DE102007060116B4

DE102007060116B4 - Verfahren zum Herstellen einer Rohrverbindung und Rohrverbindung

Info

Publication number: DE102007060116B4
Application number: DE102007060116A
Authority: DE
Inventors: Armin Zuber; Michael Dr. Wibbeke; Simon Potthast
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2007-12-13
Filing date: 2007-12-13
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2027-12-14
Also published as: FR2924964B1; JP5305877B2; US8002167B2; IT1392137B1; FR2924964A1; US20090152865A1; ITGE20080099A1; DE102007060116A1; JP2009142895A

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Rohrverbindung (1) mit einem Rohr und (2, 2') und einem Bauteil (3) aus einem Gusswerkstoff, mit den folgenden Schritten:
– Aufweiten eines endseitigen Abschnittes (4, 4') des Rohres (2, 2');
– Anordnen des Bauteils (3) aus Gusswerkstoff an dem aufgeweiteten Abschnitt (4, 4') des Rohrs (2, 2'), und
– Verschweißen des Bauteils (3) aus Gusswerkstoff derart, dass der aufgeweitete Abschnitt (4, 4') des Rohres (2, 2') zumindest teilweise formschlüssig eingeschlossen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Rohrverbindung mit einem Rohr und einem Bauteil aus Gusswerkstoff sowie eine entsprechende Rohrverbindung.
Zum Verbinden von Bauteilen aus Stahl und Gusswerkstoff werden einerseits kalte Fügeverfahren eingesetzt, insbesondere werden die Bauteile durch Nieten oder Schrauben miteinander verbunden. Die Festigkeit solcher Verbindungen ist jedoch aufgrund ihrer punktuellen Kraftübertragung begrenzt.
Bei Schmelzschweißverfahren, wie beispielsweise dem MIG-Schweißen besteht das Problem, dass wegen der stark differenzierenden Schmelzpunkte der beiden Metalle Stahl und Gusswerkstoff ein Verschweißen kaum möglich ist. Als thermische Verfahren werden daher Schweißlöt-Prozesse eingesetzt, bei denen lediglich der Gusswerkstoff geschmolzen wird und dadurch ein verzinktes Stahlblech durch das Schweißgut benetzt wird. Durch das Verzinken des Stahlbleches können die intermetallischen Phasen auf ein geringes Maß reduziert werden. Allerdings weisen diese stoffschlüssigen Verbindungen nur eine geringe Festigkeit auf.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Rohrverbindung und eine Rohrverbindung zu schaffen, bei dem ein Rohr mit einem Bauteil aus Gusswerkstoff mittels Verschweißen verbunden wird und die Verbindung eine hohe Festigkeit besitzt, wobei auch nicht miteinander verschweißbare Materialpaarungen aneinander festgelegt werden können.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit dem Merkmal des Anspruchs 1 sowie eine Rohrverbindung mit dem Merkmal des Anspruches 8 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein endseitiger Abschnitt des Rohres aufgeweitet und das Bauteil aus Gusswerkstoff an dem aufgeweiteten Abschnitt des Rohres angeordnet. Anschließend wird das Bauteil aus Gusswerkstoff derart verschweißt, dass der aufgeweitete Abschnitt des Rohres zumindest teilweise formschlüssig eingeschlossen ist. Dadurch wird erreicht, dass der aufgeweitete Abschnitt des Rohres durch das Schweißgut hintergriffen wird und somit eine feste Verbindung sowohl in radiale Richtung des Rohres als auch in axiale Richtung gewährleistet ist. Durch das formschlüssige Einschließen des aufgeweiteten Abschnittes des Rohres können sowohl verzinkte als auch nicht verzinkte Rohre eingesetzt werden.
Für eine besonders stabile Rohrverbindung kann beim Verschweißen des Bauteils aus Gusswerkstoff der aufgeweitete Abschnitt ringförmig durch eine Schweißnaht eingeschlossen werden.
Um den endseitigen Abschnitt des Rohres radial nach außen aufzuweiten, kann dieser aufgebördelt oder aufgetulpt werden. Das Aufweiten muss soweit erfolgen, dass der aufgeweitete Abschnitt hintergriffen werden kann.
Vorzugsweise wird das Rohr mit dem endseitig aufgeweiteten Abschnitt gegen einen Anschlag an dem Bauteil aus Gusswerkstoff gedrückt und ein Ring um den endseitigen Abschnitt des Bauteils aus Gusswerkstoff wird dann verschweißt, um eine formschlüssige Verbindung herzustellen. Dabei ist die so hergestellte Rohrverbindung sowohl auf Zug und Druck in axiale Richtung als auch auf Biegung belastbar.
Zur Erhöhung der Drehfestigkeit der Verbindung können an dem aufgeweiteten Abschnitt des Rohres vor dem Verschweißen ein oder mehrere Ausnehmungen vorgesehen werden. Diese Ausnehmungen oder Öffnungen werden dann mit Schweißgut und/oder Vorsprünge des Bauteils aus Gusswerkstoff aufgefüllt und sorgen für eine stabile Verbindung auch in Drehrichtung. Statt den Ausnehmungen kann das Rohr im Bereich der Schweißnaht auch mit einer Profilierung, beispielsweise Vertiefungen, Sicken, Hinterschneidungen etc. versehen sein, damit das Schweißgut in die profilierten Bereiche fließt. Alternativ ist es möglich, den aufgeweiteten Abschnitt im Querschnitt oval auszuformen, so dass dadurch die Drehfestigkeit erhöht wird.
Die erfindungsgemäße Rohrverbindung weist ein Rohr mit endseitig radial nach außen hervorstehendem aufgeweitetem Abschnitt auf, der zumindest teilweise formschlüssig von dem Bauteil aus Gusswerkstoff eingeschlossen ist. Dadurch wird eine feste Rohrverbindung hergestellt, die insbesondere auch zur Herstellung von Achsen oder Achskomponenten im Fahrzeugbau eingesetzt werden kann. Denn solche Hybridverbindungen aus Rohr, insbesondere einem Stahlrohr, und einem Bauteil aus Gusswerkstoff, wie einem Leichtmetall, insbesondere Aluminium, können zur Reduzierung des Gewichtes anstelle einer Verbindung von Stahlbauteilen eingesetzt werden.
Vorzugsweise ist zum Einschließen des aufgeweiteten Abschnittes des Rohres eine stoffschlüssig mit dem Bauteil aus Gusswerkstoff verbundene Schweißnaht vorgesehen. Für eine besonders gute Festigkeit kann die Schweißnaht mehrlagig aufgebaut sein.
Für eine Sicherung der Rohrverbindung auch bei Belastung in radiale Richtung des Rohres kann an dem Bauteil aus Gusswerkstoff eine Aufnahme zum Einfügen des aufgeweiteten Abschnittes ausgebildet sein, die den aufgeweiteten Abschnitt in radiale Richtung zumindest bereichsweise umgibt. Dadurch wird an dem Gussteil eine Stufe ausgebildet, die zur Kraftabtragung eingesetzt werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Rohrverbindung;
2 eine geschnittene Ansicht der Rohrverbindung der 1;
3 eine geschnittene Draufsicht auf die Rohrverbindung der 1;
4 eine geschnittene Ansicht einer modifizierten Ausführungsform einer Rohrverbindung;
5 eine geschnittene Ansicht einer weiteren modifizierten Ausführungsform einer Rohrverbindung;
6 eine geschnittene Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Rohrverbindung; und
7A, 7B zwei Ansichten einer erfindungsgemäßen Rohrverbindung mit profiliertem Rohr.
Eine Rohrverbindung 1 umfasst ein Rohr 2, an dem ein Bauteil 3 aus einem Gusswerkstoff, vorzugsweise aus Aluminium festgelegt ist. Als Gusswerkstoff eignen sich insbesondere Leichtmetalle, wobei neben Aluminium auch Magnesiumlegierungen oder Stahlguss eingesetzt werden kann. Das Rohr 2 besteht vorzugsweise aus Stahl, kann aber auch aus anderen Metallen hergestellt sein.
Nachfolgend wird jeweils nur eine Verbindung zwischen einem Rohr 2 und einem Bauteil 3 aus einem Gusswerkstoff gezeigt. Es ist natürlich möglich, an dem Bauteil 3 aus Gusswerkstoff mehrere Rohre 2 zu befestigen und dadurch einen Verbindungsknoten herzustellen.
Das Rohr 2 umfasst endseitig einen aufgeweiteten Abschnitt 4, der radial nach außen hervorsteht und an einem axialen Anschlag 5 des Bauteils 3 anliegt. Der endseitig angeordnete aufgeweitete Abschnitt 4 ist dabei von einem Ring 6 des Bauteils 3 umgeben und an der Außenseite durch ein Schweißgut 7 eingeschlossen.
Das Schweißgut 7 kann durch Verschweißen des Bauteils 3 eingebracht werden, beispielsweise mittels MIG-Schweißen.
Über den aufgeweiteten Abschnitt 4 ist das Rohr 2 formschlüssig mit dem Bauteil 3 aus Aluminium verbunden, wobei der Abschnitt 4 einerseits an einem Anschlag 5 und andererseits an dem Schweißgut 7 anliegt. In axiale Richtung ist die Rohrverbindung 1 daher sowohl auf Zug als auch auf Druck belastbar.
In 2 ist das Rohr 2 im Schnitt dargestellt, das endseitig einen aufgetulpten Abschnitt 4 umfasst, der bei dem zylindrischen Rohr über einen Bogen 9 nach außen gekrümmt ist. Der Bogen 9 ist an der Innenseite über einen Stutzen 10 des Bauteils 3 abgestützt, der auch in einen zylindrischen Bereich des Rohres 2 eingreift. Dadurch wird eine besonders feste Verbindung erhalten. Es ist auch möglich, den Stutzen 10 kürzer auszubilden, wie dies mit der gestrichelten Linie 8 angedeutet ist. Der Stutzen 10 kann zur Gewichtseinsparung innen auch hohl ausgebildet sein.
In 3 ist der aufgeweitete Abschnitt 4 des Rohres 2 gezeigt, an dem über den Umfang verteilt mehrere Ausnehmungen 11 vorgesehen sind. Die Ausnehmungen 11 sind mit Schweißgut 7 ausgefüllt, so dass eine drehfeste Verbindung zwischen dem Rohr 2 und dem Bauteil 3 hergestellt wird. Die Ausnehmungen 11 sind am Umfang des aufgeweiteten Abschnittes 4 angeordnet, wobei es auch möglich ist, die Ausnehmungen als Öffnungen innerhalb des Abschnittes 4 vorzusehen, beispielsweise im Bereich des Bogens 9. Dabei kann das Bauteil 3 aus Gusswerkstoff auch ein oder mehrere Vorsprünge aufweisen, die in entsprechende Öffnungen oder Ausnehmungen an dem aufgeweiteten Abschnitt 4 oder dem Bogen 9 eingreifen.
In 4 ist eine modifizierte Ausführungsform einer Rohrverbindung gezeigt, bei der ein Rohr 2' eingesetzt wird, das einen endseitigen Abschnitt 4' aufweist, der durch Umbördeln hergestellt ist und radial hervorsteht. Dadurch ist statt dem Bogen eine Kante 9' als Übergang zwischen dem Rohr 2' und dem Abschnitt 4' ausgebildet. Im übrigen ist die Verbindung zu dem Bauteil 3 aus Gusswerkstoff wie bei dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel ausgebildet, wobei der Ab schnitt 4' an einer Seite an dem Anschlag 5 des Bauteils 3 aus Aluminium anliegt und an der gegenüberliegenden Seite von Schweißgut 7 umgeben ist. Dadurch ist das Rohr 2' sowohl in axiale Richtung als auch in radiale Richtung fest mit dem Bauteil 3 aus Aluminium verbunden. Das Schweißgut 7 ist an der radial außen liegende Seite durch einen Ring 6 des Bauteils 3 umgeben. Der Übergang zwischen dem Schweißgut 7 und dem Rohr 2' ist so ausgebildet, dass das Schweißgut 7 an das Rohr 2' anläuft, also benachbart zu dem Rohr 2' ein Bogen ausgebildet ist, der sich radial nach innen in eine Richtung weg von dem aufgeweiteten Abschnitt 4' erstreckt. Dies vermeidet einen Spalt zwischen Schweißgut 7 und Rohr 2', in dem sich später Feuchtigkeit ansammeln kann.
In 5 ist ein Ausführungsbeispiel einer Rohrverbindung gezeigt, bei der an dem Bauteil 3 aus Gusswerkstoff eine Aufnahme für das Schweißgut 7 sowie den aufgeweiteten Abschnitt 4 des Rohres 2 ausgebildet ist. Die Aufnahme umfasst ausgehend von einem Ring 30 eine Vertiefung mit einem radial nach innen verlaufenden Bogen 31, der gekrümmt ausgebildet ist und sich bis zu einer Stufe 32 erstreckt. Benachbart zu der Stufe 32 ist ein weiterer bogenförmiger Abschnitt 33 ausgebildet, der an einem inneren Bogen des aufgeweiteten Abschnittes 4 anliegt. Die Aufnahme erstreckt sich bis zu einem Ende eines Stutzens 34, der als Vollprofil oder Hohlprofil teilweise in das Rohr 2 eingefügt ist. Die Stufe 32 bewirkt dabei, dass der aufgeweitete Abschnitt 4 mit einer Stirnseite 40 teilweise an der Stufe 32 und an dem Bauteil 3 anliegt. Dadurch können radiale Kräfte direkt auf das Bauteil 3 abgetragen werden.
Ferner ist die von dem Ring 30 umgebene Aufnahme mit Schweißgut 7 ausgefüllt, das mehrlagig ausgebildet ist und Schweißgut 70 von einer ersten Verschweißung und Schweißgut 71 einer nachfolgenden Verschweißung umfasst. Dadurch werden Wärmespannungen durch das Verschweißen vermindert. Ein Übergang 72 zwischen dem Schweißgut 7 und dem Rohr 2 ist zumindest rechtwinklig ausgebildet, wobei das Schweißgut 7 auch leicht nach oben an das Rohr 2 anlaufen kann, um Spalte an dem Übergang 72 zu vermeiden.
In 6 ist eine Rohrverbindung mit einem Rohr 2 und einem Bauteil 3 aus Gusswerkstoff gezeigt, bei der zwischen einem endseitigen aufgeweiteten Ab schnitt 4 des Rohres 2 und dem Bauteil 3 aus Gusswerkstoff 2 bei niedrigen Temperaturen schmelzende Lotringe 20 und 21 vorgesehen sind. Ein erster Lotring 20 ist dabei am Ende des aufgeweiteten Abschnittes 4 vorgesehen und ein zweiter Lotring 21 ist an dem Übergang zwischen dem aufgeweiteten Abschnitt 4 und dem zylindrischen Abschnitt des Rohres 2 angeordnet. Durch die bei niedrigen Temperaturen schmelzenden Lotringe 20 und 21 wird die Verbindung zwischen dem Gussteil 3 und dem Rohr 2 verstärkt und gegebenenfalls einem Korrosionsangriff in diesem Gereicht entgegengewirkt.
In 7A und 7B ist eine Ausführungsform einer Rohrverbindung zwischen einem Rohr 2' und einem Bauteil 3 aus Gusswerkstoff gezeigt, bei dem zur Erhöhung der Drehfestigkeit in das Rohr 2' ein oder mehrere Profilierungen 22 eingebracht sind. Diese Profilierungen 22 sind als radiale Einkerbungen oder als ringförmige Vertiefung ausgebildet und dienen dazu, dass in die Profilierungen 22 Schweißgut 7 beim Verschweißen einströmen kann, was die Drehfestigkeit erhöht. Solche Profilierungen 22 können auch in Verbindung mit den Ausnehmungen 11 an dem Rohr 2 bzw. 2' vorgesehen werden.
Zur Herstellung der Drehfestigkeit sind bei den gezeigten Ausführungsbeispielen an dem aufgeweiteten Abschnitt 4 bzw. 4' Ausnehmungen 11 vorgesehen. Es ist auch möglich, eine drehfeste Verbindung dadurch zu erhalten, dass der aufgeweitete Abschnitt eine von der Kreisform abweichende Kontur erhält, insbesondere oval ausgeformt wird, so dass eine Verdrehung des Rohres 2 relativ zu dem Bauteil 3 aus Aluminium vermieden wird.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Rohrverbindung (1) mit einem Rohr und (2, 2') und einem Bauteil (3) aus einem Gusswerkstoff, mit den folgenden Schritten: – Aufweiten eines endseitigen Abschnittes (4, 4') des Rohres (2, 2'); – Anordnen des Bauteils (3) aus Gusswerkstoff an dem aufgeweiteten Abschnitt (4, 4') des Rohrs (2, 2'), und – Verschweißen des Bauteils (3) aus Gusswerkstoff derart, dass der aufgeweitete Abschnitt (4, 4') des Rohres (2, 2') zumindest teilweise formschlüssig eingeschlossen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gegenzeichnet, dass beim Verschweißen des Bauteils (3) aus Gusswerkstoff der aufgeweitete Abschnitt (4, 4') ringförmig eingeschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufweiten des endseitigen Abschnittes (4, 4') des Rohres (2, 2') durch Aufbördeln oder Auftulpen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (2, 2') mit dem aufgeweiteten endseitigen Abschnitt (4, 4') gegen einen Anschlag (5) an dem Bauteil (3) aus Gusswerkstoff gedrückt wird und ein Ring (6) um den endseitigen Abschnitt (4, 4') des Bauteils (3) aus Gusswerkstoff in ein oder mehreren Schritten verschweißt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an dem aufgeweiteten Abschnitt (4, 4') des Rohres (2, 2') vor dem Verschweißen ein oder mehrere Ausnehmungen (11) und/oder Profilierungen (22) vorgesehen werden.
Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Lötring (20, 21) zwischen dem Rohr (2, 2') und dem Bauteil (3) aus Gusswerkstoff vor dem Verschweißen angeordnet wird.
Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der aufgeweitete Abschnitt im Querschnitt oval ausgeformt wird.
Rohrverbindung (1), insbesondere für eine Achse, mit einem Rohr (2, 2'), das endseitig mit einem Bauteil (3) aus Gusswerkstoff verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (2, 2') endseitig einen radialen nach außen hervorstehenden aufgeweiteten Abschnitt (4, 4') aufweist, der zumindest teilweise formschlüssig in das Bauteil (3) aus Gusswerkstoff eingeschlossen ist.
Rohrverbindung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der aufgeweitete Abschnitt (4, 4') des Rohres (2, 2') ringförmig von dem Bauteil (3) aus Gusswerkstoff umgeben ist.
Rohrverbindung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass an dem aufgeweiteten Abschnitt (4, 4') des Rohres (2, 2') ein oder mehrere Ausnehmungen (11) und/oder Profilierungen (22) vorgesehen sind, die mit Gusswerkstoff ausgefüllt sind.
Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (3) aus Gusswerkstoff aus einer Leichtmetalllegierung, vorzugsweise aus Aluminium, besteht.
Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (2, 2') als Stahlrohr ausgebildet ist.
Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einschließen des aufgeweiteten Abschnittes (4, 4') des Rohres (2, 2') eine stoffschlüssig mit dem Bauteil (3) aus Gusswerkstoff verbundene Schweißnaht (7) vorgesehen ist.
Rohrverbindung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht (7) mehrlagig aufgebaut ist.
Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Bauteil (3) aus Gusswerkstoff eine Aufnahme zum Einfügen des aufgeweiteten Abschnittes (4, 4') ausgebildet ist, die den aufgeweiteten Abschnitt an einer Stirnseite (40) in radiale Richtung zumindest bereichsweise umgibt.