können,
- wird die Achse des Schweißstrahls hoher Intensität in einem Winkel von 1 bis 5º geneigt,
- besteht das Metall der zweiten Blechplatte aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung,
- wird an der Verbindungsnaht und auf beiden Seiten der Blechplatten ein Schutzgas aufgesprüht, um das Wachstum von intermetallischen Verbindungen während der Herstellung der Schweißnaht zu limitieren,
- werden auf die Verbindungsnaht von außen Elemente aufgetragen, welche das Wachstum dieser intermetallischen Verbindungen während der Herstellung der Schweißnaht hemmen,
- wird auf die Verbindungsnaht und auf beide Seiten der Blechplatten ein Schutzgas aufgesprüht und gleichzeitig werden von außen hemmende Elemente aufgebracht, um das Wachstum von intermetallischen Verbindungen während der Herstellung der Schweißnaht zu limitieren,
- ist das verwendete Schutzgas entweder Stickstoff oder Kohlendioxid,
- bestehen die hemmenden Elemente aus Zink, Silizium, Strontium oder Silber.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Automobilteil, insbesondere ein Teil einer Karosserie oder einer Fahrzeugstruktur, wobei dieses Teil aus einer metallischen Blechplatte hergestellt wird, die aus mindestens zwei Basisblechen besteht und wobei das erste Basisblech aus Stahl ist während das zweite Basisblech aus einem Metall besteht, dessen Schmelztemperatur um mehr als 400ºC niedriger ist, als die Schmelztemperatur des Stahls des ersten Basisbleches, und diese beiden Basisbleche mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Verfahrens stumpf miteinander verschweißt werden.
Nach weiteren Merkmalen:
- besteht das Metall des zweiten Basisbleches aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung,
- wird das Teil tiefgezogen.
Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, welche nur als Beispiel dienen soll und in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen durchgeführt wird, in denen folgendes dargestellt ist:
Die Fig. 1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht der Verschweißung von zwei metallischen Blechplatten mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Die Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt der beiden metallischen Blechplatten während der Verschweißung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Wie in diesen Figuren gezeigt, ist das erfindungsgemäße Verfahren ein Verfahren für das Verschweißen von zwei metallischen Blechplatten 1 und 2, die an ihren zu verschweißenden Seitenrändern Kante an Kante aneinander angesetzt worden sind, um eine Verbindungsnaht 3 zu bilden.
Die beiden metallischen Blechplatten 1 und 2 können entweder die gleiche oder eine unterschiedliche Wandstärke haben.
Ganz allgemein bezieht sich das erfindungsgemäße Verfahren auf die Verschweißung von zwei metallischen Blechplatten, von denen die erste, zum Beispiel die metallische Blechplatte 1 aus Stahl besteht, während die zweite metallische Blechplatte 2 aus einem metallischen Werkstoff hergestellt ist, dessen Schmelztemperatur θ2 um mehr als 400ºC niedriger ist, als die Schmelztemperatur θ1 des Stahls.
In der Folge besteht nur als mögliches Beispiel das Metall der metallischen Blechplatte 2 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einer Schmelztemperatur θ2 zwischen 550 und 700ºC, während die Schmelztemperatur θ1 des Stahls je nach Güte des Stahls zwischen 1.450 und 1.700ºC liegt.
Der Stahl der metallischen Blechplatte 1 kann zum Beispiel ein Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, ein weicher Stahl, ein rastfreier Stahl oder auch ein Stahl mit hoher Streckgrenze sein.
Nachdem die beiden Blechplatten 1 und 2 an ihren zu verschweißenden Seitenrändern aneinander angesetzt worden sind, werden diese beiden Blechplatten 1 und 2 mittels Spannvorrichtungen zusammengehalten, die zum Beispiel aus Spannstangen 4 bestehen, welche auf die Hauptflächen der Blechplatten 1 und 2 aufgesetzt werden.
Die Blechplatten 1 und 2 werden an der Verbindungsnaht 3 in einem Abstand gehalten, welcher zwischen 5 und 10 mm von dieser Verbindungsnaht 3 liegt.
Anschließend wird ein Schweißstrahl 5 hoher Intensität auf die Hauptfläche 1a der Blechplatte 1 gerichtet.
Wie in der Fig. 2 dargestellt, durchquert der Schweißstrahl 5 hoher Intensität die metallische Blechplatte 1 und sein Brennpunkt P liegt weitgehend in einem Drittel der Wandstärke der Blechplatte 1 unterhalb der Hauptfläche 1a dieser metallischen Blechplatte 1, auf welche der Schweißstrahl 5 hoher Intensität in einem bestimmten Abstand d von der Verbindungsnaht 3 so gerichtet wird, daß er an dieser Verbindungsnaht 3 eine Temperatur erzeugt, die gleich der Schmelztemperatur θ2 des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung der zweiten Blechplatte 2±10% ist.
Der Schweißstrahl 5 hoher Intensität wird parallel zu der Verbindungsnaht 3 bewegt, um dadurch eine Schweißnaht an den angesetzten Seitenrändern der beiden Blechplatten 1 und 2 herzustellen.
Während der Halterung der beiden Blechplatten 1 und 2 wird ein auf die Verbindungsnaht 3 gerichteter seitlicher Druck P auf diese Blechplatten 1 und 2 ausgeübt, um an der Verbindungsnaht 3 eventuelle Fertigungstoleranzen auszugleichen.
Wenn die beiden Blechplatten 1 und 2 die gleiche Wandstärke haben, liegt der Abstand d zwischen der vertikalen Achse XX, welche den Brennpunkt P des Schweißstrahls 5 hoher Intensität und die Verbindungsnaht 3 durchquert, zwischen 5 und 50% der Wandstärke der Blechplatten, und beläuft sich vorzugsweise auf einen Wert zwischen 20 und 40%.
Wenn die beiden Blechplatten 1 und 2 nicht die gleiche Wandstärke haben, beträgt der Abstand zwischen der vertikalen Achse, welche den Brennpunkt des Schweißstrahls 5 hoher Intensität und die Verbindungsnaht 3 durchquert, zwischen 5 und 50% der Wandstärke der Blechplatte mit der geringsten Wandstärke, und liegt bevorzugt zwischen 20 und 40%.
Bei metallischen Blechplatten mit einer Wandstärke von 1 mm oder bei metallischen Blechplatten, von denen die eine eine geringere Wandstärke hat, als die andere metallische Blechplatte mit einer Wandstärke von 1 mm, so beträgt der Abstand zwischen der vertikalen Achse, welche den Brennpunkt P des Schweißstrahls 5 hoher Intensität und die Verbindungsnaht 3 durchquert, zwischen 0,2 und 0,4 mm.
Der optimale Abstand zwischen der vertikalen Achse XX, welche den Brennpunkt P des Schweißstrahls 5 hoher Intensität und die Verbindungsnaht 3 durchquert, wird durch folgende Formel bestimmt:
darin ist:
P die lineare Energie, welche notwendig ist, um das Volumen zu schmelzen, welches von der geschmolzenen Zone während der Schweißung eingenommen wird,
e der natürliche Logarithmus log&sub1;&sub0;,
Tf die Schmelztemperatur des Metalls der zweiten Blechplatte,
To die Umgebungstemperatur,
eP die Wandstärke der ersten Blechplatte aus Stahl,
ρ die Rohdichte des Stahls,
c die spezifische Wärme des Stahls,
Für die Berechnung der Energie P kann man folgende Formel einsetzen:
P = Z · ρ · ep · (C · ΔT + ΔH)
darin ist: Z die Breite des geschmolzenen Bereiches,
ρ die Rohdichte des Stahls,
eP die Wandstärke der ersten metallischen Blechplatte,
ΔT = Tf - To
ΔH die freie Enthalpie für den Phasenübergang zwischen dem flüssigen und festen Zustand des Stahls, aus dem die metallische Blechplatte aus Stahl hergestellt ist,
Zum Beispiel:
P = 3,3 KJ/m
e = 1n10
Tf = 670ºC
To = 20ºC
eP = 1·10&supmin;³ m
ρ = 7,8·10³ kg/m³
C = 420 J/kgº C
Bei Anwendung der vorgenannten Formel ergibt sich daraus ein optimaler Abstand von 0,4 mm.
Wie man in der Fig. 2 erkennen kann, durchquert der Schweißstrahl 5 hoher Intensität die Wandstärke der metallischen Blechplatte 1, so daß es möglich ist, die Temperatur in der Wandstärke der metallischen Blechplatte 1 zu homogenisieren, ohne daß über deren Breite eine große Zone thermisch beeinflußt wird.
Der Schweißstrahl 5 hoher Intensität erzeugt in der metallischen Blechplatte 1 eine erste nicht dargestellte Zone, welche als "dampfkapillar" bezeichnet wird, und bildet um diese erste Zone eine zweite Zone 10, die als flüssige Zone bezeichnet wird, welche die Form eines Konus mit sehr geringer Konizität hat.
Entsprechend dem Gesetz der Wärmeausbreitung in Stählen und entsprechend dem Abstand d, welcher zwischen dem Brennpunkt P und der Verbindungsnaht 3 festgelegt wird, erzeugt die Isotherme 11, welche die flüssige Zone 10 umgibt und weitgehend auf der Ebene der Verbindungsnaht 3 liegt, an dieser Verbindungsnaht 3 eine Temperatur t, welche im wesentlichen der Schmelztemperatur θ2 des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung der zweiten metallischen Blechplatte ± 10% entspricht.
In diesem Beispiel liegt die Temperatur t in der Größenordnung von 650ºC, wodurch eine gewisse Wandstärke des Materials erweicht wird, aus dem die zweite metallische Blechplatte 2 besteht, und atomare Verbindungen zwischen den beiden Werkstoffen der beiden Blechplatten 1 und 2 hergestellt werden.
Wenn die Temperatur t an der Verbindungsnaht 3 um 10% unter der Schmelztemperatur θ2 des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung liegt, so entsteht eine langsame Diffusion der Atome zwischen den beiden Werkstoffen und damit eine geringe Schweißgeschwindigkeit, oder es wird sogar unmöglich, die Schweißnaht zwischen den beiden metallischen Blechplatten 1 und 2 herzustellen.
Wenn die Temperatur t an der Verbindungsnaht 3 um 10% über der Schmelztemperatur θ2 des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung liegt, so entstehen an der Verbindungsnaht 3 intermetallische Verbindungen und es bilden sich Wülste oder Löcher.
Außerdem wird während der Herstellung der Schweißnaht ein auf die Verbindungsnaht 3 gerichteter Schmiededruck auf diese Verbindungsnaht 3 ausgeübt.
Mit Hilfe dieses Schmiededrucks, der konstant oder variabel sein kann, werden die beiden Blechplatten 1 und 2 an ihren Seitenrändern zusammengehalten, um auf diese Weise jede Art einer Veränderung der Oberfläche durch die gegebenen Arbeitsbedingungen zu vermeiden, wie zum Beispiel durch Oxidation, und um die Herstellung von atomaren Verbindungen zwischen den beiden Werkstoffen zu ermöglichen, und um Oxide, Verunreinigungen und intermetallische Verbindungen auszutreiben, welche an der Verbindungsnaht 3 vorhanden sein oder sich dort bilden können.
Der zu Anfang ausgeübte seitliche Druck, um die Blechplatten 1 und 2 zusammenzuhalten, kann gleich dem Druck sein, welcher das Austreiben von Oxiden und Verunreinigungen ermöglicht, oder er kann allmählich während der Schweißung erhöht werden, um den Wert des Schmiededruckes zu erreichen, welcher ein solches Austreiben ermöglicht.
Vorzugsweise bildet die Achse Y-Y des Schweißstrahls 5 hoher Intensität zusammen mit der Achse X-X, welche den Brennpunkt P dieses Schweißstrahls durchquert, einen Winkel a zwischen 1 und 5º, so daß die Isothermen 11, welche von dem Schweißstrahl 5 hoher Intensität erzeugt werden, parallel zu der Verbindungsnaht 3 verlaufen, um eine thermische Front zu erreichen, die sich parallel zu dieser Verbindungsnaht 3 entwickelt, wie dies in der Fig. 2 dargestellt ist.
Im Laufe der Herstellung der Schweißnaht besteht die Möglichkeit, daß sich intermetallische Verbindungen ausbilden und diese Schweißnaht verspröden lassen.
Bei der Verschweißung von Stahl mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen diese intermetallischen Verbindungen aus Eisen und Aluminium, oder aus einem Komplex auf der Grundlage von Eisen und Aluminium.
Die Energiedichte des Schweißstrahls 5 hoher Intensität, der Abstand d zwischen dem Brennpunkt P des Schweißstrahls 5 hoher Intensität und der Verbindungsnaht 3, der seitliche Druck und die Geschwindigkeit der Schweißung werden so eingestellt, daß die eventuelle Ausbildung einer Schicht aus versprödenden intermetallischen Verbindungen auf ein Mindestmaß begrenzt wird.
Um jedoch das Wachstum dieser intermetallischen Verbindungen zu begrenzen und dadurch die Verformbarkeit durch Tiefziehen der Schweißverbindungen zu verbessern, sind mehrere Lösungen möglich.
Die erste Lösung besteht darin, an der Verbindungsnaht 3 und auf beiden Seiten der Blechplatten 1 und 2 ein Schutzgas zu versprühen, das zum Beispiel aus Stickstoff, Kohlendioxid oder einem Titan enthaltenden Gas besteht Die zweite Lösung besteht darin, daß an der Verbindungsnaht 3 von der Außenseite Elemente aufgetragen werden, die solche intermetallischen Verbindungen hemmen.
Diese hemmenden Elemente bestehen zum Beispiel aus Zink, Silizium, Strontium oder Silber und die äußere Zuführung dieser hemmenden Elemente erfolgt entweder mit Hilfe eines Schweißdrahtes, oder mittels Pulvern, oder aber mit Hilfe eines Inserts, welches in die Verbindungsnaht zwischen den zu verschweißenden Seitenrändern der beiden Blechplatten 1 und 2 eingeschoben wird.
Eine weitere Lösung besteht darin, daß an der Verbindungsnaht 3 und auf beiden Seiten der Blechplatten 1 und 2 ein Schutzgas aufgesprüht wird und gleichzeitig von außen an der Verbindungsnaht 3 Elemente zugeführt werden, welche diese intermetallischen Verbindungen hemmen.
Das erfindungsgemäße Schweißverfahren bietet also den Vorteil, daß in hohen Stückzahlen eine kontinuierliche metallische Verbindung zwischen zwei metallischen Blechplatten unterschiedlicher Art hergestellt werden kann, von denen das eine aus Stahl besteht und eine Schmelztemperatur hat, die um mehr als 400ºC höher ist, als die Schmelztemperatur des Werkstoffes, aus dem die zweite metallische Blechplatte besteht, wie zum Beispiel die Verschweißung von Stahl mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, wodurch es möglich ist, die jeweiligen Eigenschaften der Werkstoffe, aus denen das jeweilige Teil besteht, bestmöglich zu nutzen.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens ist es möglich, Automobilteile herzustellen, wie zum Beispiel Teile einer Karosserie oder einer Fahrzeugstruktur, welche aus mindestens zwei unterschiedlichen metallischen Blechplatten entweder tiefgezogen oder gebogen werden, wie zum Beispiel einer Blechplatte aus Stahl und einer Blechplatte aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.

Claims

1. Schweißverfahren für die stumpfe Verschweißung von zwei metallischen Blechplatten (1, 2), von denen die erste (1) aus Stahl besteht, während die zweite metallische Blechplatte (2) aus einem metallischen Werkstoff hergestellt ist, dessen Schmelztemperatur θ2 um mehr als 400ºC niedriger ist, als die Schmelztemperatur θ1 des Stahls, und das folgende Schritte umfaßt:

die beiden Blechplatten (1, 2) werden an ihren beiden zu verbindenden Seitenrändern aneinander angesetzt,

- die beiden Blechplatten (1, 2) werden mittels Spannvorrichtungen (4) zusammengehalten,

- auf eine der Hauptflächen (1a) der ersten Blechplatte (1) wird ein Schweißstrahl (5) hoher Intensität gerichtet, welcher die erste metallische Blechplatte (1) durchquert und dessen Brennpunkt P in einem vorbestimmten Abstand von der Verbindungsnaht (3) so angeordnet ist, daß an dieser Verbindungsnaht (3) eine Temperatur t erzeugt wird, die gleich der Schmelztemperatur θ2 des Metalls der zweiten Blechplatte (2) ±10% ist,

- der Schweißstrahl (5) hoher Intensität wird parallel zu der Verbindungsnaht (3) bewegt, um dadurch eine Schweißnaht an den angesetzten Seitenrändern dieser beiden Blechplatten (1, 2) herzustellen.

2. Schweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand d zwischen der vertikalen Achse, welche den Brennpunkt P des Schweißstrahls (5) hoher Intensität und die Verbindungsnaht (3) durchquert, zwischen 5 und 50% der Wandstärke der Blechplatte (1, 2), beträgt, welche die geringste Wandstärke hat.

3. Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand d zwischen der vertikalen Achse, welche den Brennpunkt P des Schweißstrahls (5) hoher Intensität und die Verbindungsnaht (3) durchquert, zwischen 20 und 40% der Wandstärke der metallischen Blechplatte (1, 2) mit der geringsten Wandstärke beträgt.

4. Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand d zwischen der vertikalen Achse, welche den Brennpunkt P des Schweißstrahls (5) hoher Intensität und die Verbindungsnaht (3) durchquert, bei metallischen Blechplatten (1, 2) mit der gleichen Wandstärke von 1 mm zwischen 0,2 und 0,4 mm beträgt.

5. Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der optimale Abstand zwischen der vertikalen Achse, welche den Brennpunkt P des Schweißstrahls (5) hoher Intensität und die Verbindungsnaht (3) durchquert, durch folgende Formel bestimmt wird:

darin ist:

P die lineare Energie, welche notwendig ist, um das Volumen zu schmelzen, welches von dem Schmelzbereich während der Schweißung eingenommen wird,

e der natürliche Logarithmus log&sub1;&sub0;,

Tf die Schmelztemperatur des Metalls der zweiten Blechplatte,

To die Umgebungstemperatur,

ep die Wandstärke der ersten Blechplatte aus Stahl,

ρ die Rohdichte des Stahls,

c die spezifische Wärme des Stahls.

6. Schweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontakt zwischen den beiden metallischen Blechplatten (1, 2) in der Nähe der Verbindungsnaht (3) dieser beiden Blechplatten (1, 2) hergestellt wird.

7. Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß während dem Zusammenhalten der beiden metallischen Blechplatten (1, 2) ein gegen die Verbindungsnaht (3) gerichteter seitlicher Druck beaufschlagt wird, um an dieser Verbindungsnaht (3) die Fertigungstoleranzen auszugleichen.

8. Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß

- während der Herstellung der Schweißnaht auf die Verbindungsnaht (3) ein auf diese Verbindungsnaht (3) gerichteter Schmiededruck beaufschlagt wird, um Oxide, Verunreinigungen und intermetallische Verbindungen auszutreiben, welche sich an dieser Verbindungsnaht (3) bilden können.

9. Schweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Schweißstrahls (5) hoher Intensität in einem Winkel zwischen 1 und 5º geneigt wird.

10. Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall der zweiten Blechplatte (2) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.

11. Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung des Wachstums von intermetallischen Verbindungen während der Herstellung der Schweißnaht auf die Verbindungsnaht (3) und auf beide Seiten der Blechplatten (1, 2) ein Schutzgas aufgesprüht wird.

12. Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung des Wachstums von intermetallischen Verbindungen während der Herstellung der Schweißnaht auf die Verbindungsnaht (3) von außen Elemente aufgebracht werden, welche diese intermetallischen Verbindungen hemmen.

13. Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung des Wachstums von intermetallischen Verbindungen während der Herstellung der Schweißnaht auf die Verbindungsnaht (3) und auf beide Seiten der Blechplatten (1, 2) ein Schutzgas aufgesprüht wird und gleichzeitig von außen auf die Verbindungsnaht (3) Elemente aufgebracht werden, welche diese intermetallischen Verbindungen hemmen.

14. Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 10,11 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Schutzgas entweder Stickstoff oder Kohlendioxid ist.

15. Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 10, 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die hemmenden Elemente aus Zink, Silizium, Strontium oder Silber bestehen.

16. Automobilteil, insbesondere ein Teil einer Karosserie oder einer Fahrzeugstruktur, wobei dieses Teil aus einer metallischen Blechplatte hergestellt wird, die aus mindestens zwei Basisblechen (1, 2) besteht, wobei das erste Basisblech (1) aus Stahl hergestellt ist, während das zweite Basisblech (2) aus einem Metall besteht, dessen Schmelztemperatur θ2 um mehr als 400ºC niedriger ist, als die Schmelztemperatur θ1 des Stahls des ersten Basisbleches (1), und diese beiden Basisbleche (1, 2) mit Hilfe des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15 stumpf miteinander verschweißt werden.

17. Automobilteil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall des zweiten Basisbleches (2) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.

18. Automobilteil nach einem der Ansprüche 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Teil tiefgezogen wird.