DE102008037709B3

DE102008037709B3 - Verbindung zwischen einem Rohrprofil aus Stahl und einem Bauteil aus Aluminium

Info

Publication number: DE102008037709B3
Application number: DE102008037709A
Authority: DE
Inventors: Armin Zuber; Jürgen Krogmeier; Rudi Töws
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2008-08-14
Filing date: 2008-08-14
Publication date: 2009-12-17
Anticipated expiration: 2028-08-15
Also published as: IT1395235B1; FR2934965B1; FR2934965A1; US20100040408A1; ITRM20090434A1; US8221021B2

Abstract

Bei der Verbindung (1) zwischen einem Rohrprofil (2) aus Stahl und einem Bauteil (3) aus Aluminium ist ein Endabschnitt (4) des Rohrprofils (2) in eine Ausnehmung (6) des Bauteils (3) gesteckt und mit dem Bauteil (3) partiell dadurch verbunden, dass zwischen dem Endabschnitt (4) und dem Bauteil (3) wenigstens ein mit einem Aluminium aufweisenden Schweißzusatzwerkstoff (15) gefüllter Aufnahmeabschnitt (14) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbindung zwischen einem Rohrprofil aus Stahl und einem Bauteil aus Aluminium gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Verbindung zählt durch die DE 195 19 576 B4 zum Stand der Technik. Hierbei besitzt der in eine Ausnehmung eines buchsenartigen Bauteils mit radialem Abstand eingesteckte Endabschnitt des Rohrprofils zwei im axialen Abstand zueinander angeordnete kreisringförmige Stoßflächen, welche an entsprechend ausgebildete Gegenflächen am Bauteil gepresst und mittels Reibschweißen mit diesen Gegenflächen verbunden sind. Die stirnseitige Stoßfläche am Endabschnitt sowie die entsprechende Gegenfläche am Boden der Ausnehmung erstrecken sich senkrecht zur Längsachse des Rohrprofils. Im Abstand zu diesen Flächen befindet sich am Rohrprofil ein Radialkragen, an dem eine konische Stoßfläche ausgebildet ist, die dann an eine konische Gegenfläche stirnseitig der Buchse gepresst wird.
Der Erfindung liegt – ausgehend vom Stand der Technik – die Aufgabe zu Grunde, das Gewicht einer Verbindung zwischen einem Rohrprofil aus Stahl und einem Bauteil aus Aluminium zu reduzieren, wobei zusätzlich das Ziel einer einfacheren Fertigung angestrebt wird.
Die Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung in den Merkmalen des Anspruchs 1 gesehen.
Danach ist zwischen dem Endabschnitt des Rohrprofils aus Stahl und dem Bauteil aus Aluminium, insbesondere Aluminiumguss, wenigstens ein Aufnahmeabschnitt vorgesehen, der mit einem Schweißzusatzwerkstoff auf der Basis von Aluminium gefüllt ist.
Auf Grund der Schmelztemperatur des Werkstoffs Aluminium und der demgegenüber noch höheren Schmelztemperatur des Schweißzusatzwerkstoffs kommt es im Bereich des mit dem Schweißzusatzwerkstoff gefüllten Aufnahmeabschnitts zu einem Aufschmelzen des Aluminiums und damit zu einer exakten Schweißverbindung. Hingegen liegt die Schmelztemperatur des Schweißzusatzwerkstoffs unterhalb der Schmelztemperatur von Stahl. Folglich kommt es an der Grenze zwischen der Oberfläche des Rohrprofils und dem Schweißzusatzwerkstoff zu einem metallischen Hafteffekt unter Bildung einer intermetallischen Phase. Diese intermetallische Phase wird bevorzugt teilweise durch eine aus Zinn oder Zink bestehende Beschichtung des Rohrprofils gebildet. Damit entsteht eine metallische Haftverbindung zwischen dem Schweißzusatzwerkstoff und der Oberfläche des Rohrprofils.
Auf Grund des Ausfüllens des Aufnahmeabschnitts mit der Schmelze des Schweißzusatzwerkstoffs auf der Basis von Aluminium wird ein einwandfreier Formschluss zwischen dem Rohrprofil aus Stahl und dem Bauteil aus Aluminium, insbesondere Aluminiumguss, realisiert mit einem Einbrand am Bauteil und einem Löteffekt an der Oberfläche des Rohrprofils.
Die erfindungsgemäße partielle Verbindung kommt insbesondere dann zum Einsatz, wenn das Rohrprofil als Torsionselement einer Verbundlenkerhinterachse ausgebildet ist und der Bauteil Bestandteil eines Längsträgers dieser Verbundlenkerhinterachse bildet. Das stählerne Rohrprofil ist dann an beiden Enden mit einem Bauteil aus Aluminium, insbesondere Aluminiumguss, mittels eines Schweißzusatzwerkstoffs auf der Basis von Aluminium verbunden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Grundgedankens wird in den Merkmalen des Anspruchs 2 erblickt. Entsprechend diesem Vorschlag durchsetzt der Endabschnitt des Rohrprofils die Ausnehmung im Bauteil komplett, d. h. die Ausnehmung ist als Durchgangsbohrung im Bauteil ausgestaltet. An beiden Enden der Ausnehmung sind Aufnahmeabschnitte in Form von kreisringförmigen Aussparungen im Bauteil gebildet. Die Aussparungen haben einen insbesondere winkligen Querschnitt, so dass trotz der partiellen Verbindung zwischen dem Schweißzusatzwerkstoff in den Aufnahmeabschnitten und dem Bauteil große Schweißflächen im Bauteil gebildet werden. Der metallische Hafteffekt zwischen dem Schweißzusatzwerkstoff und der Oberfläche des Rohrprofils wird über die im Abstand zueinander liegenden Bereiche mit dem Schweißzusatzwerkstoff erzeugt.
Um den Widerlagereffekt zwischen dem Rohrprofil und dem Bauteil weiter zu erhöhen, ist nach Anspruch 3 der Endabschnitt des Rohrprofils oval ausgebildet. Entsprechend kann dann die Ausnehmung im Bauteil oval gestaltet sein.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht in den Merkmalen des Anspruchs 4. Demgemäß ist der Endabschnitt des Rohrprofils mit einem radial abstehenden Kragen versehen und mit diesem Kragen in eine Ringnute des Bauteils gesteckt. Der Aufnahmeabschnitt für den Schweißzusatzwerkstoff ist dann von der äußeren Oberfläche des Endabschnitts, der benachbarten Innenseite des Kragens und der dem Endabschnitt zugewandten inneren Oberfläche der Außenwand der Ringnute gebildet. Auf Grund der Ringnute im Bauteil greift ein Stutzen des Bauteils in den Endabschnitt hinein. Der Stutzen kann als Vollmaterial gestaltet oder mit einer Längsdurchbrechung versehen sein.
Nach den Merkmalen des Anspruchs 5 ist der Kragen im rechten Winkel abgekantet und die Ringnute weist dementsprechend auch einen rechteckigen Querschnitt auf.
Gemäß Anspruch 6 kann der Kragen aber auch diffusorartig aufgebördelt sein. Hierbei kann die Innenfläche des diffusorartig aufgebördelten Kragens an einer entsprechend gestalteten Gegenfläche der Ringnute im Bauteil anliegen. Es ist aber auch vorstellbar, dass sich das Stirnende des Kragens lediglich in einer winkelförmigen Ringnute abstützt, wobei der Bauteil bevorzugt hohl ausgebildet ist.
Letztlich kann es zur besseren Verbindung zwischen dem Schweißzusatzwerkstoff und dem Rohrprofil gemäß Anspruch 7 zweckmäßig sein, dass in der äußeren Oberfläche des Endabschnitts des Rohrprofils im Bereich des Aufnahmeabschnitts mindestens eine Mulde vorgesehen ist. Bevorzugt sind mehrere Mulden auf dem Umfang verteilt angeordnet. Hierdurch wird die Kontaktfläche zwischen dem Endabschnitt des Rohrprofils und dem Schweißzusatzwerkstoff im Hinblick auf den angestrebten metallischen Hafteffekt vergrößert.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Verbindung zwischen einem Rohrprofil aus Stahl und einem Bauteil aus Aluminium, teilweise im Längsschnitt;
2 den Ausschnitt II der 1 in vergrößertem Maßstab;
3 im vertikalen Längsschnitt eine weitere Ausführungsform einer Verbindung zwischen einem Rohrprofil aus Stahl und einem Bauteil aus Aluminium;
4 im vertikalen Längsschnitt eine dritte Ausführungsform einer Verbindung zwischen einem Rohrprofil aus Stahl und einem Bauteil aus Aluminium;
5 im vertikalen Längsschnitt eine vierte Ausführungsform einer Verbindung zwischen einem Rohrprofil aus Stahl und einem Bauteil aus Aluminium und
6 in vergrößerter Darstellung den Ausschnitt VI der 2 und 5.
Mit 1 ist in der 1 eine Verbindung zwischen einem Rohrprofil 2 aus Stahl und einem Bauteil 3 aus Aluminium bezeichnet. Das Rohrprofil 2 bildet hierbei in bevorzugter Weise das Torsionsprofil einer ansonsten nicht näher veranschaulichten Verbundlenkerhinterachse für ein Kraftfahrzeug, während der Bauteil 3 Bestandteil eines aus Aluminiumguss hergestellten Längsträgers dieser Verbundlenkerhinterachse ist. An beiden Enden des Rohrprofils 2 ist dieses mit einem Bauteil 3, wie dargestellt, verbunden.
Wie aus der im vergrößerten Maßstab veranschaulichten 2 hervorgeht, ist jeder Endabschnitt 4 des Rohrprofils 2 mit einem im rechten Winkel abgekanteten radialen Kragen 5 versehen. Der Kragen 5 ist in eine Ringnute 6 des teilweise hohl profilierten Bauteils 3 bis zum Anschlag am Boden 7 der Ringnute 6 eingesteckt. Der Kragen 5 wird von einer Außenwand 8 der Ringnute 6 übergriffen, während in den Endabschnitt 4 ein mit einer Bohrung 9 versehener Stutzen 10 eingreift.
Von der äußeren Oberfläche 11 des Endabschnitts 4 des Rohrprofils 2, der benachbarten Innenseite 12 des Kragens 5 und der dem Endabschnitt 4 zugewandten inneren Oberfläche 13 der Außenwand 8 der Ringnute 6 wird ein Aufnahmeabschnitt 14 gebildet, der mit einem Schweißzusatzwerkstoff 15 auf der Basis von Aluminium gefüllt ist. Auf Grund der Schmelztemperaturen des Schweißzusatzwerkstoffs 15, des Bauteils 3 aus Aluminium und des Rohrprofils 2 aus Stahl erfolgt an der Kontaktfläche zwischen dem Schweißzusatzwerkstoff 15 und dem Bauteil 3 eine innige Verschmelzung, während zwischen dem Schweißzusatzwerkstoff 15 und der Oberfläche 11 des Rohrprofils 2 sowie der Innenseite 12 des Kragens 5 ein Löteffekt bewirkt wird. Von Bedeutung hierbei ist, dass die Oberfläche 11 des Endabschnitts 4 und auch die Innenseite 12 des Kragens 5 mit einer in der Zeichnung nicht veranschaulichten metallischen Beschichtung, bevorzugt auf der Basis von Zinn oder Zink, versehen sind, so dass auf der Oberfläche 11 und der Innenseite 12 eine intermetallische Phase gebildet wird, die einen metallischen Hafteffekt mit dem Schweißzusatzwerkstoff 15 ermöglicht und dadurch eine ausreichend stabile Fügeverbindung zum Rohrprofil 2 hin bewirkt.
Der Endabschnitt 4 des Rohrprofils 2 kann kreisrund oder auch oval ausgebildet sein. Entsprechend ist die Ringnute 6 angepasst.
In der 3 ist eine Verbindung 1a zwischen einem Rohrprofil 2a aus Stahl und einem Bauteil 3a aus Aluminium, vorzugsweise Aluminiumguss, dargestellt, bei welcher ein am Endabschnitt 4a des Rohrprofils 2a angeformter Kragen 5a diffusorartig aufgebördelt ist. Das Stirnende 16 des Kragens 5a fasst in eine winkelförmige Ringnute 6a in dem Bauteil 3a. Der Bauteil 3a ist mit einer Durchgangsbohrung 17 versehen. Zwischen der äußeren Oberfläche 11a des Endabschnitts 4a, der Außenseite 18 des Kragens 5a und der Innenseite 19 der Ringnute 6a ist ein Aufnahmeabschnitt 14a zur Befüllung mit einem Schweißzusatzwerkstoff 15 auf der Basis von Aluminium vorgesehen. Diese Verbindung 1a bewirkt wieder eine Verschweißung zwischen dem Bauteil 3a und dem Schweißzusatzwerkstoff 15 sowie einen metallischen Hafteffekt zwischen dem Schweißzusatzwerkstoff 15, der Oberfläche 11a des Endabschnitts 4a des Rohrprofils 2a sowie der Außenseite 18 des Kragens 5a.
Die in der 4 gezeigte Verbindung 1b zwischen einem Rohrprofil 2b aus Stahl und einem Bauteil 3b aus Aluminium, bevorzugt Aluminiumguss, entspricht weitgehend derjenigen der 3. Ein Unterschied besteht lediglich darin, dass der Bauteil 3b kompakt ausgebildet ist, wobei sich der diffusorartig aufgebördelte Kragen 5b am Endabschnitt 4b des Rohrprofils 2b an einer entsprechend gestalteten Innenwand 20 einer Ringnute 6b im Bauteil 3b anlegt. Zwischen der äußeren Oberfläche 21 des Kragens 5b, einem Stutzen 22 des Bauteils 3b und der radial äußeren Innenseite 23 der Ringnute 6b wird ein Aufnahmeabschnitt 14b für einen Schweißzusatzwerkstoff 15 auf der Basis von Aluminium gebildet. Der Schweißzusatzwerkstoff 15 geht mit dem Werkstoff des Bauteils 3b eine innige Schmelzverbindung ein, während zum Rohrprofil 3b hin ein metallischer Hafteffekt dank einer äußeren Beschichtung aus insbesondere Zinn oder Zink vorhanden ist.
Die in der 5 dargestellte Verbindung 1c zwischen einem Rohrprofil 2c aus Stahl und einem Bauteil 3c aus Aluminium, bevorzugt Aluminiumguss, lässt erkennen, dass der Endabschnitt 4c des Rohrprofils 2c eine Ausnehmung 24 im Bauteil 3c komplett durchsetzt. Das heißt, ein Bereich 25 des Endabschnitts 4c steht über den Bauteil 3c vor. Die Ausnehmung 24 ist an den Querschnitt des Endabschnitts 4c angepasst (rund oder oval). An beiden Enden der Ausnehmung 24 sind winklige Aufnahmeabschnitte 14c in Form von kreisringförmigen Aussparungen gebildet. Diese dienen der Befüllung mit einem Schweißzusatzwerkstoff 15 auf der Basis von Aluminium. Auch bei dieser Ausführungsform ist die Oberfläche 11c des Endabschnitts 4c mit einer Zinn oder Zink enthaltenden Beschichtung versehen. Der Schweißzusatzwerkstoff 15 geht mit dem Bauteil 3c eine innige Schmelzverbindung ein, während über eine intermetallische Phase auf dem Endabschnitt 4c ein metallischer Hafteffekt bewirkt wird.
Aus den 2, 5 und 6 ist noch zu erkennen, dass zur Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen dem Schweißzusatzwerkstoff 15 und dem Rohrprofil 2, 2c in der äußeren Oberfläche 11, 11c des Endabschnitts 4, 4c des Rohrprofils 2, 2c im Bereich der Aufnahmeabschnitte 14, 14c mindestens eine Mulde 26 (Sicke) vorgesehen ist. Es können mehrere Mulden 26 auf dem Umfang verteilt vorgesehen sein. Auf diese Weise kann der metallische Hafteffekt zwischen dem Schweißzusatzwerkstoff 15 und dem Endabschnitt 4, 4c des Rohrprofils 2, 2c vergrößert werden.
Mulden 26 können auch bei den Verbindungen 1a und 1b im Bereich der Aufnahmeabschnitte 14a, 14b vorgesehen sein.

1: Verbindung
1a: Verbindung
1b: Verbindung
1c: Verbindung
2: Rohrprofil
2a: Rohrprofil
2b: Rohrprofil
2c: Rohrprofil
3: Bauteil
3a: Bauteil
3b: Bauteil
3c: Bauteil
4: Endabschnitt v. 2
4a: Endabschnitt v. 2a
4b: Endabschnitt v. 2b
4c: Endabschnitt v. 2c
5: Kragen an 4
5a: Kragen an 4a
5b: Kragen an 4b
5c: Kragen an 4c
6: Ringnute in 3
6a: Ringnute in 3a
6b: Ringnute in 3b
6c: Ringnute in 3c
7: Boden v. 6
8: Außenwand v. 6
9: Bohrung in 10
10: Stutzen an 3
11: Oberfläche v. 4
11a: Oberfläche v. 4a
11b: Oberfläche v. 4b
11c: Oberfläche v. 4c
12: Innenseite v. 5
13: Innere Oberfläche v. 8
14: Aufnahmeabschnitt
14a: Aufnahmeabschnitt
14b: Aufnahmeabschnitt
14c: Aufnahmeabschnitt
15: Schweißzusatzwerkstoff
16: Stirnende v. 5a
17: Durchgangsbohrung in 3a
18: Außenseite v. 5a
19: Innenseite v. 6a
20: Innenwand v. 6b
21: Oberfläche v. 5b
22: Stutzen an 3b
23: Innenseite v. 6b
24: Ausnehmung in 3c
25: Bereich v. 4c
26: Mulde in 4, 4c

Claims

Verbindung zwischen einem Rohrprofil (2, 2a–c) aus Stahl und einem Bauteil (3, 3a–c) aus Aluminium, bei welcher ein Endabschnitt (4, 4a–c) des Rohrprofils (2, 2a–c) in eine Ausnehmung (6, 6a, 6b, 24) des Bauteils (3, 3a–c) gesteckt und mit dem Bauteil (3, 3a–c) partiell verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Endabschnitt (4, 4a–c) des Rohrprofils (2, 2a–c) und dem Bauteil (3, 3a–c) wenigstens ein mit einem Aluminium als Basismaterial aufweisenden Schweißzusatzwerkstoff (15) gefüllter Aufnahmeabschnitt (14, 14a–c) vorgesehen ist.
Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Endabschnitt (4c) des Rohrprofils (2c) die Ausnehmung (24) im Bauteil (3c) komplett durchsetzt und an beiden Enden der Ausnehmung (24) Aufnahmeabschnitte (14c) in Form von kreisringförmigen Aussparungen vorgesehen sind.
Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Endabschnitt (4c) des Rohrprofils (2c) oval ausgebildet ist.
Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Endabschnitt (4, 4a, 4b) des Rohrprofils (2, 2a, 2b) mit einem radial abstehenden Kragen (5, 5a, 5b) versehen und in eine Ringnute (6, 6a, 6b) des Bauteils (3, 3a, 3b) gesteckt ist, wobei der Aufnahmeabschnitt (14, 14a–c) von der äußeren Oberfläche (11, 11a, 11b) des Endabschnitts (4, 4a, 4b), der benachbarten Seite (12, 18, 21) des Kragens (5, 5a, 5b) und der dem Endabschnitt (4, 4a, 4b) zugewandten inneren Oberfläche (13, 19, 23) der Ringnute (6, 6a, 6b) gebildet ist.
Verbindung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (5) im rechten Winkel abgekantet ist und die Ringnute (6) einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
Verbindung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet dass der Kragen (5a, 5b) diffusorartig aufgebördelt ist.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der äußeren Oberfläche (11, 11a–c) des Endabschnitts (4, 4a–c) des Rohrprofils (2, 2a–c) im Bereich eines Aufnahmeabschnitts (14, 14a–c) mindestens eine Mulde (26) vorgesehen ist.