DE10102769A1

DE10102769A1 - Thermisches Fügeverfahren

Info

Publication number: DE10102769A1
Application number: DE2001102769
Authority: DE
Inventors: Carolin Radscheit; Uwe Lahrmann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2001-01-23
Filing date: 2001-01-23
Publication date: 2002-07-25

Abstract

Erfindungsgemäß ist ein thermisches Fügeverfahren mit den Schritten: DOLLAR A - Bilden eines Überlappstoßes (14) durch Übereinanderlegen eines Stahlbauteils (4) und eines Aluminium- oder Magnesiumbauteils (6), DOLLAR A - Erwärmen des Stahlbleches (4) in einem Bereich des Überlappstoßes (14) mittels einer Vorrichtung (16), die von der Stahlseite des Überlappstoßes (14) auf den Überlappstoß (14) einwirkt, DOLLAR A - Aufschmelzen des Aluminium- oder Magnesiumbauteils (6) in dem Bereich des Überlappstoßes (14) mittels des erwärmten Stahls (4), DOLLAR A - Erstarren lassen des aufgeschmolzenen Aluminiums in Verbindung mit der erwärmten Oberfläche des Stahlbleches (4).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermisches Fügeverfahren gemäß Anspruch 1.

Als thermische Verfahren von Fügen von Metallen sind insbesondere das Schweißen und das Löten bekannt. In beiden Verfahren werden die Bauteile durch geschmolzenes Metall miteinander verbunden. Beim Schweißen werden die Werkstoffe beider zu verbindenden Bauteile aufgeschmolzen und fließen ineinander. So bildet sich nach dem Erstarren eine feste, stoffschlüssige Verbindung. Dabei kann bekannterweise Werkstoff zugesetzt werden, um Legierungsbestandteile zuzusetzen, die z. B. die Struktur des wieder erstarrenden Metalls günstig beeinflussen, oder auch um Volumina aufzufüllen, die im Bereich der Schweißnaht vor dem Aufschmelzen nicht mit Werkstoff ausgefüllt waren bzw. durch Schwindung nach dem Erstarren fehlen.

Beim Löten dagegen wird nur ein Zusatzwerkstoff, das Lot, im Bereich der zu verbindenden Bleche geschmolzen und verbindet sich dort mit deren Oberflächen zu einer festen Verbindung zwischen ihnen.

Aus einer Vielzahl von Gründen problematisch ist das thermische Fügen von Blechen, die aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. Insbesondere das Verbinden von Stahl- mit Aluminium- oder Magnesiumblechen oder allgemeiner -werkstoffen ist aber insbesondere im Automobilbau aus konstruktiven Gründen erwünscht. Die größte Schwierigkeit beim thermischen Fügen nicht artgleicher Werkstoffe liegt in der Bildung spröder intermetallischer Phasen, die zum Teil schon weit unterhalb der Schmelztemperatur entstehen. Weiterhin problematisch sind dabei z. B. die unterschiedlichen Schmelzpunkte der Werkstoffe, was beim Schweißen dazu führt, dass der zuerst schmelzende Werkstoff nicht mehr formbeständig ist, aber wegen des noch starren zweiten Werkstoffs mit diesem noch keine Schweißverbindung eingehen kann. Deformation und mangelhafte oder sogar fehlende Verbindung ist die Folge. Beim Löten sorgt z. B. die unterschiedliche Affinität der unterschiedlichen Werkstoffe zu dem Lot für eine mangelhafte Verbindung, da das Lot oft nur für einen der beiden Werkstoffe optimiert ausgewählt und z. B. durch Legierungsbestandteile eingestellt werden kann.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein thermisches Verfahren zum Fügen von Blechen aus unterschiedlichen Werkstoffen, nämlich einerseits Stahl und andererseits Aluminium oder Magnesium, zu schaffen, welches eine zuverlässige Verbindung, insbesondere als Dichtnaht mit ausreichenden Gebrauchseigenschaften zwischen den Bauteilen herstellt.

Diese Aufgabe wird erfüllt durch ein thermisches Fügeverfahren mit den in Anspruch 1 beschriebenen Schritten. Bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei dem thermischen Fügeverfahren gemäß der Erfindung wird zunächst ein Überlappstoß von zwei Bauteilen, vorzugsweise zwei Blechen, gebildet, indem dann ein Stahlblech und ein Aluminium- oder Magnesiumblech übereinandergelegt werden. Nun wird von der Stahlseite des Überlappstoßes, vorzugsweise mittels eines Plasmabrenners, der Stahl im Bereich des Überlappstoßes erwärmt. Dabei sind die Parameter dieses Vorgangs so eingestellt, dass der Stahl nicht geschmolzen wird. Diese Erwärmung des Stahls findet so lange statt, bis - mindestens auch mittels des erwärmten Stahls - auch das Aluminium oder Magnesium auf der Gegenseite des Überlappstoßes erwärmt und aufgeschmolzen wird und in diesem Zustand eine Verbindung mit der erwärmten Oberfläche des Stahls eingeht. Gemessen am herkömmlichen Schweiß- und Lötverfahren lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren also beschreiben als eine Art Schweißvorgang auf Seiten des Aluminiums oder Magnesiums, dessen aufgeschmolzener Nahtbereich auf Seiten des Stahls sozusagen als Lot in einer Art Lötvorgang zum Herstellen der Verbindung Verwendung findet.

Dieses erfindungsgemäße Verfahren kann nun kontinuierlich zur Herstellung einer geschlossenen Dichtnaht durchgeführt werden, indem z. B. der Plasmabrenner kontinuierlich so über das Stahlblech im Bereich des Überlappstoßes gefahren wird, dass die Energieeinbringung in den Nahtbereich an jeder Stelle der somit kontinuierlich erzeugten Naht die beschriebenen Vorgänge gewährleistet. Hier ist der erfindungsgemäß bevorzugte Plasmabrenner als Werkzeug z. B. einer Laserlichtquelle deshalb überlegen, weil er keine aufwendigen Sicherheitsvorkehrungen erforderlich macht, kostengünstiger und wirtschaftlicher ist und außerdem auch Zusatzwerkstoffzufuhr ermöglicht. Erfindungsgemäß lassen sich mit dem Zusatzwerkstoff, welcher dem Nahtbereich von außen zusätzlich zugeführt wird, aber auch Elemente zusetzen. Hier sind insbesondere Silizium, Chrom, Silber und Zink zu nennen, die das Bilden von intermetallischen Phasen in der erfindungsgemäßen Blechverbindung vermeiden oder zumindest hemmen. Diese sind hart und spröde und können schon weit unterhalb der Schmelztemperatur entstehen. Sie würden daher die Qualität der erzeugten Naht deutlich vermindern. Die genannten Zusätze können aber auch als Legierungsbestandteil des Blechwerkstoffs oder als Beschichtungswerkstoff in den Nahtbereich gebracht werden und dort dann eben erfindungsgemäß mit dem Aluminium oder Magnesium aufgeschmolzen werden.

Der Zusatzwerkstoff nach Art eines Lots kann aber auch dazu dienen, Blechhohl- und Zwischenräume im Bereich des Überlappstoßes auszufüllen. Dies vermeidet z. B. Einschnürungen und kann die Dichtigkeit der kontinuierlichen Dichtnaht zusätzlich gewährleisten.

Das erfindungsgemäße Fügeverfahren wird vorzugsweise mittels eines Bearbeitungsroboters prozeßgesteuert und automatisch durchgeführt. Vorzugsweise wirkt z. B. der Plasmabrenner von oberhalb des Überlappstoßes auf die Bleche ein, so dass in diesem Fall also das Stahlblech oberseitig auf dem Aluminium- oder Magnesiumblech zum Bilden des Überlappstoßes aufliegt.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,

Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Überlappstoßes von zwei zu fügenden Blechen mit seitlich herangeführtem Zusatzwerkstoff und einem oberseitig herangeführten und betätigten Plasmabrenner und

Fig. 2 zeigt eine schematische Seitenansicht des Überlappstoßes der Bleche aus Fig. 1 nach der Durchführung des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens, mit dem Kantenverlauf der Bleche gemäß Fig. 1 in gestrichelter Darstellung.

Mit Bezug auf Fig. 1 ist eine schematische Seitenansicht eines Überlappstoßes 2 erkennbar, der oberseitig von einem Stahlblech 4 und unterseitig von einem Aluminiumblech 6 gebildet wird. Der Überlappstoß 2 hat eine Breite B in der Größenordnung von etwa zweifacher Blechdichte. Die Bleche 4, 6 haben eine Dicke D von etwa 1 mm. Im Bereich des Überlappstoßes 2 liegen die Bleche 4, 6 mit Kontakt aufeinander, was durch entsprechende Halterungsvorrichtungen und/oder Zwingen (nicht dargestellt) gewährleistet wird.

Seitlich von oberhalb des Aluminiumblechs 6 durch eine nicht dargestellte Vorrichtung zugeführt ist ein Drahtzusatzwerkstoff 8 erkennbar, dessen Spitze 10 an eine seitliche Fuge des Überlappstoßes 2 der Seitenkante 12 des Stahlblechs 4 gedrückt ist. Dort wird der Zusatzwerkstoff 8 von einem Plasmalichtbogen 14 zusammen mit dem Stahlblech 4 im Bereich des Überlappstoßes 2 erwärmt. Der Plasmalichtbogen 14 wird von einem Plasmabrenner 16 erzeugt, der von oberhalb des Überlappstoßes 2 auf der Seite des Stahlblechs 4 auf den Überlappstoß 2 einwirkt. Der Plasmalichtbogen 14 ist von einem Plasmagasstrom 18 zur Bündelung des Plasmalichtbogens 14 und von einem Schutzgasstrom umgeben.

Fig. 2 zeigt das Ergebnis des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens in schematischem Querschnitt: Im Bereich des Überlappstoßes 2 ist das unter dem Stahlblech 4 liegende Aluminiumblech 6 zusammen mit dem Zusatzwerkstoff 8 (Fig. 1) aufgeschmolzen und hat sich mit der Oberfläche des erwärmten, aber nicht geschmolzenen Stahlblechs 4 im Bereich des Überlappstoßes 2 zu einer Dichtnaht fest verbunden.

BEZUGSZEICHENLISTE

2

Überlappstoß

4

Stahlblech

6

Aluminiumblech

8

Zusatzwerkstoff

10

Spitze des Zusatzwerkstoffes

12

Seitenkante des Stahlblechs

14

Plasmalichtbogen

16

Plasmabrenner

18

Plasma- und Schutzgasstrom

Claims

1. Thermisches Fügeverfahren mit den Schritten:

- Bilden eines Überlappstoßes (14) durch Übereinanderlegen eines Stahlbauteils (4) und eines Aluminium- oder Magnesiumbauteils (6),
- Erwärmen des Stahlbleches (4) in einem Bereich des Überlappstoßes (14) mittels einer Vorrichtung (16), die von der Stahlseite des Überlappstoßes (14) auf den Überlappstoß (14) einwirkt,
- Aufschmelzen des Aluminium oder Magnesiumbauteils (6) in dem Bereich des Überlappstoßes (14) mittels des erwärmten Stahls (4),
- Erstarren Lassen des aufgeschmolzenen Aluminiums in Verbindung mit der erwärmten Oberfläche des Stahlblechs (4).

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mindestens eines der Bauteile (4, 6) ein Blech ist.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Vorrichtung ein Plasmabrenner (16) ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Plasmabrenner (16) von oberhalb des Überlappstoßes (14) auf die Bleche (4, 6) einwirkt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Breite (B) des Überlappstoßes (14) von 2 bis 5 mm.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Dicke (D) der Bleche von 0,7 bis 1,5 mm.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zusätzlich mit dem Schritt, Zusatzwerkstoff (8) in den Bereich des Überlappstoßes (14) zu führen und mit dem Aluminium (6) oder Magnesium aufgeschmolzen wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein die Bildung von intermetallischen Phasen unterdrücktes Element mit dem Aluminium (6) oder Magnesium aufgeschmolzen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Element in einem Beschichtungswerkstoff enthalten ist von mindestens einem der Bleche (4, 6) und/oder Legierungsbestandteil des Blechwerkstoffs (4, 6) und/oder des Zusatzwerkstoffs (8) ist.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem das Element Si, Cr, Ni, Ag und/oder Zn ist.