DE69928471T2

DE69928471T2 - Integraler Korrosionsschutz für umgerührtes Reibschweissen

Info

Publication number: DE69928471T2
Application number: DE69928471T
Authority: DE
Inventors: Ricky Lynn St. Peters Martin; David Robert Florissant Bolser
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1998-07-17
Filing date: 1999-07-16
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2019-07-17
Also published as: EP0972605A3; US6045028A; EP0972605A2; DE69928471T3; DE69928471D1; EP0972605B1; EP0972605B2; JP2000061664A; JP3563641B2

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft das Schweißen von Metallen und spezieller das Reibschweißen von Verbindungsstellen zwischen Metallwerkstücken.
Hintergrund der Erfindung
Reibrührschweißen ist eine bekannte Technik zum Verschweißen von Werkstücken über eine Verbindungsstelle dazwischen. Der Prozess ist in dem US-Patent Nr. 5,460,317 beschrieben, dessen Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme einbezogen ist, und umfasst allgemein ein Durchführen eines rotierenden Rührstifts zwischen den Werkstücken an der Verbindungsstelle, so dass der Rührstift das Material beider Werkstücke, welches den Rührstift umgibt, durch Reibung erwärmt und erweicht, und bewirkt, dass sich das plastische Material vermischt, und ein Weiterführen des rotierenden Rührstifts entlang der Verbindungsstelle, um die Werkstücke metallurgisch aneinander zu binden.
Rührreibschweißen hat einen praktischen Prozess geschaffen, um bestimmte Materialien zu schweißen, welche bis dahin praktisch nicht geschweißt werden konnten, um strukturelle Baugruppen zu erzeugen. Zum Beispiel sind hochfeste durch Ausscheidung gehärtete Aluminiumlegierungen attraktive Kandidaten zum Aufbauen von Hochleistungsstrukturen, welche hohe Verhältnisse von Festigkeit zu Gewicht aufweisen, jedoch konnte vor der Entwicklung des Reibrührschweißverfahrens ihr voller Vorteil bei Strukturen mit linear geschweißten Verbindungsstellen nicht ausgeschöpft werden, weil kein Prozess verfügbar war, um solche Materialien effektiv entlang linearer Schweißstellen zu verschweißen. Folglich mussten mechani sche Befestigungsmittel verwendet werden, um aus hochfesten Aluminiumlegierungen gebildete Komponenten zu verbinden. Das zusätzliche Gewicht der Befestigungsmittel beeinträchtigt die gewichtsreduzierenden Vorteile dieser hochfesten Materialien.
Mit dem Aufkommen des Reibrührschweißprozesses wurde ein Verfahren zum effektiven Verbinden dieser hochfesten Aluminiumlegierungen entlang linearer Verbindungsstellen ohne mechanische Befestigungsmittel bereitgestellt, wodurch eine der Barrieren für eine weiter verbreitete Verwendung von solchen Materialien zum Aufbau von Hochleistungsstrukturen beseitigt wurde. Jedoch verbleibt nach wie vor eine weitere Barriere für ihre Verwendung. Speziell neigt die sorgfältig gestaltete korrosionsfeste Mikrostruktur von hochfesten durch Ausscheidung gehärteten Aluminiumlegierungen dazu, bei dem Prozess des Verschweißens verändert zu werden, so dass die Schweißzone gegenüber einer korrosiven Beschädigung mit einer beschleunigten Rate im Vergleich zu dem Material außerhalb der Schweißzone anfällig ist. Das Ergebnis sind geschweißte Verbindungen, welche eine geringe Korrosionsfestigkeit aufweisen. Obwohl geschweißte Strukturen typischerweise chemisch behandelt werden, um ihre Korrosionsfestigkeit zu verbessern, bevor sie in Betrieb genommen werden, wäre diese Art von Behandlung unzureichend, um die geringe Korrosionsfestigkeit der geschweißten Verbindungen zu überwinden.
Die EP-A-0797043 offenbart ein Verfahren zum Reibrührschweißen von zwei Metallwabenplatten, wobei das Verfahren umfasst Positionieren der Werkstücke in Kontakt miteinander, so dass eine Verbindungsstelle dazwischen definiert wird, entlang welcher die Werkstücke verschweißt werden sollen, Definieren der Schweißzone, welche sich über die Verbindungsstelle zwischen den Werkstücken erstreckt, welche plastisch gemacht werden soll, um eine metallurgische Bindung zwischen den Werkstücken entlang der Verbindung zu erzeugen, wobei die Schweißzone eine Außenfläche aufweist, wobei die Außenfläche der Schweißzone mit einer Metallschicht bedeckt ist, nämlich demselben Material wie das Material der Wabenplatten.
Somit war vor der vorliegenden Erfindung keine Technik verfügbar, um effektiv hochfeste Aluminiumlegierungen und Ähnliches zu schweißen, während eine hinreichende Korrosionsfestigkeit an den geschweißten Verbindungsstellen bewahrt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung überwindet die Probleme, welche mit dem Verschweißen von Materialien wie zum Beispiel hochfesten durch Ausscheidung gehärteten Aluminiumlegierungen wie oben erwähnt verbunden sind, indem ein Verfahren zum Reibrührschweißen gemäß Anspruch 1 oder 14 bereitgestellt wird, bei welchem eine integrale Zone mit korrosionsfestem Material an einer Schweißzonenoberfläche, welche andernfalls potenziell korrosiven Umfeldern ausgesetzt wäre, gleichzeitig mit der Ausbildung der Schweißstelle erzeugt wird. Der Bereich mit korrosionsfestem Material ist eng und metallurgisch mit dem Material der Werkstücke verbunden, welche verbunden werden, wobei sie die Oberfläche der Schweißzone bedeckt, so dass das Material in der Schweißzone gegen eine Aussetzung gegenüber korrosiven Wirkstoffen geschützt wird.
Spezieller umfasst ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Definieren einer Schweißzone der Werkstücke, welche zum Erzeugen einer metallurgischen Verbindung zwischen den zwei Werkstücken, welche an einer Verbindungsstelle dazwischen verbunden sind, erweicht werden soll. Eine Schicht aus korrosionsfestem Material ist an der Außenfläche der Schweißzone benachbart zu Außenflächen von einem oder beiden der Werkstücke befestigt. Das korrosionsfeste Material kann als ein Streifen aufgebracht werden, welcher die Schweißzone bedeckt und sich entlang der Verbindungsstelle erstreckt. In Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Streifen aus korrosionsfestem Material ein Metallstreifen. Der Metallstreifen kann durch Heftschweißung oder eine andere geeignete Technik angebracht werden. In dem Fall von Stoßnähten kann alternativ das korrosionsfeste Metall als eine separate Schicht aufgebracht werden, welche die Außenfläche von jedem Werkstück derart bedeckt, dass die separaten Schichten zusammen eine im Wesentlichen durchgängige Schicht aus korrosionsfestem Material bilden, wenn die Werkstück mit aneinander angrenzenden Kanten angeordnet werden. Die separaten Schichten können durch einen Plattierungsprozess oder eine andere geeignete Technik aufgebracht werden.
In dem Fall eines Schweißens über eine Überlappungsverbindungsstelle zwischen zwei überlappenden Werkstücken wird die Schicht aus korrosionsfestem Material über die Außenfläche von einem der Werkstücke, welche die Außenfläche der geschweißten Verbindung bilden wird, aufgebracht.
Wenn die Werkstücke in Kontakt miteinander positioniert sind, wird ein Reibrührschweißvorgang durchgeführt, um das Metall der Werkstücke innerhalb der Schweißzone zu erweichen sowie die Schicht oder Schichten aus korrosionsfestem Material abzuscheren, um einen plastischen Fluss davon entlang der Außenfläche der Schweißzone zu erzeugen. Das korrosionsfeste Material bindet sich eng und metallurgisch mit der Außenfläche der geschweißten Verbindungsstelle.
Der Reibrührschweißvorgang wird durchgeführt, indem beide Werkstücke auf beiden Seiten der Verbindungsstelle mit einem Rührstift eines rotierenden Reibrührschweißwerkzeugs in Eingriff gebracht werden, um ein lokales Erweichen des Metalls beider Werkstücke benachbart zu der Verbindungsstelle zu bewirken, und das rotierende Reibrührschweißwerkzeug entlang der Verbindungsstelle vorwärts bewegt wird, um die reibrührgeschweißte Verbindungsstelle zu erzeugen. Das Reibrührschweißwerkzeug beinhaltet eine Schulter, welche die Außenflächen der Werkstücke während des Schweißvorgangs berührt und eine Kraft auf die Werkstücke ausübt. Die Schulter kommt mit der Schicht oder den Schichten aus korrosionsfestem Material in Eingriff und bewirkt deren Erwärmung durch Reibung und deren Abscherung. Wenn das rotierende Reibrührschweißwerkzeug in der Ebene der Werkstücke vorwärts bewegt wird, um eine Schweißnaht auszubilden, bewirkt die Schulter einen ebenen plastischen Fluss des korrosionsfesten Materials entlang der Grenzfläche zu dem plastisch gemachten Metall der Werkstücke und bewirkt, dass das korrosionsfeste Material eng und metallurgisch an die Außenfläche der Schweißzone gebunden wird.
Somit bildet die Schicht aus korrosionsfestem Material eine integrale korrosionsfeste Zone, welche sich über die Verbindungsstelle erstreckt und das Metall in der Schweißzone, welches durch die thermische Auslenkung während des Schweißvorgangs metallurgisch verändert wurde, bedeckt. Die Schweißzone ist dadurch gegen eine Aussetzung gegenüber korrosiven Umfeldern geschützt.
In Übereinstimmung mit einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren zum Ausbilden von geschweißten Überlappungsverbin dungsstellen, wird eine Schicht aus korrosionsfestem Material zwischen überlappenden Abschnitten von zwei Werkstücken angeordnet und ein Reibrührschweißvorgang wird durchgeführt, um eine Überlappungsschweißstelle durch die überlappenden Abschnitte auszubilden. Der rotierende Rührstift bewirkt einen plastischen Fluss der Schicht aus korrosionsfestem Material, welches die Schweißzone umgibt, was bewirkt, dass sich das korrosionsfeste Material metallurgisch an das erweichte Metall der Werkstücke bindet. Das Ergebnis ist ein korrosionsfestes Material, welches die Schweißnaht an der Überlappungsverbindungsstelle umgibt und daran metallurgisch gebunden ist, wodurch die Verbindungsstelle versiegelt wird und korrosive Wirkstoffe daran gehindert werden, mit der Schweißstelle in Kontakt zu kommen und deren Korrosion zu bewirken.
Die Erfindung stellt auch eine geschweißte Verbindungsstelle zum Verbinden von zwei Metallwerkstücken gemäß den Ansprüchen 16 und 22 bereit. Die geschweißte Verbindungsstelle umfasst erste und zweite Werkstücke, welche an einer Verbindungsstelle dazwischen verbunden und durch eine sich über die Verbindungsstelle erstreckende geschweißte Zone metallurgisch aneinender gebunden sind. Die geschweißte Verbindungsstelle beinhaltet auch ein korrosionsfestes Material, welches eng und metallurgisch an das Metall in der geschweißten Zone gebunden ist, um dadurch eine Zone aus korrosionsfestem Material entlang einer Oberfläche der geschweißten Zone auszubilden.
In Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Werkstücke aus einer durch Ausscheidung gehärteten Aluminiumlegierung gebildet, und das korrosionsfeste Material ist reines Aluminium. Jedoch ist die Erfindung auf das Verschweißen einer Vielzahl von Materialien anwendbar. Zusätzlich zu hochfesten Aluminiumlegierungen kann die Erfindung für das Schweißen von Titan, Stahl, Kupfer und anderen Materialien verwendet werden. Das korrosionsfeste Material ist derart ausgewählt, dass es kompatibel mit dem Material ist, welches geschweißt wird.
Indem es eng und metallurgisch mit Abschnitten des ersten und zweiten Werkstücks innerhalb der Schweißzone verbunden ist, schützt das korrosionsfeste Material das Metall in der Schweißzone, welches während des Schweißvorgangs metallurgisch verändert wurde und ansonsten gegenüber Korrosion empfindlich ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlicher aus der folgenden Beschreibung von bestimmten bevorzugten Ausführungsbeispielen davon im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich sein, in welchen:
1 eine schematische perspektivische Ansicht ist, welche einen herkömmlichen Reibrührschweißvorgang zum Ausbilden einer Stoßnahtschweißstelle zwischen zwei Werkstücken zeigt;
2A eine entlang der Linie 2A-2A von 1 durchgeführte Querschnittsansicht ist, welche die Stoßnahtverbindungsstelle vor dem Schweißen zeigt;
2B eine entlang der Linie 2B-2B von 1 durchgeführte Querschnittsansicht ist, welche die Stoßnahtverbindungsstelle nach dem Schweißen zeigt;
3 eine schematische perspektivische Ansicht ist, welche einen erfindungsgemäßen Reibrührschweißvorgang zeigt, um eine geschweißte Stoßnaht auszubilden, welche eine integrale Zone mit korrosionsfestem Material aufweist, die die Außenfläche der geschweißten Verbindungsstelle bedeckt;
4A eine entlang der Linie 4A-4A von 3 durchgeführte Querschnittsansicht ist, welche die Stoßnahtverbindungsstelle vor dem Schweißen zeigt;
4B eine entlang der Linie 4B-4B von 3 durchgeführte Querschnittsansicht ist, welche die Stoßnahtverbindungsstelle nach dem Schweißen zeigt;
5A eine zu 4A ähnliche Ansicht ist, welche ein alternatives Verfahren zum Anbringen von korrosionsfestem Material an den Werkstücken zeigt;
5B eine zu 4B ähnliche Ansicht ist, welche die Stoßnahtverbindungsstelle zeigt, welche aus einem Reibrührschweißen der Verbindungsstelle von 5A hervorgeht;
5C ein photografisches Gefügebild einer Stoßnahtschweißstelle ist, welche in Übereinstimmung mit der Erfindung durch Reibrührschweißen der Stoßnaht von 5A erzeugt ist, welches durch Schneiden der Stoßnaht in einer Ebene senkrecht zu der Richtung, in welcher das Reibrührschweißwerkzeug vorwärts bewegt wird, wie zum Beispiel entlang der Linie 4B-4B von 3, erhalten wurde;
6A eine zu 4A und 5A ähnliche Ansicht ist, welche noch ein weiteres Verfahren zum Anbringen von korrosionsfestem Material an den Werkstücken zeigt;
6B eine zu 4B und 5B ähnliche Ansicht ist, welche die Stoßnahtverbindungsstelle zeigt, welche aus einem Reibrührschweißen der Verbindungsstelle von 6A hervorgeht;
7 eine schematische perspektivische Ansicht ist, welche einen erfindungsgemäßen Reibrührschweißvorgang zum Ausbilden einer geschweißten Verbindungsstelle über eine Überlappungsverbindungsstelle zwischen zwei überlappenden Werkstücken zeigt;
8A eine entlang der Linie 8A-8A von 7 durchgeführte Querschnittsansicht ist, welche die Überlappungsverbindungsstelle vor dem Schweißen zeigt;
8B eine entlang der Linie 8B-8B von 7 durchgeführte Querschnittsansicht ist, welche die Überlappungsverbindungsstelle nach dem Schweißen zeigt;
9A eine zu 8A ähnliche Querschnittsansicht ist, welche eine Überlappungsverbindungsstelle zeigt, bei welcher vor dem Schweißen eine Schicht aus korrosionsfestem Material zwischen den überlappenden Werkstücken eingefügt wurde; und
9B ein fotografisches Gefügebild einer Überlappungsverbindungsschweißstelle ist, welche durch Überlappungsverschweißen der Überlappungsverbindungsstelle von 9A hergestellt wurde, welche entlang einer Ebene senkrecht zu der Richtung, in welcher das Reibrührschweißwerkzeug vorwärts bewegt wird, aufgenommen ist.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsbeispiele davon beschrieben. Jedoch versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf diese speziellen Ausführungsbeispiel beschränkt ist.
1 stellt einen herkömmlichen Reibrührstoßschweißvorgang dar, wie er in dem zuvor genannten US-Patent Nr. 5,460,317 beschrieben ist, welches hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Die zwei Werkstücke 10 und 12, welche mit Stoßnaht verschweißt werden sollen, sind mit angrenzenden Kanten angeordnet, wie es am besten in 2A erkennbar ist. Ein rotierendes Reibrührschweißwerkzeug 14, welches einen Rührstift 16 aufweist, wird mit oberen Oberflächen der Werkstücke in Eingriff gebracht, so dass der Rührstift 16 das Material beider Werkstücke auf jeder Seite der Verbindungsstelle 18 dazwischen berührt. Der rotierende Rührstift 16 erwärmt durch Reibung das Material der Werkstücke benachbart zu dem Rührstift 16 und bewirkt, dass das Material erweicht, was es dem Rührstift 16 ermöglicht, in die Werkstücke 16 hineingesteckt zu werden, bis die erweichte Zone sich bis zu einem Ort in der Nähe der unteren Oberflächen der Werkstücke erstreckt. Das rotierende Werkzeug 14 wird entlang der Verbindungsstelle 18 vorwärts bewegt, und der Rührstift 16 erwärmt und erweicht das Werkstückmaterial, während sich das Werkzeug vorwärts bewegt, was die erweichten Materialien der zwei Werkstücke miteinander vermischt, so dass eine erweichte Zone 20 erzeugt wird, welche die Werkstücke nahtlos und durchgängig überbrückt. Wie in 2B dargestellt, kühlt sich das in dem Nachlauf des sich vorwärts bewegenden Rührstifts verbleibende erweichte Material ab und erhärtet wieder, wodurch eine Schweißstelle 22 zwischen den Werkstücken ausgebildet wird.
Die Außenfläche 24 der geschweißten Zone 22 wird potenziell korrosiven Umfeldern ausgesetzt belassen. Wo die Korrosionsfestigkeitseigenschaften der Werkstücke, welche verschweißt werden, durch die während des Schweißvorgangs erfahrene thermische Auslenkung verschlechtert werden, was zum Beispiel bei hochfesten durch Ausscheidung gehärteten Aluminiumlegierungen auftritt, stellt diese ausgesetzte Oberfläche der Schweißnaht einen ernsthaften Nachteil dar, weil es erlaubt wird, dass ein korrosiver Angriff auf die Schweißnaht, sogar in Fällen, in welchen die geschweißten Strukturen chemisch behandelt werden, bevor sie in Betrieb genommen werden, auftritt.
Die Erfindung stellt ein Schweißverfahren und eine geschweißte Verbindungsstelle bereit, welche diesen Nachteil überwinden. 3 zeigt einen Schweißvorgang zum Ausbilden einer reibrührgeschweißten Stoßnahtschweißstelle in Übereinstimmung mit der Erfindung. Die Werkstücke 10 und 12 werden mit aneinander angrenzenden Kanten angeordnet, und die Außenfläche der Verbindungsstelle 18 (d.h. die Oberfläche benachbart zu dem Reibrührschweißwerkzeug 14) ist von einem Streifen 26 aus korrosionsfestem Material bedeckt. Der Streifen 26 erstreckt sich über eine Querbreite (gemessen quer zu der Richtung, entlang welcher das Reibrührschweißwerkzeug 14 vorwärts bewegt wird), welche ausreichend ist, um eine Schweißzone zu bedecken, welche vorbestimmt oder basierend auf dem Durchmesser des Rührstifts 16 definiert ist. Die Schweißzone ist der Bereich der Werkstücke 10 und 12, welcher durch die von dem rotierenden Rührstift 16 bewirkte Reibungserwärmung erweicht wird, wenn der Reibrührschweißvorgang durchgeführt wird. Wie zuvor beschrieben, unterliegt die Mikrostruktur des Metalls in dieser Schweißzone einer Veränderung durch die während des Reibrührschweißens erfahrenen thermischen Auslenkung, so dass die Korrosionsfestigkeit des Metalls wesentlich verschlechtert wird.
Der Streifen 26 kann verschiedenartige korrosionsfeste Materialien umfassen, einschließlich Metalle und Nichtmetalle. Zum Beispiel kann reines Aluminium (d.h. Aluminium, welches nicht absichtlich mit einem anderen Material legiert ist) verwendet werden, da es sehr gute Korrosionsfestigkeitseigenschaften aufweist und kompatibel mit Aluminiumlegierungen ist. Alternativ kann ein Opfermetall, wie zum Beispiel Kadmium oder Magnesium verwendet werden, so dass eine Korrosion des Opfermetalls auftritt, während die darunter liegende Schweißstelle gegen Korrosion geschützt ist. Nichtmetallische korrosionsfeste Materialien können Chromoxid oder Ähnliches beinhalten. Die Erfindung ist nicht auf ein bestimmtes korrosionsfestes Material beschränkt.
Wenn das korrosionsfeste Material ein Metall ist, kann es durch Heftschweißung an den Werkstücken angebracht werden, wie es in 4A dargestellt ist. Es können jedoch andere Verfahren zum Anbringen des Streifens an den Werkstücken verwendet werden.
Wie es am besten in 4B erkennbar ist, kommt das Reibrührschweißwerkzeug 14 derart mit den Werkstücken in Eingriff, dass eine Schulter 28, von welcher sich der Rührstift 16 erstreckt, in engen Kontakt mit dem korrosionsfesten Streifen 26 kommt und mit dem Streifen in Reibungseingriff kommt, um eine Abscherwirkung und einen plastischen Fluss des korrosionsfesten Materials entlang der Außenfläche der Verbindungsstelle zu bewirken. In der Schweißzone tritt eine metallurgische Bindung des korrosionsfesten Materials und des erweichten Metalls der Werkstücke entlang der Grenze dazwi schen auf. Somit beinhaltet die resultierende geschweißte Verbindungsstelle eine Zone 30 mit korrosionsfestem Material, welche die Oberfläche der Schweißzone bedeckt, welche andernfalls potenziell korrosiven Wirkstoffen ausgesetzt wäre. Die Zone aus korrosionsfestem Material bedeckt die Schweißzone 22 und ist durchgängig an die oberen Oberflächen der Werkstücke gebunden. Die Zone 30 aus korrosionsfestem Material schützt das Metall der Schweißzone 22 vor einer Aussetzung gegenüber korrosiven Umfeldern.
Vor dem Schweißen kann die Schicht aus korrosionsfestem Material durch verschiedenartige Techniken auf die Werkstücke aufgebracht werden, von welchen eine im Zusammenhang mit 4A beschrieben wurde. 5A und 6A stellen weitere Techniken zum Anbringen der Schichten aus korrosionsfestem Material an den Werkstücken in Vorbereitung des Schweißens dar. In 5A ist jedes der Werkstücke 10 und 12 separat mit einer Schicht aus korrosionsfestem Material 32 bzw. 34 plattiert. Die Werkstücke werden dann mit aneinander angrenzenden Kanten positioniert, wie es in 5A dargestellt ist, so dass die korrosionsfesten Schichten 32 und 34 zusammen eine im Wesentlichen durchgängige Schicht bilden, welche die oberen Oberflächen der Werkstücke bedeckt, und der Schweißvorgang wird dann durchgeführt. 5B zeigt die reibrührgeschweißte Stoßnahtschweißstelle, welche ausgehend von der Struktur von 5A gebildet ist. Die Schulter des Reibrührschweißwerkzeugs schert die zwei Plattierungsschichten 32 und 34 ab und bewirkt, dass sie sich metallurgisch an das Metall in der Schweißzone 22 binden und eine durchgängige Zone 36 aus korrosionsfestem Material bilden, welche die Schweißzone bedeckt.
5C ist ein fotografisches Gefügebild einer Stoßnahtschweißstelle, welche in Übereinstimmung mit der Erfindung hergestellt ist, und bei welcher 1/4 Zoll dicke Platten aus 2024-Aluminiumlegierung durch einen Prozess wie in 3 dargestellt mit Stoßnaht reibrührgeschweißt wurden. Jede der Platten wurde ähnlich wie die in 5A dargestellten Werkstücke vor dem Schweißen auf ihrer oberen Oberfläche mit einer 0,012 Zoll dicken Lage aus korrosionsfester Al-1Zn-Aluminiumlegierung plattiert. Die Schweißzone 22 ist als der mittlere Bereich von entfärbtem Material sichtbar. Eine durchgängige Schicht 36 aus korrosionsfestem Material bedeckt die Schweißzone 22.
6A stellt noch ein weiteres Verfahren zum Vorbereiten der Werkstücke für das Schweißen dar. Schichten 38 und 30 aus korrosionsfestem Material werden lokal auf den Werkstücken 10 bzw. 12 abgeschieden, so dass die Schichten die vorbestimmte Schweißzone von jedem Werkstück bedecken. Die Werkstücke werden dann aneinander gelegt und der Schweißvorgang wird durchgeführt. 6B stellt die geschweißte Verbindungsstelle dar, welche ausgehend von der Struktur von 6A ausgebildet ist. Eine Zone 42 aus korrosionsfestem Material bedeckt die Schweißzone 22.
Zusätzlich zu Stoßnähten ist das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar, um Schweißnähte anderer Typen auszubilden. Als ein veranschaulichendes Beispiel stellt 7 schematisch einen erfindungsgemäßen Schweißvorgang zum Verschweißen zweier Werkstücke an einer Überlappungsverbindungsstelle dar. Ein oberes Werkstück 50 (wobei „oberes" das Werkstück benachbart zu dem Reibrührschweißwerkzeug 14 bezeichnet und es sich versteht, dass der Schweißvorgang nicht wie in den Zeichnungen dargestellt mit dem Werkzeug 14 in einer vertikalen Ausrich tung durchgeführt werden muss) ist in überlappender Weise mit einem unteren Werkstück 52 angeordnet, um dazwischen eine Überlappungsverbindungsstelle 54 zu definieren, wie es in 7 und 8A dargestellt ist. Ein Streifen 56 aus korrosionsfestem Material ist an der Außenfläche 58 des oberen Werkstücks 50 angebracht, so dass er eine vorbestimmte Schweißzone bedeckt, welche während des Schweißvorgangs erweicht wird. Der Reibrührschweißvorgang wird dann durchgeführt, wobei sich der rotierende Rührstift 16 vollständig durch die Dicke des oberen Werkstücks 50 und teilweise durch die Dicke des unteren Werkstücks 52 erstreckt, so dass eine geschweißte Zone 60 erzeugt wird, welche sich von der Außenfläche 58 durch das obere Werkstück 50 und zumindest teilweise durch die Dicke des unteren Werkstücks 52 hindurch erstreckt, wie es in 8B dargestellt ist. Der korrosionsfeste Streifen 56 wird von der Schulter 28 des Werkzeugs 14 abgeschert und metallurgisch an die Außenfläche der Schweißzone 60 gebunden, so dass eine korrosionsfeste Zone 62 ausgebildet wird, welche die Außenfläche der Verbindungsstelle bedeckt.
Eine Variation des oben beschriebenen Überlappungsschweißverfahrens ist in 9A und 9B dargestellt. Werkstücke 64 und 66 werden überlappt, um dazwischen eine Überlappungsverbindungsstelle zu definieren. Eine Schicht 68 aus korrosionsfestem Material wird an der Überlappungsverbindungsstelle zwischen den Werkstücken eingefügt. Ein Reibrührschweißprozess wird durchgeführt, um eine Überlappungsschweißstelle in dem Bereich der Werkstücke auszubilden, welcher die Schicht 68 mit korrosionsfestem Material aufweist. Der rotierende Rührstift erweicht das Metall der Werkstücke und bewirkt auch einen plastischen Fluss der Schicht 68 aus korrosionsfestem Material in dem Bereich der Schweißstelle. 9B zeigt ein fotografisches Gefügebild einer Überlappungsschweißstelle, welche durch dieses Verfahren erzeugt ist. Zwei Bleche aus 0,063 Zoll dicker 7075 Aluminiumlegierung wurden überlappt, eine Plattierungsschicht aus nicht legiertem Aluminium wurde vor dem Schweißen zwischen den Blechen angeordnet, und ein Reibrührschweißvorgang wurde durchgeführt. Die Schweißzone 70 ist als der mittlere verdunkelte Bereich sichtbar. Eine durchgängige Schicht 72 aus nicht legiertem Aluminium verbleibt an der Verbindungsstelle intakt, wobei sie die Verbindungsstelle versiegelt und korrosive Wirkstoffe daran hindert, an der Verbindungsstelle anzugreifen und Korrosion zu erzeugen. Dieses Schweißverfahren kann zum Beispiel darin effektiv sein, zwischen den Werkstücken eingeschlossene Feuchtigkeit daran zu hindern, die geschweißte Verbindungsstelle zu kontaktieren und Korrosion zu bewirken.
Aus der vorangegangenen Beschreibung bestimmter bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung versteht es sich, dass die Erfindung einzigartige Reibschweißverfahren und geschweißte Verbindungsstellen bereitstellt. Die erfindungsgemäßen Verfahren erzeugen geschweißte Stoßnahtverbindungsstellen, bei welchen sich korrosionsfestes Material 26 metallurgisch an Abschnitten der Werkstücke 10 und 12 in der Schweißzone 22 bindet, und erzeugt geschweißte Überlappungsverbindungsstellen, bei welchen korrosionsfestes Material 56 sich metallurgisch an einen Abschnitt eines oberen Werkstücks 50 in der Schweißzone 60 bindet und/oder bei welchen korrosionsfestes Material 68 sich metallurgisch an eine Schweißzone 70 an einer Überlappungsverbindungsstelle bindet und diese umgibt. Das korrosionsfeste Material 26, 56 oder 68 schützt das Metall in der Schweißzone, welches metallurgisch während des Schweißvorgangs verändert wurde und ansonsten empfindlich gegenüber Korrosion ist.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsbeispiele davon beschrieben wurde, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die speziellen Details dieser Ausführungsbeispiele beschränkt ist und verschiedenartige Modifikationen und Ersetzungen von Äquivalenten daran vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Reibrührschweißen zweier Aluminiumlegierungswerkstücke (10, 124; 50, 52) aneinander, wobei das Verfahren umfasst: Positionieren der Werkstücke in Kontakt miteinander, um dazwischen eine Verbindungsstelle (184; 54) zu definieren, entlang welcher die Werkstücke aneinander geschweißt werden sollen; Definieren einer sich über die Verbindungsstelle zwischen den Werkstücken erstreckenden Schweißzone, welche erweicht werden soll, um eine metallurgische Bindung zwischen den Werkstücken entlang der Verbindungsstelle zu erzeugen; Bedecken der Außenfläche der Schweißzone, welche während des Schweißens von der Reibrührschweißwerkszeugsschulter kontaktiert werden soll, mit einer Materialschicht (264; 56); und Reibrührschweißen der Werkstücke aneinander entlang der Verbindungsstelle, um das Metall in der Schweißzone zu erweichen, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht aus einem nicht legierten Aluminiummaterial gebildet ist und das Reibrührschweißen einen plastischen Fluss des korrosionsfesten Materials entlang der Außenfläche der Schweißzone und eine metallurgische Bindung des korrosionsfesten Materials an einen Abschnitt des erweichten Metalls bewirkt, so dass ein korrosionsfestes Material erzeugt wird, welches die Außenfläche der Verbindungsstelle bedeckt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Positionierens der Werkstücke ein Positionieren der Werkstücke in aneinander angrenzender Weise umfasst, um dazwischen eine Stoßnaht zu definieren, wobei die Schweißzone angrenzende Abschnitte von beiden Werkstücken derart umfasst, dass die Außenfläche der Schweißzone Außenflächen beider Werkstücke auf gegenüberliegenden Seiten der Verbindungsstelle umfasst, und wobei der Schritt des Bedeckens der Außenfläche der Schweißzone ein Bedecken von Außenflächen beider Werkstücke, so dass die Schweißzone bedeckt wird, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bedeckens der Außenfläche der Schweißzone ein Aufbringen einer einzigen durchgängigen Materialschicht aus korrosionsfestem Material über die Außenflächen der Werkstücke, welche sich über die Verbindungsstelle erstreckt, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Bedeckens der Außenfläche der Schweißzone ein Heftschweißen eines Streifens aus korrosionsfestem Metall an die Werkstücke, um die Schweißzone zu bedecken, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Bedeckens der Außenfläche der Schweißzone ein Aufbringen einer separaten Schicht aus korrosionsfestem Material über die Außenfläche von jedem Werkstück, welche dessen Schweißzone bedeckt, so dass die separaten Schichten aus korrosionsfestem Material zusammenwirken, um eine im Wesentlichen durchgängige Schicht zu definieren, welche die Schweißzone bedeckt, wenn die Werkstücke in aneinander grenzender Weise angeordnet sind, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Aufbringens einer separaten Schicht aus korrosionsfestem Material auf jedes Werkstück ein Plattieren der Außenfläche von jedem Werkstück mit einer Schicht aus korrosionsfestem Material umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Reibrührschweißens ein Bringen beider Werkstücke in Eingriff mit einem Rührstift eines rotierenden Reibrührschweißwerkzeugs auf jeder Seite der Verbindungsstelle, um eine lokale Erweichung des Metalls beider Werkstücke benachbart zu der Verbindungsstelle zu bewirken, und ein Vorwärtsbewegen des rotierenden Reibrührschweißwerkzeugs entlang der Verbindungsstelle, um die reibrührgeschweißte Verbindungsstelle zu erzeugen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Reibrührschweißens ferner ein Bringen der Schichten aus korrosionsfestem Material in Eingriff mit einer Schulter (28) des rotierenden Reibrührschweißwerkzeugs umfasst, wobei die Schulter mit den Schichten aus korrosionsfestem Material in Scherungungseingriff kommt, so dass ein plastischer Fluss davon und eine metallurgische Bindung des korrosionsfesten Materials an die Werkstücke bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Positionierens der Werkstücke (50, 52) ein Positionieren der Werkstücke in überlappender Weise, um dazwischen eine Überlappungsverbindungsstelle (54) zu definieren, umfasst, wobei die Schweißzone sich vollständig durch die Dicke eines ersten der Werkstücke von dessen zu dem Reibrührschweißwerkzeug benachbarte Oberfläche und teilweise durch die Dicke eines zweiten der Werkstücke erstreckt, und wobei der Schritt des Bedeckens der Außenfläche der Schweißzone ein Aufbringen einer Schicht (56) aus korrosionsfestem Material über die Außenfläche des ersten Werkstücks, so dass die Schweißzone bedeckt wird, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Bedeckens der Außenfläche des ersten Werkstücks ein Heftschweißen eines Streifens aus korrosionsfestem Metall an die Außenfläche des ersten Werkstücks, so dass die Schweißzone bedeckt wird, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Aufbringens einer Schicht aus korrosionsfestem Material über die Außenfläche des ersten Werkstücks ein Plattieren der Außenfläche des ersten Werkstücks mit korrosionsfestem Metall umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Reibrührschweißens ein Hineinstecken eines Rührstifts eines rotierenden Reibrührschweißwerkzeugs in die Werkstücke, derart dass der Rührstift sich von der Außenfläche des ersten Werkstücks durch dessen Dicke und teilweise durch die Dicke des zweiten Werkstücks erstreckt, und ein Vorwärtsbewegen des rotierenden Reibrührschweißwerkzeugs entlang eines Pfads durch die Werkstücke, um die reibgeschweißte Verbindungsstelle zu erzeugen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Reibrührschweißens ferner ein Bringen der Schicht aus korrosionsfestem Material in Eingriff mit einer Schulter des rotierenden Reibrührschweißwerkzeugs und ein Erwärmen durch Reibung und Abscheren der Schicht aus korrosionsfestem Material durch Reibungseingriff der Schulter damit umfasst.
Verfahren zum Reibrührschweißen zweier Aluminiumwerkstücke aneinander entlang einer Überlappungsverbindungsstelle dazwischen, wobei das Verfahren umfasst: Positionieren der Werkstücke in miteinander überlappender Weise, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht aus korrosionsfestem nicht legierten Aluminiummaterial zwischen überlappenden Abschnitten der Werkstücke angeordnet ist, so dass eine Überlappungsverbindungsstelle ausgebildet wird, entlang welcher die Werkstücke aneinander geschweißt werden sollen; und Reibrührschweißen der Werkstücke aneinander entlang der Verbindungsstelle, so dass das Metall in der Schweißzone und in der Schicht aus korrosionsfestem nicht legiertem Aluminiummaterial erweicht wird, wobei sich die Schicht aus korrosionsfestem Material metallurgisch an einen Abschnitt des erweichten Metalls bindet, so dass eine Zone aus korrosionsfestem Material erzeugt wird, welche die Schweißzone an der Überlappungsverbindungsstelle derart umgibt, dass die Verbindungsstelle eine metallurgisch gebundene Schicht aus korrosionsfestem Material, welches die Verbindungsstelle umgibt, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Schritte des Positionierens der Werkstücke und Anordnens einer Schicht aus korrosionsfestem Material dazwischen ein Plattieren der Schicht aus korrosionsfestem Material auf eine Oberfläche von einem der Werkstücke und ein Positionieren des einen der Werkstücke in mit dem anderen Werkstück überlappender Weise, wobei die Schicht aus korrosionsfestem Material in Kontakt mit dem anderen Werkstück ist, umfasst.
Reibrührgeschweißte Verbindungsstelle zwischen zwei Metallwerkstücken, umfassend: erste und zweite Aluminiumwerkstücke, welche an einer Verbindungsstelle dazwischen verbunden sind und metallurgisch aneinander durch eine geschweißte Zone, welche sich über die Verbindungsstelle erstreckt, gebunden sind, wobei die geschweißte Zone eine Außenfläche aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass ein korrosionsfestes nicht legiertes Aluminiummaterial metallurgisch an Abschnitte von wenigstens einem des ersten und des zweiten Werkstückes innerhalb der geschweißten Zone gebunden ist, um eine Zone aus korrosionsfestem Material entlang der Außenfläche der geschweißten Zone auszubilden.
Reibrührgeschweißte Verbindungsstelle nach Anspruch 16, wobei die Werkstücke an einer Stoßnahtverbindungsstelle mit allgemein zueinander bündigen Außenflächen der Werkstücke verbunden sind, wobei die Außenfläche der geschweißten Zone benachbart zu den Außenflächen der Werkstücke ist, und wobei die Zone aus korrosionsfestem Material durchgängig mit den Außenflächen der Werkstücke ist.
Reibrührgeschweißte Verbindungsstelle nach Anspruch 16, wobei die Werkstücke an einer Überlappungsverbindungsstelle verbunden sind, wobei die geschweißte Zone sich über die Überlappungsverbindungsstelle von einer Außenfläche des ersten Werkstücks vollständig durch dessen Dicke und zumindest teilweise durch die Dicke des zweiten Werkstücks erstreckt, wobei die Außenfläche der geschweißten Zone benachbart zu der Außenfläche des ersten Werkstücks ist, und wobei die Zone aus korrosionsfestem Material durchgängig mit der Außenfläche des ersten Werkstücks ist.
Reibrührgeschweißte Verbindungsstelle nach Anspruch 16, wobei das korrosionsfeste Material Kadmium umfasst.
Reibrührgeschweißte Verbindungsstelle nach Anspruch 16, wobei das korrosionsfeste Material Magnesium umfasst.
Reibrührgeschweißte Verbindungsstelle nach Anspruch 16, wobei das korrosionsfeste Material Chromoxid umfasst.
Reibrührgeschweißte Überlappungsverbindungsstelle zwischen zwei Aluminiumlegierungswerkstücken, umfassend: erste und zweite Aluminiumlegierungswerkstücke mit überlappenden Abschnitten, welche verbunden sind, so dass dazwischen eine Überlappungsverbindungsstelle ausgebildet ist, und metallurgisch aneinander durch eine geschweißte Zone, welche sich über die Überlappungsverbindungsstelle erstreckt, gebunden sind; dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht aus korrosionsfestem nicht legiertem Aluminiummaterial zwischen den überlappenden Abschnitten des ersten und zweiten Werkstücks angeordnet und metallurgisch an Metall in der geschweißten Zone gebunden ist, wobei die Schicht aus korrosionsfestem Material die geschweißte Zone an der Überlappungsverbindungsstelle umgibt, um eine Aussetzung von Metall in der geschweißten Zone gegenüber korrosiven Wirkstoffen an der Überlappungsverbindungsstelle zu verhindern.
Reibrührgeschweißte Überlappungsverbindungsstelle nach Anspruch 22, wobei die Schicht aus korrosionsfestem Material sich entlang der gesamten Oberflächen der überlappenden Abschnitte der Werkstücke erstreckt.