用于将包含钢的构件与包含铝的构件相接合的方法与流程

本发明涉及一种用于通过摩擦点焊将第一构件与至少一个第二构件相接合的方法，其中，第一构件包含铝或者由铝制成，其中，第二构件具有涂层和包含钢的基体。

此外，本发明涉及一种用于借助摩擦点焊将第一构件与至少一个第二构件相接合的装置。本发明还涉及一种由至少一个第一构件和第二构件构成的构件复合体。

背景技术：

在汽车的开发中，车身中的较轻设计越来越重要。为此，各不相同的材料配合实现了多样的车身结构，尽管对车辆安全性和乘客舒适度的要求不断提升，这些车身结构仍能使汽车更轻。为此的前提条件是用于连接由不同材料制成的车身部件的特殊适配的连接技术。例如已知的是，以混合构造方式由钢、高强度钢、铝、热塑性塑料、镁以及纤维复合材料制造车身。

由钢制成的车身通常借助经典的焊接方法，例如电阻点焊和mag焊接(熔化极活性气体保护电弧焊)相互连接。用于连接不同材料配合(例如包含钢的部件与包含铝的部件)的接合技术按照已知方式以机械的和热学的接合方法为基础。

除了不同材料之间的连接形成的基本任务，还力求能够用一种技术加工范围尽可能宽的接合任务，以便由此降低生产资料或生产设备的多样性。

搅拌摩擦焊接(fsw)和搅拌摩擦点焊(fssw)提供的优点是将相对工艺可靠的相同和不同类型的材料相互连接。在此，搅拌摩擦焊接和搅拌摩擦点焊原则上基于摩擦焊接的原理，但是待连接的构件相对彼此不运动，而是通过尤其耐磨损的旋转的工具产生摩擦能量。已知的解决方案规定，通过搅拌摩擦焊接产生线性连接以及借助搅拌摩擦点焊产生点状连接。当在铝和钢之间点状地连接时，由于整体式工具的负压在铝构件中留下了孔(端孔)。所留下的孔不利于这些区域的强度和腐蚀。此外，通常在焊接销的区域内形成金属间的相(fe2al5和fe4al13)。事后需要密封所产生的孔，以便保护构件复合体不受腐蚀，这由于材料和附加的制造时间造成了提高的成本。由端孔造成的较小强度在现有技术中通常通过提高焊点数量来补偿。

在de19955737a1中描述了一种用于按照搅拌摩擦焊接方法连接至少两个相邻的工件的方法。工具具有旋转驱动的销状的凸起，其在旋转时与待连接构件之间的连接区域接触地使连接区域至少部分地塑化。

在de102008063277a1中描述了一种用于将第一金属带的带末端与第二金属带的带起点相连的方法，其中，带末端与带起点通过形成重叠而叠置地定位，并且在重叠区域中的多个焊点处相互焊接。利用焊头通过摩擦点焊设置焊点，所述焊头具有旋转的销或者销状突起和围绕销或者销状突起旋转的套筒，其中，销和/或套筒通过旋转和由此产生的摩擦热使带末端和带起点区域性地塑化。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，建议一种用于借助摩擦点焊将至少两个构件相接合的方法以及装置，其中，制造时间相比已知方法尽可能的短并且由此制造的构件复合体的强度相比已知方法得到改善。

该技术问题按本发明通过一种用于通过摩擦点焊将第一构件与至少一个第二构件相接合的方法解决，其中，第一构件包含铝或者由铝制成，其中，第二构件具有基体，所述基体包含钢或者由钢制成，并且其中，第二构件具有涂层。按照本发明的方法至少具有以下步骤：

a)将第一构件布置在第二构件上；并且

b)在接合部位的区域内将接合装置的工具放在第一构件的第一表面上或者放在布置于第一构件上的其它构件上；并且

c)使工具的至少一个工具部件、例如工具销或者围绕工具销布置的工具套筒这样旋转，使得旋转的工具部件与第一构件摩擦。在此，工具部件一直旋转，直至第一构件的材料在接合部位的区域内至少部分地塑化并且旋转的工具部件以一定的进入深度进入第一构件。

按照本发明重要的是，在此这样控制步骤c)，使得所述进入深度小于第一构件的厚度，并且由此使旋转的工具部件并不完全穿过第一构件。

优选地，第一构件和第二构件扁平地设计。也可以接合或者连接多于两个构件。例如可以在第一构件上布置其它构件。通过按照本发明的方法将全部三个构件(第一构件、第二构件和其它构件)相互连接。在这种情况下，在步骤c)中，旋转的工具部件首先完全穿过所述其它构件并且以一定进入深度进入第一构件。原则上可以设置任意多的其它构件。

按照本发明，进入深度指的是旋转的工具部件运行到第一构件中的深度。

第二构件的涂层形成了第二构件的第一表面。第二构件通过涂层贴靠在第一构件上。因此，涂层布置在第一构件和第二构件的基体之间。所述涂层优选包含锌。两个构件的叠置理解为两个构件优选平面地叠置，不是并排地布置。

摩擦点焊理解为一种借助旋转工具部件的摩擦焊接。因此，两个待连接的构件并不是相对彼此摩擦。

接合装置的工具优选由工具销和沿周向围绕工具销布置的工具套筒构成，所述工具销特别优选地设计为圆柱形。通过相对第一构件的摩擦产生摩擦热，其中，第一构件的材料在接合部位的区域内至少部分地塑化。旋转的工具部件(工具销或者工具套筒)进入第一构件的塑化材料或者形成的熔池中。另一工具部件同样可以旋转，但不进入第一构件中。塑化理解为从固态向可变形或可流动状态的过渡。通过所产生的热，第一构件的铝材料可以形成与第二构件的涂层材料的连接并且由此形成反应层。

因为进入深度小于第一构件的厚度，所以工具部件不与第二构件接触。在已知的方法中，旋转的工具部件完全穿过第一构件并且部分地进入第二构件，使得第一构件的材料以及第二构件的材料塑化。

在按照本发明的方法中，热量引入受到限制，尽管如此，铝材料仍被搅拌并且第二构件的涂层材料形成与第一构件的铝材料的连接。

有利地在步骤c)中规定，与旋转运动同时地在工具部件上施加基本上垂直于第一构件的第一表面指向的压力。通过压力与摩擦热的组合，特别优选地限制了热量引入，由此使第二构件的基体的钢材料不被穿透并且尽管如此铝材料仍与第二构件的涂层材料、例如锌在反应层中形成连接。在此，接合方法有利地规定，锌没有从侧向流走，而是进入第一构件的铝材料中形成合金。

此外优选规定，所述进入深度相当于第一构件的厚度的至少20％，特别优选至少30％。

所述进入深度优选最大相当于第一构件的厚度与10μm之差。特别优选地，所述进入深度最大相当于第一构件的厚度与20μm之差。因此有利地规定，旋转的工具部件与第二构件的第一表面或涂层的距离不小于10μm或者特别优选地不小于20μm。

有利地在步骤c)中，工具部件以500转/分钟至5000转/分钟之间的转速旋转，特别优选以1000转/分钟至3500转/分钟之间的转速旋转。

也优选地规定，在步骤c)中，工具部件以0.25mm/s至20mm/s之间的速度、特别优选以0.5mm/s至10mm/s之间的速度进入第一构件的塑化材料中。旋转的工具部件进入第一构件的速度按照本发明也称为进入速度。所述进入速度定义出工具部件沿垂直于第一构件的第一表面的方向的运动速度。

有利地，所述旋转的并且进入第一构件中的工具部件设计为工具销或者设计为围绕工具销布置的工具套筒。

例如在工具销旋转期间，可以在步骤c)中使工具销进入第一构件的材料，其中，使工具套筒远离第一构件的第一表面运动，以形成用于容纳第一构件的塑化材料的自由空间。在此优选也使工具套筒旋转。工具销和工具套筒可以沿相同的方向或者沿相反的方向旋转。

备选地，在工具套筒旋转期间，在步骤c)中使工具套筒进入第一构件的材料，其中，使工具销远离第一构件的第一表面运动，以形成用于容纳第一构件的塑化材料的自由空间。在此，优选也使工具销旋转。工具销和工具套筒可以沿相同的方向或者沿相反的方向旋转。

由此有利地通过工具销的远离运动或者工具套筒的远离运动形成用于容纳塑化材料的自由空间或者空腔。在此，工具销或者工具套筒有利地远离第一构件的第一表面运动，从而在第一构件的第一表面与工具销的端侧端部或工具套筒的端侧端部之间形成自由空间或者空腔。

优选地，在步骤c)中，在工具销和/或工具套筒旋转期间，将围绕工具套筒布置的压紧装置基本上垂直地压靠在第一构件的第一表面上。通过按压避免塑化材料沿着第一构件的第一表面流走。因此，塑化材料并没有在工具上侧向地流出到第一构件的第一表面上，而是取而代之地被压入第一构件的第一表面与工具套筒或者工具销之间的空腔或者自由空间中。

此外优选规定，在步骤c)之后，将工具销从第一构件的塑化材料中移出，并且同时将工具套筒压在第一构件的第一表面或者塑化材料上。备选地，可以在步骤c)之后，将工具套筒从第一构件的塑化材料中移出，并且同时将工具销压在第一构件的第一表面或者塑化材料上。在将工具销或者工具套筒移出塑化材料时，特别优选地规定，工具销或者工具套筒完全在整个进入深度上从塑化材料中或者从反应层中移出。特别优选地，工具销或者工具套筒在此从塑化材料中移出，直至其端侧端部布置在(工具销或者工具套筒的)其它工具部件的端侧端部和第一构件的第一表面的平面上。因此在接合之后在接合部位的区域内形成了尽可能平坦的第一表面。此外特别优选地规定，在步骤c)之后，在工具销或者工具套筒进行移出运动期间，工具销和/或工具套筒继续旋转。

优选的接合方法规定，在步骤c)中，使工具销和/或工具套筒旋转，直至产生反应层，其中，所述反应层包含第一构件的铝和第二构件的涂层的锌，并且反应层的锌含量至少在一个区域内最大为30％。按照本发明，百分数说明是相对体积而言的。特别优选的是，在步骤c)中，使工具销和/或工具套筒旋转，直至反应层的锌含量在反应层的每个区域内最大为30体积％。

也有利地规定，使工具销和/或工具套筒旋转，直至形成具有熔点的反应层，其中，熔点处于第一构件的材料的固相线温度以下。

因此，所形成的反应层的组成优选通过最大30体积％的锌含量表示。此外优选规定，反应层的厚度为最大50μm。

按照本发明还提供一种用于借助摩擦点焊按前述方法将第一构件与至少一个第二构件相接合的接合装置，其中，所述接合装置具有工具，所述工具具有工具销、围绕工具销布置的工具套筒和围绕工具套筒布置的压紧装置。在此，工具销和工具套筒能够相对彼此旋转和/或相对彼此沿轴向运动或滑移地布置。

按照本发明还提供一种由至少一个第一构件和第二构件组成的构件复合体。第一构件包含铝或者由铝制成。第二构件具有基体，所述基体包含钢或者由钢制成。第二构件还具有涂层，优选具有包含锌的涂层。所述构件复合体根据前述方法借助摩擦点焊制造。

包含锌的层可以例如通过电解镀锌、热镀锌、电镀或者其它方式进行涂覆。

附图说明

以下根据优选实施形式示例性地阐述本发明。在附图中示意性地：

图1示出用于接合两个构件的单个方法步骤；

图2示出用于接合两个构件的单个方法步骤；并且

图3示出接合两个构件期间的方法步骤；并且

图4示出利用edx线性扫描经过构件之间的富锌相得到的铝-钢连接的显微图像。

具体实施方式

图1和图2示出用于接合两个构件10、11的单个方法步骤。所使用的接合装置100具有工具13，所述工具具有基本上呈圆柱形的工具销14、围绕工具销14布置的工具套筒15和围绕工具套筒15布置的压紧装置16。在图1所示的方法中，工具销14运行到第一构件10中。在图2所示的方法中，工具套筒15运行到第一构件10中。

在第一方法步骤中，两个构件10、11平面地叠置。第一构件10由铝材料制成。第二构件11具有由钢制成的基体20以及涂层21。所述涂层21包含锌。

在第二方法步骤中，将接合装置100的工具13在接合部位12的区域内放在第一构件10的第一表面10a上。在此，工具13这样放在第一构件10的第一表面10a上，使得工具销14、工具套筒15以及压紧装置16的端侧端部平放在第一构件10的第一表面10a上。

在下一方法步骤中，使接合装置100的工具销14和工具套筒15旋转。在工具部件旋转期间，向工具销14(图1中)或者工具套筒15(图2中)加载压力23。所述方法的参数这样调节，使得旋转的构件以1000至3500转/分钟的转速旋转。压力23这样设计，使得旋转的工具部件的进入速度在0.5至10mm/秒之间。

通过旋转构件的旋转运动22和施加在旋转构件上的压力23，第一构件的铝材料在接合部位12的区域内至少区域性的塑化。重要的是，在接合部位12的区域中的进入速度19小于第一构件10的厚度18。因此，第一构件10并不完全被旋转的工具部件穿透。旋转的工具部件不与第二构件11接触。

在此，尤其这样选择进入速度，使得其至少为第一构件的厚度的30％，但旋转的构件在第二构件11或者第二构件11的涂层21上方至少20μm处停止。旋转的工具部件与第二构件11之间的距离在接合方法中始终不小于20μm。

通过调节和应用这些参数，第一构件10的铝材料可以与第二构件11的涂层21的锌材料形成连接并且产生反应层17，其熔点处于铝材料的固相线温度以下。反应层17的组成通过最高30％的锌含量表示并且具有50μm的最大层厚。

通过所述接合方法可以在整体上限制热量引入，其中，铝材料尽管如此仍能被塑化，但第二构件11的基体20的钢材料不被穿透。第二构件11的涂层21的锌材料并不作为液相从侧面流走，而是融合或合金到第一构件10的铝材料中。这使得铝层的边缘区域中的锌浓度提高。

在图3中再次示出旋转的工具部件的进入深度19。在此，图3以图1中的例子为基础，其中工具销14运行到第一构件10中。

在图4中示出由第一构件10和第二构件11构成的构件复合体200的显微图像。富锌相(zinkreichephase)的硬度与锌含量有关。在具有最高锌含量的区域内，硬度值为118.4hv0.2，略微高于钢板的硬度值(114.7-116.7hv0.2)。随着锌含量降低，相的硬度越来越靠近铝基础材料的硬度(71.0-74.9hv0.2)。通过在所述参数范围内的规定工具运动，这样设置由铝和锌构成的反应层17，使得其直接在铝和钢之间硬化。

在旋转的工具部件进入塑化材料或者反应层17期间，另一工具部件(在图1中是工具套筒15并且在图2中是工具销14)沿相对于第一构件10的第一表面10a的垂直方向从塑化材料或者反应层17中移出。在此，这个工具部件也旋转。由此在这个工具部件的端侧端部与第一构件10的第一表面10a之间形成用于容纳塑化材料的间隙或者空腔。塑化材料在之后的方法步骤中通过工具销14或者工具套筒15和压紧装置16向下压。

附图标记清单

100接合装置

200构件复合体

10第一构件

10a第一构件的第一表面

10b第一构件的第二表面

11第二构件

11a第二构件的第一表面

11b第二构件的第二表面

12接合部位

13接合装置的工具

14工具销

15工具套筒

16压紧装置

17反应层

18第一构件的厚度

19进入深度

20第二构件的基体

21第二构件的涂层

22旋转运动

23压力

24塑化材料

25旋转的工具部件与第二构件之间的距离