Zellulare Metalle sind bekannt. Verwiesen wird hierzu bei- spielsweise auf den Aufsatz von M. Hartmann und S. Kola et al."Herstellung und Eigenschaften von syntaktischen Magnesi- umschäumen"Symposium 9, Neue Werkstoffkonzepte, Werkstoffwo- che, DGM-Verlag 1996. Weiter sei verwiesen auf die Disserta- tion von M. Weber an der TU Claustal"Herstellung von Metall- schäumen und Beschreibung der Werkstoffeigenschaften", 1995.

Bei der Herstellung von Metallschäumen beispielsweise unter Zuhilfenahme von Titanhydrid als Treibmittel entstehen Me- tallschäume, die dünnwandige Oberflächenschichten aus kompak- tem Material, mit einer Dicke von maximal einigen wenigen zehntel Millimetern aufweisen. Diese umgeben aufgeschäumtes Metall, welches wie grobporiger Schaumstoff aus einer Viel- zahl miteinander verbundener Zellen besteht, deren Wände aus

dem Metall gebildet sind, während die Zwischenräume frei bleiben.

Um diese durch die zellulare Struktur sehr leichten Werkstof- fe sinnvoll einzusetzen, ist es erforderlich, sie mit kompak- ten Materialien, insbesondere kompakten Metallen zu verbin- den. Einerseits ist es bevorzugt, die Biegesteifigkeit von Werkstücken aus zellularem Metall durch Aufbringen von Deck- schichten aus kompakten Blechen zu erhöhen, welche Biegemo- mente und die damit verbundenen hohen Zug-und Druckspannun- gen aufnehmen können. Zudem ist es im Regelfall erforderlich, die Werkstücke aus zellularem Material mit Konstruktionsele- menten aus kompaktem Material zu verbinden. Hierbei ist es bekannt, Deckbleche auf das zellulare Metall aufzubringen und dann die Verbindung zu den Konstruktionselementen aus kompak- tem Material über die kompakten Deckbleche herzustellen.

Es gibt derzeit mehrere Verfahren, die kompakten Bleche auf die zellularen Werkstoffe aufzubringen. Ein erstes Verfahren ist das Diffusionsschweißen. Dabei wird das zellulare Werk- stück und gegebenenfalls das kompakte Metallblech zunächst solange oberflächenbearbeitet, bis sich eine Rauhtiefe vom maximal 3 um ergibt. Nach der Fügeflächenreinigung können die Teile zusammengefügt werden, wobei aber lange Fügezeiten er- forderlich sind, bis durch Diffusion der Atome über die Kon- taktflächen hinweg die Verbindung gebildet ist. Ein nur punk- tuelles Aufbringen von Verbindungselementen ist dabei extrem schwierig. Das ganze Verfahren ist aufgrund der langen Ferti- gungszeiten und der aufwendigen Vorbearbeitung teuer.

Ein weiteres Verfahren zur Aufbringung einer kompakten Deck- schicht ist die Walzplattierung, welche beispielsweise be- schrieben wird von H. V. Hagen und W. Bleck in"Herstellungs-

möglichkeiten und Prüfung eines Stahlblechsandwiches mit Alu- miniumschaumkern"in Verbundstoffe und Werkstoffverbunde, herausgegeben von K. Friedrich, DGM, 1997 sowie J. Baumeister et al. in"Sandwichkonstruktionen aus Stahlblech mit ge- schäumtem Aluminium"in Tagungsband Werkstoffwoche, Stutt- gart, 1996. Bei diesem Verfahren wird eine metallische Ver- bindung zwischen Deckblech und zellularem Werkstoff durch Kalt-bzw. Warmwalzplattierung zwischen dem aufschäumbaren, pulvermetallurgisch hergestellten Ausgangsmaterial und dem kompakten Deckblech hergestellt. Es kann dann eine Umformung und Weiterverarbeitung vorgenommen werden, bevor der Werk- stoffverbund auf eine Temperatur erhitzt wird, die oberhalb der Schmelztemperatur des Metallschaums liegt, sodaß das pul- vermetallurgisch hergestellte aufschäumbare Ausgangsmaterial aufgeschäumt wird. Nachteilig ist, daß der Werkstoffverbund nur dann eigenspannungsfrei vorliegt, wenn sich die thermi- schen Ausdehnungskoeffizienten von zellularem Werkstoff und kompakten Deckmaterial nicht unterscheiden ; weiter sind die geometrisch durch Umformen erzielbaren Gestaltungen begrenzt und es ist überdies nicht möglich, nur an ausgewählten Berei- chen kompaktes Material aufzubringen. Durch das verfahrensbe- dingte Erfordernis, die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von zellularem Werkstoff und Deckschicht anzupassen, ist die Walzplattierung nur für ausgewählte Materialkombinationen verwendbar.

Es ist weiter bekannt, eine Verbindung zwischen kompakten und zellularen Werkstoffen durch Laserstrahlschweißen zu erzeu- gen, wobei punktuell die Werkstücke soweit mittels eines La- serstrahls erwärmt werden, daß die Substanzen sich durch Auf- schmelzen verbinden. Es muß ein Zusatzwerkstoff beigegeben werden, der ein vollständiges Schmelzen des großporigen Me- tallschaums verhindert. Dennoch läßt sich nicht vermeiden,

daß in großen Bereichen des zellularen Werkstoffs die Zell- wände aufschmelzen und unter Zuführung des Zusatzwerkstoffes in eine kompakte Struktur übergehen. Das Laserstrahlschweißen erfordert zudem eine aufwendige Nahtvorbereitung und fördert die Rißbildung und Aufhärtung, vgl. D. Böhme, F.-D. Hermann, "Handbuch der Schweißtechnik", Teil II, DVS-Verlag, 1992.

Bei der Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwi- schen zellularen Metallen untereinander und/oder zellularen Metallen mit kompakten Werkstoffen durch Löten ergeben sich, sofern dies überhaupt, wie bei Reinaluminium, möglich ist, ebenfalls Beeinträchtigungen der zellularen Struktur insbe- sondere durch Eindringen des Lotes in die Zellen ; weiter sind bei unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten Eigenspannungen nicht zu vermeiden, die zu einem Verbundver- sagen führen können. Dies gilt selbst dann, wenn metallisch reine Oberflächen, von denen evtl. vorhandene Oxidschichten entfernt wurden, vorgesehen werden.

Ein Verkleben der zellularen und kompakten Werkstoffe kommt ebenfalls nicht für alle Anwendungen in Betracht, da der Klebstoff altert und nur für Werkstoffverbunde geeignet ist, die bei niedrigen Temperaturen verwendet werden. Weitere Nachteile ergeben sich durch die zumindest partielle thermi- sche und/oder elektrische Isolation der Werkstücke durch die Klebeschicht, die Alterung des Klebstoffes, die Kriechneigung der Verbindung, das Erfordernis der Fixierung während der Aushärtung und die toxischen Eigenschaften der typischerweise eingesetzten Klebstoffe.

Aus der GB 2 200 068 A ist ein Verfahren zur Verbindung einer Anschlußlitze mit einer Batterieelektrode bekannt. Es wird vorgeschlagen, eine Ultraschallschweißung zwischen der An-

schlußlitze und einem Hohlräume enthaltenden Metall, für wel- ches insbesondere Metallschaum genannt wird, vorzunehmen. Es wird dazu vorgeschlagen, zunächst eine Einprägung vorzuneh- men, das heißt ein sogenanntes"Coining"und dann die Schwei- ßung durchzuführen. Dies ist bei Batterien akzeptabel, kann aber bei formkritischen Bauteilen und/oder bei stark belaste- ten Bauelementen Schwierigkeiten bereiten.

Die vorliegende Erfindung zielt darauf, Neues für die gewerb- liche Anwendung bereit zu stellen und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich ein Verfahren anzugeben, mit dem eine feste Verbindung zwischen Werkstücken aus zellularem und kom- paktem Metall hergestellt werden kann, wobei das Verfahren preisgünstig durchführbar ist, ohne im Verbund die zellulare Struktur zu beeinträchtigen.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Verfahrensschritten des unabhängigen Anspruches er- reicht. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung schlägt somit zu- nächst grundlegend vor, beide Werkstücke, also jenes aus zel- lularem und jenes aus kompaktem Metall in Kraftschluß mitein- ander zu bringen, wobei eine Sonotrode an der Stelle des Kraftschlusses aufgedrückt wird und diesen gegebenenfalls be- wirken kann. Es wird dann mit der Sonotrode eine Ultraschall- schweißung durchgeführt. Mit der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, daß sich die Nachteile des Standes der Technik über- winden lassen, indem Ultraschallschweißenergie der Werkstück- kombination zugeführt wird, wobei die zellulare Struktur des Werkstoffverbundes ohne Aufschmelzen einen Werkstoffverbund zum kompakten Material eingeht. Ein vorheriges Einprägen oder

Eindrücken des mit dem Metallschaum zu verbindenden kompakten Metalls ist nicht erforderlich. Eine Verbindung erfolgt ohne vorheriges Einprägen und somit ohne Zerstörung zellularer Strukturen. Der Mechanismus, der die Ausbildung der Verbin- dung ermöglicht, ist noch nicht vollständig verstanden. Es wird aber angenommen, daß die Ultraschallschweißung deshalb bei zellularem Metall besonders gut durchführbar ist, weil durch die Zellstrukturen die Ultraschall-energie nur in ge- ringem Maße von der Schweißstelle abgeführt werden kann, so- daß nur dicht nahe bei der Sonotrode genügend Energie für die Ausbildung der Verbindung bereitgestellt wird, während die Umgebung der Schweißstelle nicht beeinträchtigt und/oder be- einflußt ist.

In einer bevorzugten Ausbildungsform ist der Kraftschluß flä- chig zwischen den Werkstücken gebildet. Auf diese Weise über- trägt sich die Anpreßkraft auf einen größeren Bereich, wäh- rend die Ultraschallschweißenergie auf einen kleinen Fleck bei der Sonotrode beschränkt bleibt. Dies verhindert eine durch die lokal eingebrachte Schweißenergie erfolgende uner- wünschte Verdichtung der zellularen Struktur, die somit auch an der Schweißfläche weitgehend erhalten bleibt.

Um einen besonders ausgeprägten flächigen Kraftschluß zwi- schen zellularem Metall und kompaktem Metall zu erreichen, wird in einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens eine rauhigkeitsnivellierte Fläche vorgesehen, die durch die Rau- higkeitsnivellierung eine gegenüber einer Schnittkante des zellularen Metalls verringerte Porigkeit besitzt, ohne deswe- gen zwingend im um-Bereich feinbearbeitet sein zu müssen. Es ist vielmehr für diese bevorzugte Verfahrensform ausreichend und dementsprechend aus Kostengründen auch besonders vorteil- haft, die Gußhaut des zellularen Metalls als Rauhigkeitsni-

vellierung zu verwenden und/oder eine Folie aus Metall und/oder Kunststoff, insbesondere zum zellularem Metall hin metallisiert, auf das zellulare Metall aufzulegen, wobei die Folie gleichfalls zu der erfindungsgemäß besonders bevorzug- ten Kraftverteilung der Aufpressung beiträgt.

Es ist besonders erwünscht, wenn die Kontaktfläche zwischen den Werkstücken aus zellularem und kompakten Metall größer als die Sonotrodenfläche ist, bevorzugt wenigstens doppelt so groß und wenn diese Kontaktfläche die Sonotrodenaufpreßfläche bei der Schweißung zumindest im wesentlichen umgibt. Auf die- se Weise wird der Anpreßdruck der Sonotrode besonders gleich- mäßig und weit verteilt, was die zellulare Struktur schützt.

Alternativ kann auch eine andere Metallflächenausbildung ge- wählt werden. Insbesondere kann eine Schweißwarzenstruktur vorgesehen werden, um nur lokal und dafür weit verringerte Energiebeträge in das zellulare Metall einzubringen.

Es ist weiter bevorzugt, wenn der Sonotrodenanpreßdruck, auch bei Verteilung auf eine große Kontaktfläche zur Schonung der zellularen Struktur unterhalb jener Werte gewählt wird, die zur Verbindung zweier kompakter Werkstücke durch Ultraschall- schweißung typisch sind. Ein bevorzugter Anpreßdruck liegt daher unter 30 MPa, wobei es weiter bevorzugt ist, den So- notrodenanpreßdruck so gering wie etwa 10 MPa zu wählen, um auch bei besonders empfindlichen Metallschäumen eine sichere Verbindung zu erzielen.

Die Ultraschall-Schweißfrequenz wird bevorzugt im Bereich zwischen 15 bis 50 kHz liegen, insbesondere im Bereich um 20 kHz. Bei diesem Frequenzbereich ist für typische Metallschäu- me sichergestellt, daß die Schweißenergie über die Zellwände

in das Material hinein eindringen ohne die zellulare Struktur hierdurch zu zerstören.

Trotz des geringen Anpreßdruckes ist eine Schweißdauer unter- halb von 3 Sekunden, bevorzugt um 1 Sekunde im Regelfall aus- reichend. Die Ultraschallamplitude kann dabei bevorzugt nied- rig gewählt werden, insbesondere kleiner als 40 um, wobei ei- ne Ultraschallamplitude von 20 um bevorzugt und ausreichend ist.

Während die Durchführung von Punktschweißungen möglich ist, wird die Ultraschallschweißung bevorzugt als Torsionsschwei- ßung ausgeführt, weil sich dies als besonders schonend für die zellulare Struktur erwiesen hat.

Die Erfindung wird im folgenden nur beispielsweise anhand ei- nes bevorzugten Ausführungsbeispieles beschrieben.

Ein Werkstück aus zellularem Metall wird in die gewünschte Form gebracht, beispielsweise durch Aufschäumen eines auf- schäumbaren Ausgangsmaterials in einer gewünschten geometri- schen Form. Dabei wird das aufschäumbare Ausgangsmaterial ei- ne Gußhaut ausbilden, die weniger porig als das Innere des so gebildeten zellularen Werkstoffes ist.

Auf die Gußhaut wird flächig ein kompaktes Metall aufgelegt, beispielsweise eine Folie. Das zellulare Werkstück wird auf dem Amboß einer Ultraschallschweißvorrichtung angeordnet.

Ober der Auflegestelle, an welcher ein Kraftschluß zwischen zellularem Metall und kompaktem Metall besteht, wird eine So- notrode mit einem Druck von beispielsweise 10 MPa aufgesetzt.

Die mit einem Anpreßdruck von 10 MPa aufgesetzte Sonotrode wird für eine Sekunde zu einer Torsionsschwingung erregt, die einen derartigen Winkel überstreicht, daß sich am äußeren So- notrodenumfang von zum Beispiel 15 mm eine Ultraschall- schweißamplitude von 20 um ergibt.

Danach wird die Ultraschallschweißenergieerregung abgestellt und die Sonotrode vom Werkstück entfernt. Es hat sich ein fe- ster Werkstoffverbund zwischen zellularem Metall und kompak- tem Metall ergeben, ohne daß die zellulare Struktur des Me- tallschaums beeinträchtigt wurde.

Es ist einsichtig, daß neben Torsionsschweißungen auch andere Ultraschallschweißungen vorgenommen werden können, beispiels- weise Punkt-oder Rollnahtschweißungen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der Sonotrodenanpreß- druck über eine gegenüber der Sonotrodenfläche große Umgebung verteilt, während die Ultraschallschweißenergie dank der ge- ringen Schwingungsweiterleitung im Schaum lokal in der zellu- laren Struktur bei oder nahe der Sonotrode verbleibt. Auf diese Weise sind geringe Schweißenergiebeträge ausreichend und eine Zerstörung der zellularen Struktur muß nicht be- fürchtet werden, und zwar weder am Sonotrodenort noch durch Transport der Ultraschallenergie durch das kompakte Werkstück zu anderen Stellen des zellularen Werkstückes, da dorthin zwar der Sonotrodenanpreßdruck zu einem bestimmten Teil abge- leitet wird, aber durch die insgesamt niedrigen Sonotroden- aufpreßdrücke der Kraftübergang zwischen kompaktem und zellu- larem Werkstück nicht mehr ausreicht, um eine Verschweißung zu erzielen, sodaß der Verbindungsbereich auf eine gewünschte Stelle beschränkt bleibt.

Das beschriebene Schweißverfahren ermöglicht so stabile und wechselbelastbare Schweißverbindungen, daß auch eine Verwen- dung für tragende Konstruktionen, im Maschinen-, Fahrzeug- und/oder Flugzeugbau möglich ist.