DE2500116A1 - Verfahren zum verschweissen von teilen aus aluminiumlegierungen - Google Patents

Verfahren zum verschweissen von teilen aus aluminiumlegierungen

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DE2500116A1 DE19752500116 DE2500116A DE2500116A1 DE 2500116 A1 DE2500116 A1 DE 2500116A1 DE 19752500116 DE19752500116 DE 19752500116 DE 2500116 A DE2500116 A DE 2500116A DE 2500116 A1 DE2500116 A1 DE 2500116A1
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Greville Bertram Brook
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Description

Priorität: 4. Januar 1974, Großbritannien, Nr. 478/74
Verfahren zum Verschweißen von Teilen aus Aluminium-
legierungen
Die Erfindung·betrifft das Diffusionsschweißen von Teilen, die aus der gleichen oder verschiedenen Aluminiumlegierungen bestehen.
Das Diffusionsschweißen ist eine bekannte Verfahrensweise zum Verbinden von Metallteilen, ohne daß die großen Volumina am geschmolzenen Metall gebildet werden, die typisch für das Schmelzschweißen sind, und ohne daß Massendeformation und Rekristallisation stattfinden, die beim Druckschweißen auftreten. Drei Verfahrensweisen des Diffusionsschweißens sind allgemein bekannt: ·
1.) Das sogenannte "Hochdruckschweißen im festen Zustand", bei dem während relativ kurzer Zeit erhöhte Temperatur und hoher Druck einwirken,
2.) das sogenannte "Niederdruckschweißen im festen Zustand11, bei dem erhöhte Temperatur und niederer Druck während relativ langer Dauer einwirken und ν
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3.) die Verwendung einer metallischen Zwischenschicht, die zu der Bildung einer vorübergehenden flüssigen Phase zwischen den zu verbindenden Teilen führt.
Die Erfindung bezieht sich nicht auf die ersten beiden Methoden, sondern auf eine Verbesserung und Yfeiterentwicklung der dritten Methode. ,
Die Erfindung beruht auf der Feststellung, daß ein ausgezeichnetes Verschweißen von Teilen aus Aluminiumlegierungen durchgeführt werden kann, wenn eine Kombination von Zink- und Kupferschichten und gewünschtenfalls einer Zinnschicht oder wenn Magnesium- und/oder Zink-Schichten als Zwischenschicht zwischen den Teilen vorgesehen werden, die in einem Diffusionsschweißverfahren miteinander verschweißt werden sollen.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zum Verschweissen von Teilen aus Aluminiumlegierung, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Zwischenschicht vorgesehen wird, die aus einer Kombination von Zink- und Kupferschichten und gewünschtenfallc einer Zinnschicht oder aus Magnesium- und/oder Zink-Schichten zwischen den zu verbindenden Teilen gebildet ist, und die Anordnung aus den zu verschweißenden Teilen und der Zwischenschicht unter ausreichendem Druck gehalten wird, um die gesamte Anordnung in dem gewünschten Schweißbereich in Kontakt zu halten, und bei ausreichend hoher Temperatur gehalten wird, um das Schmelzen des Zwischenschichtmaterials zu verursachen, wobei der Druck und die Temperatur so lange aufrechterhalten werden, bis mindestens ein Teil des Zwischenschichtmaterials in die aus Aluminiumlegierung bestehenden Teile diffundiert ist.
Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Zwischenschichtmaterialien haben einen Schmelzpunkt, der unterhalb der Maximaltemperatur liegt, die für das Verfahren zulässig ist, d.h. unterhalb der Temperatur, oberhalb der unerwünschte Veränderungen in der Struktur der zu verschweißenden Teile auf-
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treten, oder die Zwischenschichtmaterialien sind so ausgebildet, daß sie mit der Aluminiumlegierung leicht ein eutektisches Gemisch bilden, welches unterhalb dieser Maximaltemperatur schmilzt.
Es wird angenommen, daß die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für die Zwischenschicht verwendeten Materialien ermöglichen, eine außerordentlich gute Verschweißung zu erzielen, weil sie eine Kombination der folgenden Eigenschaften zeigen: 1.) Das flüssige Zwischenschichtmaterial (oder das flüssige eutektische Material, welches dieses mit dem zu verschweißenden Metall bildet) benetzt die zu verschweißenden Oberflächen . und hat auch die Eigenschaft, auf den zu verbindenden Teilen vorliegende oberflächliche Oxidfilme aufzulösen oder zu reduzieren, und -
2.) lokale Legierungsbildung des Zwischenschichtmaterials mit den zu verschweißenden Teilen an der Zwischenfläche verursacht keine bedeutende Änderung in der Struktur der geschweißten Legierung und es bilden sich keine unlöslichen intermetallischen Verbindungen zwischen den Bestandteilen der Anordnung.
Die Menge des verwendeten Zwischenschichtmaterials sollte prinzipiell so gering wie möglich sein. Es können dünne Folien des Zwischenschichtmaterials eingesetzt werden, die beispielsweise eine Dicke von 0,0127 mm (0,0005 inch) haben, oder ein dünner Film des Zwischenschichtmaterials kann auf einer oder beiden der zu verschweißenden Oberflächen mit Hilfe irgendeiner geeigneten Methode zur Ausbildung von dünnen Metallüberzügen erzeugt werden, wie durch Elektrometallisieren, Dampfmetallisieren oder Metallverdampfung.
Die Anordnung aus den zu verschweißenden Teilen und der Zwischenschicht sollte unter einem solchen Druck gehalten werden, daß die gesamte Anordnung während des Diffusionsvorgangs in Kontakt gehalten wird. Drucke, die zur Deformation der zu verschweißenden Teile führen, sind nicht erforderlich und sollten nicht an-
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gewendet werden. Vorzugsweise wird ein Druck von 0,007 bis
9 P
0»7 kg/mm (10 bis 1000 lbf/in ) angewendet werden, insbesondere liegt der angewendete Druck am unteren Ende dieses Bereiches .
Die für das Verfahren erforderliche Temperatur hängt natürlich von der Art des verwendeten Zwischenschichtmaterials ab. Wenn eine Kombination aus Zink, Kupfer und gegebenenfalls Zinn verwendet wird, liegt die Temperatur vorzugsweise bei 250 bis 400°C; wie nachstehend erläutert wird, ist die Art des bei niederen Temperaturen innerhalb dieses Bereiches erhaltenen Produkts verschieden von dem Produkt, das bei höheren Temperaturen erzielt wird. Wenn Magnesium verwendet wird, beträgt die Temperatur*vorzugsweise 350 bis 5000C und insbesondere 425 bis 4750C. Wenn Zink oder eine Kombination aus Magnesium- und Zink-Schichten verwendet wird, beträgt die Temperatur vorzugsweise 400 bis 450°C.
Die zum vollständigen Verschweißen erforderliche Zeit hängt von der Menge und der Art des verwendeten Zwischenschichtmaterials und auch von der Temperatur ab, wobei eine längere Dauer bei niedrigerer Temperatur erforderlich ist und umgekehrt. Geeignete Bindefestigkeit kann mit sehr dünnen Materialien durch Erhitzen während geringer Dauer, wie einer Minute bis zu wenigen Minuten und mit dicken Materialien durch Erhitzen während einer Dauer von 1 bis 3 Stunden erzielt werden.
Venn eine Kombination aus Zink, Kupfer und gegebenenfalls Zinn oder von Magnesium und Zink als Zwischenschichtmaterial verwendet wird, so werden diese Elemente nicht unter Bildung einer einzigen Folie oder eines Überzugs homogener Zusammensetzung vermischt, sondern werden in gesonderten Schichten gehalten. Bei Verwendung der Kombination aus Zink, Kupfer und gegebenenfalls Zinn muß das Zink auf die zu verschweißenden Aluminiumoberflächen aufgetragen werden, denn wenn das Zink in einer
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gesonderten Folie vorliegen würde, so würde das daraus während der Heizstufe gebildete geschmolzene Zink nicht besonders wirksam zum Auflösen oder Reduzieren des stabilen Oxidfilms auf der Aluminiumoberfläche sein. In dieser Kombination kann das Kupfer und falls vorhanden, das Zinn, in Form einer gesonderten Folie verwendet werden (einer gesonderte Schichten aufweisenden Verbundfolie, die durch Verbinden durch Walzen vorgeformter Folien aus Kupfer und Zinn gebildet werden, wenn Zinn in der Kombination vorliegt). , Vorzugsweise wird jedoch das Kupfer, und falls verwendet, das Zinn, nacheinander auf den auf der Aluminiumoberfläche bereits gebildeten Zinküberzug aufgetragen. Zinn wird nur verwendet, wenn zwei Verbundfolien aus Kupfer und Zinn zwischen den zu verschweißenden Teilen angeordnet werden öder wenn beide Oberflächen mit der Zink/Kupfer/Zinn-Kombination vorbeschichtet sind. In diesem Fall werden die beiden Kupfer/Zinn-Verbundfolien mit den beiden Zinnschichten in Kontakt angeordnet; wenn beide zu verschweißende Aluminiumoberflächen mit der Kombination aus Zink, Kupfer und Zinn vorbeschichtet wurden, sind natürlich die Zinnschichten in Kontakt miteinander, wenn die Teile zusammengebracht werden. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann natürlich das Zinn weggelassen werden und eine einzige Kupferfolie kann für sich verwendet werden oder ein überzug aus Zink und Kupfer kann auf einer Oberfläche ausgebildet werden und ein überzug nur aus Zink kann auf der anderen Oberfläche ausgebildet werden.
Ein besonderer Vorteil der Verwendung der Zink/Kupfer/Zinn-Kombinationen als Zwischenschichtmaterial besteht darin, daß · sie ermöglicht, das Verschweißen von Teilen aus Aluminiumlegie- ' rangen sehr rasch bei relativ niederen Temperaturen und niederem Druck vorzunehmen. Durch Aufbringen eines Zn/Cu/Sn-Überzugs auf beide Oberflächen oder eines Zinküberzugs auf beide Oberflächen * und Verwendung von zwei Cu/Sn-Folien mit den Zinnschichten in Kontakt * und Erhitzen auf eine Temperatur von 250 bis 3000C
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unter einem Druck von 0,007 bis 0,7 kg/mm (10 bis 1000 lbf/in2) kann gute Bindefestigkeit in 1 bis 5 Minuten erreicht werden. Diese Möglichkeit, gute Festigkeit der Verschweißung während einer solch kurzen Heizdauer zu erzielen, ist auf bestimmten Fachgebieten sehr wertvoll, wie auf dem Verpackungsgebiet.
Bei diesen Temperaturen und während dieser Einwirkungsdauer, d-h. während 1 bis 5 Minuten bei 250 bis 3000C, diffundiert das Zink auf einer Seite in das Aluminium und auf der anderen Seite in die Kupferschicht und gleichzeitig diffundiert das Zinn in die Kupferschichten. In dem erhaltenen Produkt sind das Zink und das Zinn vollständig absorbiert und die beiden Teile aus Aluminiumlegierung sind durch Diffusionsschweißung mit einer zwischen ihnen verbliebenen Kupferschicht verschweißt.
Wenn das Erhitzen bei höheren Temperaturen, beispielsweise bei 350 bis AOO0C,. während längerer Dauer durchgeführt wird, tritt die gleiche Diffusion der Zink- und Zinnschicht ein und danach erfolgt die Diffusion des Kupfers in die Aluminiumteile, so daß ein Endprodukt erhalten werden kann, in welchem kein Kupfer zwischen den Aluminiumteilen verbleibt. Die mikroskopische Untersuchung eines Schnitts durch die geschweißten Teile zeigt nur eine geringe Veränderung der MikroStruktur beim Durchgang durch die Zwischenfläche.
Die Magnesium- und Zink-Kombinati on wird im wesentlichen in gleicher Weise wie die vorstehend beschriebene Kombination aus Zink, Kupfer und gegebenenfalls Zinn verwendet, wobei das Magnesium in dieser Kombination das Kupfer und gegebenenfalls das Zinn der vorstehenden Kombination ersetzt. Das Zink sollte auf beide zu verschweißende Oberflächen aufgetragen werden lind eine gesonderte Folie aus Magnesium kann verwendet werden oder Magnesium kann auf eine oder beide der zinkbeschichteten Ober·* flächen aufgetragen werden, die verschweißt werden sollen.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Diffusionsschweißverfahrens können zwar zahlreiche Arten von Verbindungen hergestellt wer-
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den, ein besonders vorteilhafter Anwendungszweck ist jedoch die Bildung von T-Verbindungen. In einer Struktur, welche eine T-Verbindung aufweist, tritt eine beträchtliche Konzentration der Beanspruchung an dem rechten Winkel zwischen dem aufrecht stehenden und dem horizontalen Teil der Verbindung auf und durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, an diesen Winkeln einen kleinen Anteil der flüssigen Phase, die durch Schmelzen des Zwischenschichtmaterials gebildet wird, austreten zu lassen, so daß eine Meniskusfüllung des Winkels gebildet wird, die nach der anschließenden Absorption des Hauptteils der flüssigen Phase beibehalten wird. Die Bildung eines solchen Meniskus oder einer Füllung in den Winkeln vermindert beträchtlich die Spannungs- oder Beanspruchungskon-. zentration an diesen Punkten und verbessert auf diese Weise das Verhalten und die Eigenschaften der T-Verbindung beträchtlich. Bei den vorstehend erläuterten anderen Diffusionsschweißmethoden, d.h. beim Hochdruck-- und Niederdruck-Verschweißen in festem Zustand, besteht die Neigung, daß in den Winkeln zwischen dem senkrechten und dem horizontalen Teil Einkerbungen oder Risse gebildet werden, wenn diese Methoden zur Bildung von T-Verbindungen angewendet werden, und es ist ersichtlich, daß durch die Beanspruchungskonzentration in diesen Winkeln derartige Einkerbungen oder Risse zu einer unverhältnismäßig starken Verschlechterurig des Verhaltens der erzielten T-Verbindungen führen.
Die Erfindung wird durch das nachstehende Beispiel näher erläutert.
Beispiel
Zwei 0,254 mm (0,01 inch) dicke Aluminiumstücke wurden den nachstehenden Verfahrensschritten unterworfen:
Vorbehandlung Die Vorbehandlung wurde zuerst durchgeführt, um Verunreinigungen
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und den Oxidfilm von der Aluminiumoberfläche zu entfernen. Zu diesem Zweck wurden die Aluminiumstücke zuerst in Trichloräthylen entfettet, danach eine Minute in ein wässeriges alkalisches Reinigungsmittel bei 60 bis 7O0C eingetaucht,.mit Leitungswasser gewaschen, in einer Lösung, die 150 ml Schwefelsäure und 50 g Chromtrioxid pro Liter entmineralisierten Wassers enthielt, bei 600C während 30 Minuten geätzt und schließlich gespült.
Verzinkungsbehandlung
Die Teile wurden dann eine Minute in eine Lösung eingetaucht, die 5Q0 ml Salpetersäure pro Liter Wasser enthielt, und wurden dann während 3 Minuten bei Raumtemperatur in eine Lösung getaucht, die 100 g Zinkoxid und 540 g kaustische Soda pro Liter Wasser enthielt. Die Teile wurden in Wasser gespült und danach erneut während der gleichen Dauer in die Verzinkungslösung eingetaucht und schließlich wieder mit Wasser gespült.
Kupferplattierung
Der in der vorhergehenden Stufe erhaltene Zinküberzug wurde dann elektrolytisch verkupfert, wobei ein wässeriges Bad verwendet wurde, das pro Liter folgende Bestandteile enthielt:
38 g Natriumcyanid
30 g Cuprocyanid
50 g Natriumkaliumtartrat, und
38 g Natriumcarbonat.
Das Bad hatte einen pH-Wert von 9,5 bis 10,5 und wurde bei einer Temperatur von 400C angewendet. Die verzinkten Aluminiumteile wurden als Kathode geschaltet und bei einer Stromdichte von 100 A/m während 10 Minuten verkupfert, wobei ein 0,0127 mm (0,0005 inch) dicker Kupferüberzug erhalten wurde. Die Teile wurden dann gut mit Wasser gewaschen.
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Zinnplattierung
Der in der vorhergehenden Verfahrensstufe erhaltene Kupferüberzug wurde elektrolytisch verzinnt, wobei als Bad eine wässerige Lösung verwendet wurde, die 70 g/l Natriumstannat und 6g/l kaustische Soda enthielt. Das Verzinnen erfolgte bei 6O°C unter
Verwendung von Zinnanoden bei einer. Stromdichte von 200 A/m, wobei das bearbeitete Teil polarisiert wurde, um die Korrosion der freiliegenden Aluminiumoberfläche durch die kaustische Soda zu verhindern. In 30 Minuten wurde ein 0,0127 mm dicker Zinnüberzug erhalten. Die Teile wurden dann gewaschen und getrocknet.
Verschweißen
Die beiden Teile wurden mit den Zinnschichten so in Kontakt gebracht, daß sie eine überlappende Verbindung bildeten, und die
Anordnung wurde eine Minute unter einem Druck von 0,021 kg/mm (30 lbf/in2) zur Aufrechterhaltung des Kontakts auf 25O°C erhitzt.
Nach dem Abkühlen wurde die Verbindung mechanisch geprüft und
es wurde festgestellt, daß der Bruch in dem Aluminiumteil selbst, nicht jedoch an der Schweißstelle eintrat.
Durch die Verschweißung wurde ein polierter und geätzter Schnitt hergestellt und mikroskopisch untersucht. Dabei wurde festgestellt, daß das Zink vollständig in das Aluminium und das Kupfer diffundiert war und daß das Zinn vollständig in das Kupfer diffundiert war. Eine Schicht von Kupfer war zwischen den beiden , Aluminiumoberflächen verblieben.
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Claims (9)

Patentansprüche
1. Verfahren zum Verschweißen von Teilen aus Aluminiumlegierung, bei dem zwischen den zu verschweißenden Teilen eine metallische Zwischenschicht angeordnet wird und die Anordnung aus den Teilen und der Zwischenschicht unter ausreichendem Druck gehalten wird, um einen Kontakt auf dem gewünschten Schweißbereich zu gewährleisten, und auf eine zum Schmelzen der Zwischenschicht ausreichende Temperatur erhitzt wird, wobei Druck und Temperatur so lange einwirken, bis mindestens ein Teil des Zwischenschichtmaterials in die Teile aus Aluminiumlegierung diffundiert ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Zwischenschicht aus einer Kombination von Zink- und Kupfer-Schichten und gegebenenfalls einer Zinnschicht oder aus Magnesium- und/oder Zink-Schichten gebildet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine aus Zink und Kupfer und gegebenenfalls Zinn gebildete Zwischenschicht verwendet wird und die Schweißtemperatur bei 250 bis 4000C gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß zur Herstellung der Zwischenschicht Jede der zu verschweißenden Oberflächen aus Aluminiumlegierung nacheinander mit Zink, Kupfer und Zinn überzogen wird.
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4. Verfahren nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet , daß man die beschichteten Teile aus Aluminiumlegierung während 1 bis 5 Minuten unter einem Druck von
0,007 bis 0,7kg/mm und einer Temperatur von 250 bis 30O0C verschweißt. .
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß man zur Ausbildung der Zwischenschicht eine.der zu verschweißenden Aluminiumlegierungsoberflächen nacheinander mit Zink und Kupfer und die andere Oberfläche mit Zink beschichtet..
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß man eine aus Magnesium bestehende Zwischenschicht verwendet und beim Verschweißen eine Temperatur von 350 bis 5000C anwendet.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß man eine Zwischenschicht verwendet, die aus Zink oder einer Kombination von Magnesium und Zink besteht, und das Schweißen bei einer Temperatur von 400 bis 4500C durchführt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet , daß man zur Herstellung der Zwischenschicht eine der zu verschweißenden Oberflächen der Aluminiumlegierung
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nacheinander mit Zink und Magnesium und die andere Oberfläche mit Zink und danach gegebenenfalls mit Magnesium überzieht.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß man zum Verschweißen von Teilen aus Aluminiumlegierung unter Bildung einer T-Verbindung während des Erhitzens einen geringen Teil der durch Schmelzen des Zwischenschichtmaterials gebildeten flüssigen Phase ausfließen läßt,-so daß in den Winkeln zwischen den beiden zu verbindenden Teilen eine Meniskusfüllung ausgebildet wird und das ausgeflossene Material nach der Heizstufe in den Winkeln verbleiben und sich verfestigen läßt.
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