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Die
Erfindung betrifft eine Verbindung von Bauteilen aus gleichen oder
unterschiedlichen Werkstoffen, wobei das eine Bauteil zumindest
eine Ausnehmung aufweist, die durch einen mit dem anderen Bauteil
form- und/oder stoffschlüssig
verbundenen Zusatzwerkstoff aufgefüllt ist. Des Weiteren umfasst die
Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Verbindung.
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Bauteile
können
bekanntermaßen
durch Löt- oder
Schweißverbindungen
miteinander verbunden werden. Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2004 026 490
A1 zielt auf eine Lötverbindung
zweier Substrate ab. Hierzu wird ein Substrat durch thermisches
Spritzen mit Lot benetzt. Um eine Verbindung zwischen den Substraten
zu erzielen, sind diese beiden Substrate einem Lötprozess zu unterziehen. Durch
das thermische Spritzen, beispielsweise ein Kaltgasspritzen, wird
nur der für
die Verbindung notwendige pulverförmige Zusatzwerkstoff auf einem der
Substrate appliziert, jedoch noch keine Verbindung zwischen den
Bauteilen erhalten.
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Die
Offenlegungsschrift
DE
10 2004 047 357 A1 zeigt ebenfalls das Aufbringen von Partikeln
mittels Kaltgasspritzen auf ein Substrat. Hier dienen die aufgetragenen
Kupferpartikel jedoch nicht zur mechanischen Verbindung zweier Bauteile,
sondern als elektrische Verbindung zwischen den Leiterbahnen. Die
Leiterbahnen selbst sind durch einen separaten Vorgang am Substrat
montiert.
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Das
deutsche Patent
DE
199 13 436 C1 offenbart eine Schweißverbindung zwischen einem Aluminiumbauteil
und einem Bauteil aus einem Werkstoff mit relativ hohem Schmelzpunkt,
wie Stahl, Edelstahl oder Keramik. Die Schweißverbindung erfolgt unter Hinzufügung eines
Zusatzwerkstoffes und Anwendung der Elektroschweißung, Laserschweißung oder ähnlicher
Schweißverfahren.
Nachteilig bei dieser Schweißverbindung
ist, dass insbesondere bei der Verbindung von Bauteilen mit einer
dekorativen Oberfläche
durch die lokale Wärmeanwendung es
zu einer Beeinträchtigung
dieser dekorativen Oberfläche
kommen kann.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine verbesserte Verbindung von Bauteilen
aus gleichartigen oder unterschiedlichen Werkstoffen zu schaffen,
wobei diese Verbindung insbesondere die Verwendung eines Bauteils
mit einer dekorativen Oberfläche
zulässt.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 erfüllt.
Die Bauteile können
aus gleichartigen oder insbesondere aus unterschiedlichen Werkstoffen
bestehen. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird eine feste
Verbindung zwischen zwei Bauteilen aus unterschiedlichen Werkstoffen
erzielt, nämlich
zwischen einer Zierleiste aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung
und einem Stahlblechunterbau, an dem diese Zierleiste befestigt
wird. Mit dieser Verbindung lassen sich die Zierleisten am Unterbau
festlegen, ohne dass die dekorative Oberfläche der Zierleiste beeinträchtigt wird. Eine
erfindungsgemäße Verbindung
lässt sich
auch mit Zierteilen aus anderen Werkstoffen und entsprechenden Bauteilen,
die als Unterbau oder Halterung fungieren, herstellen. Insbesondere
lässt sich
diese Verbindung auf Bauteile aus Werkstoffen mit sehr unterschiedlichen
Schmelzpunkten anwenden.
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Zur
Verbindungsbildung wird in dem einen Bauteil zumindest eine Ausnehmung
eingebracht. Bei länglichen
Zierleisten werden vorzugsweise mehrere Ausnehmungen vorgesehen.
Diese Ausnehmungen werden, wie bei der vorbekannten Lösung, durch
einen form- und/oder stoffschlüssig
mit dem anderen Bauteil verbundenen Zusatzwerkstoff aufgefüllt. Die
Verbindungsbildung erfolgt jedoch nicht durch Elektroschweißung, Laserschweißung oder ähnliche
Schweißverfahren,
bei denen der Zusatzwerkstoff in geschmolzener Form in die Ausnehmung eingeführt wird.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird
der Zusatzwerkstoff in pulverförmiger
Form durch Kaltgasspritzen in die Ausnehmung eingebracht. Als Zusatzwerkstoff
kann jeder beliebige duktile Werkstoff dienen. Der Zusatzwerkstoff
wird bevorzugt als feinkörniges
Pulver in Pulverteilchengrößen von
1 bis 50 μm
eingesetzt. Bei einer Festlegung einer Aluminium- oder Aluminiumlegierungszierleiste an
einer Halterung aus einem anderen Metallwerkstoff wird bevorzugt
auch ein Aluminiumlegierungspulver als Zusatzwerkstoff eingesetzt,
um Korrosionserscheinungen zu verhindern. Bei Verwendung von feinkörnigem Aluminiumpulver
und/oder Aluminiumlegierungspulver als Zusatzwerkstoff werden Partikelgrößen von
3 bis 30 μm
eingesetzt.
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Das
feinkörnige
Pulver wird in einen hochbeschleunigten, relativ kalten Gasstrahl
injiziert. Es wird in einer Ausführungsvariante
ein Trägergas,
wie trockene Luft oder Stickstoff, verwendet, um die Pulverpartikel
in den Hauptgasstrahl einzubringen. Dieser Gasstrahl wurde vorher
auf Überschallgeschwindigkeiten
von 300 bis 1200 m/s beschleunigt, vorzugsweise auf die dreifache
Schallgeschwindigkeit. Der injizierte pulverförmige Zusatzwerkstoff wird
mit der hohen Geschwindigkeit des Gasstrahls in die Ausnehmung des
Bauteils gespritzt. Da der Gasstrahl vorzugsweise Temperaturen unterhalb
der Schmelztemperatur des Zusatzwerkstoffes besitzt und bei Verwendung
von Aluminiumpulver und/oder Aluminiumlegierungspulver als Zusatzwerkstoff
auf höchstens
90° erwärmt wird,
gelangen die Pulverpartikel ungeschmolzen in die Ausnehmung des
einen Bauteils. Aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit, d.h. ihrer
hohen kinetischen Energie, verformen sich die Pulverpartikel beim
Auftreffen auf der Oberfläche
des zweiten Bauteils. Durch diesen Aufprall und eine stattfindende
Mikroreibung zwischen benachbarten Teilchen steigt die Temperatur
an der Berührungsfläche, und
führt zu
Mikroverschweißungen.
Diese Temperaturerhöhung
ist sehr lokal an der Berührungsstelle,
d.h. der Rückseite
des als Zierleiste fungierenden Bauteils und beeinträchtigt die
dekorative Oberfläche
nicht. Durch die hohe kinetische Energie zum Zeitpunkt des Aufpralls
der pulverförmigen
Partikel wird im Gegensatz zu bekannten thermischen Verfahren auch
ohne vorangehendes An- oder Aufschmelzen beim Aufprall der Partikel
eine dichte und festhaftende Verbindung mit dem Substrat, auf das die
Pulverpartikel auftreffen, gebildet. Die kinetische Energie der
Pulverpartikel reicht auch zum Zeitpunkt des Aufpralls für ein vollständiges Aufschmelzen
der Partikel nicht aus.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung wird der Gasstrahl erwärmt und die Pulverpartikel des
Zusatzwerkstoffes vor dem Injizieren oder während des Spritzvorganges teilweise
aufgeschmolzen, wobei der Aufschmelzgrad abhängig vom Werkstoff und der
Oberflächenbeschaffenheit
des als Zierteils vorgesehenen Bauteils zwischen 10% und 80% liegt. Als
Zusatzwerkstoff können
auch Partikel der Werkstoffe beider Bauteile eingesetzt werden,
soweit das Pulver-Gemisch aus beiden Werkstoffen zu einer festen
dauerhaften Verbindung führt.
Auch der Einsatz anderer Werkstoffe, die nicht mit den Bauteilen
artverwandt sind, ist möglich,
wenn die Verbindung dauerhaft fest ist und die eingesetzten Werkstoffe
ausreichend duktil für
diesen Beschichtungsvorgang sind. Eine breite Anwendung finden beispielsweise
Eisenpartikel bzw. Zinkpartikel.
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Als
Prozessgas für
den Gasstrahl wird vorzugsweise trockene Luft oder Stickstoff verwendet, so
dass keine Feuchtigkeit in die Nähe
der Verbindungsstelle gelangt, die insbesondere bei Verwendung Aluminiumlegierungspartikeln
und von Bauteilen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen zu Korrosionserscheinungen
führen
könnte.
Bei anderen Pulverpartikeln werden aus Gründen des Explosionsschutzes
bzw. um eine Oxidation zu verhindern Stickstoff oder Edelgase verwendet.
Ein solcher Gasstrahl kann ohne Pulverzufuhr auch zur Reinigung und
Trocknung der Verbindungsstelle vor dem Aufsprühen des Zusatzwerkstoffes verwendet
werden. Die Vorbehandlung kann neben einer Reinigung, die auch durch
ein anderes bekanntes mechanisches oder chemisches Verfahren erfolgen
kann, auch ein Aufrauhen der zu beschichtenden Oberflächen oder Oberflächenbereiche
eines oder beider Bauteile umfassen. So erzielt man mit einer Sandstrahlbehandlung,
einer Laserbearbeitung, einem Schleif- oder Bürst- oder Ätzvorgang Oberflächen an
der die durch Kaltgasspritzen aufgetragenen Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes
besser haften.
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Aufgrund
des stark fokussierbaren Spritzstrahls lassen sich die Pulverteilchen
des Zusatzwerkstoffes genau in die vorgesehene Ausnehmung einbringen.
Die Ausnehmung in dem einen Bauteil muss dabei so beschaffen sein,
dass der Spritzvorgang nicht beeinträchtigt wird, d.h. möglichst
viel Pulver in die Ausnehmung gelangt und zur Verbindungsbildung
führt.
Die Ausnehmung kann unterschiedliche Geometrien aufweisen. Sie kann
die Form einer kegeligen oder zylindrischen Bohrung aufweisen, wobei
diese Bohrung im Querschnitt kreisförmig, oval, wabenförmig oder
eine andere beliebige Gestalt aufweisen kann, wobei vorzugsweise
gerundete Ecken vorgesehen werden und die Ränder in den Eintritt der Bohrung
abgerundet sind, um Verwirbelungen des Pulverstrahls zu verhindern.
Als besonders vorteilhaft haben sich Ausnehmungen herausgestellt,
die eine vergleichsweise große
mittlere Breite bzw. einen vergleichsweise großen Durchmesser im Vergleich
zur Höhe
der Ausnehmung besitzen. Anstatt einer Ausnehmung in Form einer
Bohrung lassen sich auch Aussparungen am Bauteil bilden, die dann
vom Zusatzwerkstoff aufgefüllt
oder bedarfsweise überfüllt werden,
so dass der Zusatzwerkstoff eine Überwölbung der Ausnehmung oder Aussparung
bildet.
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Um
eine Verbindung bedarfsweise auch über eine längere Strecke wirksam werden
zu lassen, ist es nach einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung
vorgesehen, dass das eine Bauteil mehrere Ausnehmungen hinter- und/oder
nebeneinander zur Bildung mehrerer Verbindungsstellen mit dem anderen
Bauteil aufweist.
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In
jedem Anwendungsfall wird aufgrund der hohen Aufprallgeschwindigkeiten
der Pulverteilchen des Zusatzwerkstoffes eine gut haftende, dichte
Verbindung des Zusatzwerkstoffes mit dem zweiten Bauteil erzielt,
wobei dieses Bauteil eine dekorative Oberfläche aufweisen kann. Das erfindungsgemäße Verfahren
lässt beispielsweise
zu, dass ein Bauteil eine anodisierte und/oder eingefärbte Oberfläche aufweisen
kann. Die thermische Belastung sowohl der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes
als auch der zu verbindenden Bauteile ist sehr gering. Somit lassen
sich auch verschiedenartigste Zusatzwerkstoffe und Substrate miteinander
verbinden, wie z.B. Metalle, Keramiken oder auch Kunststoffe.
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Die
Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert und
zeichnerisch dargestellt. Es zeigen:
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1 den
Querschnitt einer Verbindung von Bauteilen aus unterschiedlichen
Werkstoffen,
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2 die
aus 1 ersichtliche Verbindung in einer Draufsicht
mit zwei hintereinander angeordneten Verbindungsstellen,
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3a die
vorbereiteten Bauteile im Querschnitt vor der Verbindungsbildung,
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3b die
Bauteile gemäß 3a nach
der Verbindungsbildung,
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Verbindung
im Querschnitt,
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5 die
aus 4 ersichtliche Verbindung in einer Draufsicht.
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Bei
dem aus 1 und 2 ersichtlichen Ausführungsbeispiel
einer Verbindung besteht das nur beispielsweise plattenförmig ausgebildete
Bauteil 10 aus einer Aluminiumlegierung. Dieses Bauteil 10 besitzt
auf der Vorderseite eine dekorative Oberfläche 20, insbesondere
eine anodisierte und eingefärbte
Oberfläche,
so dass dieses Bauteil 10 als Zierteil fungieren kann.
Das Bauteil 10 wird bereichsweise von einem plattenförmigen Bauteil 11 aus
Stahl übergriffen.
Dieses Bauteil 11 weist, wie aus 2 ersichtlich
ist, zwei hintereinander angeordnete Ausnehmungen 12 auf,
die bei diesem Ausführungsbeispiel
als kegelige Bohrung 13 ausgebildet sind. Ein Zusatzwerkstoff 14,
der im Wesentlichen aus gleichartigem Material wie das Bauteil 10 besteht,
ist durch Kaltgasspritzen in die Ausnehmung 12 eingebracht worden.
Aufgrund der hohen kinetischen Energie der Pulverteilchen des Zusatzwerkstoffes 14 kommt
es beim Aufprall der Pulverteilchen an der Oberfläche des
Bauteils 10 zu Mikroverschweißungen, die einen gering dimensionierten
Verschweißungsbereich 15 im
Bauteil 10 erzeugen. Der pulverförmig eingebrachte Zusatzwerkstoff 14 füllt die
kegelige Bohrung 13 vollständig aus, in diesem Fall bis
zur Oberfläche des
Bauteils 11. Durch die Mikroverschweißung der verformten Pulverpartikel
beim Kaltgasspritzen sind die Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes
gut haftend und dicht mit der Oberfläche des Bauteils 10 und
untereinander verbunden, so dass nach dem Kaltgasspritzen eine feste
Verbindung des Bauteils 11 aus Stahl mit dem Bauteil 10 aus
Aluminium erhalten wird.
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In
den 3a und b ist ein Bauteil 11 aus Stahl
mit einer Ausnehmung 12 in Form einer zylindrischen Bohrung 16 gezeigt
und ein Bauteil 10 aus Aluminium. In der 3a sind
die Bauteile 10 und 11 vor der Verbindungsbildung
dargestellt. Die Ausnehmung 12 hat eine Höhe H, die
geringer ist als die Breite B der Ausnehmung 12, wobei
die Breite B in diesem Fall den Durchmesser der zylindrischen Bohrung 16 darstellt.
Die oberen Ränder
der Ausnehmung 12 besitzen eine Abrundung 19,
so dass mögliche
Verwirbelungen an scharfen Kanten beim Kaltgasspritzen verhindert
werden. In der 3b ist die Verbindung der Bauteile 10 und 11 nach
dem Kaltgasspritzen gezeigt. Der pulverförmige Zusatzwerkstoff 14 ist
in die Ausnehmung 12, d.h. in die zylindrische Bohrung 16 eingebracht.
Durch die hohe kinetische Energie der Pulverteilchen des Zusatzwerkstoffes 14 beim
Kaltgasspritzen, kommt es beim Aufprall auf die Oberfläche 15' der Rückseite
des Bauteiles 10 und zu Mikroverschweißungen mit dem Werkstoff des
Bauteils 10, so dass sich ein in das Bauteil 10 hineinragender
Verschweißungsbereich 15 ergibt.
In diesem Fall ist die zylindrische Bohrung 16 mit dem Zusatzwerkstoff überfüllt, so
dass sich eine Überwölbung 17 bildet,
die nach dem Kaltgasspritzen eine nietartige Verbindung zwischen
dem aus Stahl bestehenden Bauteil 11 und dem aus Aluminium
bestehenden Bauteil 10 ergibt.
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Bei
dem aus den 4 und 5 ersichtlichem
Ausführungsbeispiel
befinden sich mehrere Ausnehmungen 12 hintereinander im
Randbereich des aus beispielsweise Stahl bestehenden Bauteils 11.
Diese Ausnehmungen 12 bilden Aussparungen 18,
die verschiedenartig gestaltet sein können. Der Zusatzwerkstoff 14 wird
in pulverförmiger
Form durch Kaltgasspritzen in die Aussparungen 18 eingebracht. Auch
in diesem Fall ergibt sich ein Verschweißungsbereich zwischen den hochbeschleunigten
Pulverpartikeln des Zusatzwerkstoffes 14 und der Oberfläche des
Bauteils 10, auf der diese Pulverteilchen auftreffen. Auch
bei diesem Spritzvorgang bildet der Zusatzwerkstoff 14 eine Überwölbung 17,
durch welche das Bauteil 11 in fester Verbindung mit dem
Bauteil 10 gehalten ist.
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Bei
den vorgenannten Beispielen wurden Aluminiumlegierungspartikel als
Zusatzwerkstoff verwendet, d.h. Pulverpartikel materialgleich mit
Bauteil 10. Generell kann jedoch eine Bauteilverbindung
zwischen einem Bauteil 10 und einem Bauteil 11 auch erzielt
werden, wenn Pulverpartikel eines anderen Werkstoffes, beispielsweise
des Werkstoffes vom Bauteil 11 oder Pulverpartikel von
beiden Werkstoffen oder ein zu den Werkstoffen der Bauteile 10, 11 artfremder
Werkstoff verwendet werden.
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Wie
bereits erwähnt,
geben die dargestellten und vorbeschriebenen Ausführungsformen
den Erfindungsgegenstand nur beispielsweise wieder, der keinesfalls
allein darauf beschränkt
ist. Es sind vielmehr noch mancherlei Änderungen und andere Ausgestaltungen,
insbesondere der Ausnehmung denkbar, soweit diese strömungsdynamisch
geschickt gestaltet sind, so dass der durch Kaltgasspritzen eingebrachte Zusatzwerkstoff
zu einer fest haftenden und dichten Verbindung zwischen den Bauteilen
führt.
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- 10
- Bauteil
- 11
- Bauteil
- 12
- Ausnehmung
- 13
- Bohrung,
kegelig
- 14
- Zusatzwerkstoff
- 15'
- Oberfläche der
Rückseite
von 10
- 15
- Verschweißungsbereich
- 16
- Bohrung,
zylindrisch
- 17
- Überwölbung
- 18
- Aussparung
- 19
- Abrundung
- 20
- Oberfläche der
Vorderseite von 10
- B
- mittlere
Breite von 12
- H
- Höhe von 12