DE102008042623A1 - Element i.e. valve needle, producing method for internal combustion engine, involves arranging surfaces of components to be in contact with each other, and interconnecting surfaces within contact area by laser irradiation - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention is based on a method according to the preamble of Claim 1.
Solche
Verfahren sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Bauelements und das erfindungsgemäße Bauelement haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass in einer vergleichsweise einfachen und kostengünstigen Art und Weise eine Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil hergestellt wird, wobei kein zusätzliches Bauelement zur Erzeugung der Verbindung hergestellt werden muss. Darüberhinaus wird der Montageaufwand deutlich reduziert, da zur Erzielung einer dauerhaft festen Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil, das erste und das zweite Bauteil nicht in zusätzlichen Montageschritten in ein Gehäuse integriert werden müssen. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren erste und zweite Bauteile in beliebigen Formen, d. h. insbesondere endbearbeitete erste und zweite Bauteile, kostengünstig miteinander verbindbar sind. Dies wird dadurch erreicht, dass durch die Lasereinstrahlung in den Kontaktbereich eine stoffschlüssige, kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Verbindungsfläche selbst erzeugt wird und somit eine mechanisch feste Verbindung unmittelbar zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil entsteht. So wird durch die Nutzung der insbesondere kontrollierten Lasereinstrahlung zum Aufbringen einer definierten lokalen Energie in den Kontaktbereich das erste Verbindungsteil vorzugsweise auf eine Sintertemperatur des keramischen Materials, wobei die Lasereinstrahlung auf das erste Bauteil, das zweite Bauteil und/oder den Kontaktbereich erfolgt.The inventive method for producing a Component and the device according to the invention have the advantage over the prior art that in a comparatively simple and inexpensive way Way a connection between the first and the second component is produced, with no additional component for Generation of the connection must be established. Furthermore the assembly cost is significantly reduced because to achieve a permanently fixed connection between the first and the second component, the first and the second component not in additional Assembly steps must be integrated into a housing. Another advantage is that by the invention Method first and second components in any shape, d. H. in particular finished first and second components, inexpensive can be connected to each other. This is achieved by that the laser irradiation in the contact area a cohesive, non-positive and / or positive connection generated between the first and the second connection surface itself becomes and thus a mechanically firm connection directly between arises the first and the second component. Thus, by the use of the in particular controlled laser irradiation for applying a defined local energy in the contact area the first connection part preferably to a sintering temperature of the ceramic material, wherein the laser irradiation on the first component, the second component and / or the contact area.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zu entnehmen.advantageous Refinements and developments of the invention are the subclaims, and the description with reference to the drawings.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einem zeitlich vor dem dritten Herstellungsschritt durchgeführten zweiten Herstellungsschritt die erste und die zweite Verbindungsfläche gereinigt, geschliffen, poliert, geläppt und/oder strukturiert werden, so dass besonders vorteilhaft die Bildung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Verbindungsfläche begünstigt und die Belastbarkeit der Verbindung erhöht wird. Ferner ist eine entsprechende Anpassung der ersten und/oder zweiten Verbindungsfläche möglich. Insbesondere soll durch das Schleifen der ersten und/oder zweiten Verbindungsfläche eine geringe Rauheit im Submikrometerbereich hergestellt werden, wobei die erste und die zweite Verbindungsfläche vorzugsweise nach dem Polieren gereinigt werden.According to one preferred training is provided that in a timely manner second performed before the third manufacturing step Manufacturing step, the first and the second interface cleaned, ground, polished, lapped and / or textured be, so that particularly advantageous the formation of a cohesive Connection between the first and the second interface favored and the resilience of the compound is increased. Furthermore, a corresponding adaptation of the first and / or second Connection area possible. In particular, should by the grinding of the first and / or second connection surface a small roughness in the submicrometer range are produced, wherein the first and second bonding surfaces are preferably be cleaned after polishing.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass im ersten Herstellungsschritt das zweite Bauteil als zweites keramisches Bauteil im Wesentlichen aus einem keramischen Material bereitgestellt wird, wobei insbesondere im zweiten Herstellungsschritt die erste Verbindungsfläche des ersten Bauteils und/oder die zweite Verbindungsfläche des zweiten keramischen Bauteils gereinigt, poliert und/oder nanogeschliffen werden. Besonders vorteilhaft ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren somit die Verbindung des keramischen ersten Bauteils mit einem keramischen zweiten Bauteil. Vorteilhaft sind somit zwei endbearbeitete keramische Bauteile miteinander verbindbar, so dass in einer kostengünstigen Weise vergleichsweise aufwändige und komplex geformte Bauelemente aus Keramik herstellbar sind. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die typischen Eigenschaften keramischer Werkstoffe, wie hohe Härte, Temperaturbeständigkeit, chemische Beständigkeit, Verschleißfestigkeit, geringe Dichte, kleiner Reibungskoeffizient etc. besonders vorteilhaft.According to one preferred development is provided that in the first manufacturing step the second component as a second ceramic component substantially is provided from a ceramic material, in particular in the second production step, the first connection surface of the first component and / or the second connection surface of the cleaned, polished and / or nano-ground second ceramic component become. Particularly advantageous allows the invention Process thus the connection of the ceramic first component with a ceramic second component. Thus, two finishes are advantageous ceramic components connectable to each other, so that in a cost-effective Way comparatively complex and complex shaped components are made of ceramic. This is especially true on the typical properties of ceramic materials, such as high Hardness, temperature resistance, chemical resistance, Wear resistance, low density, low coefficient of friction etc. particularly advantageous.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das zweite Bauteil als zweites metallisches Bauteil im Wesentlichen aus einem metallischen Material bereitgestellt wird, wobei insbesondere im zweiten Herstellungsschritt die erste Verbindungsfläche des ersten Bauteils gereinigt, poliert und/oder nanogeschliffen und die zweite Verbindungsfläche des zweiten metallischen Bauteils gereinigt, geschliffen und/oder geläppt wird. Besonders vorteilhaft ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren somit sowohl die Verbindung des keramischen ersten Bauteils mit einem keramischen zweiten Bauteil, als auch die Verbindung des keramischen ersten Bauteils mit einem metallischen zweiten Bauteil. Vorteilhaft lässt sich somit der Einsatzbereich des keramischen ersten Bauteils deutlichen erhöhen. Insbesondere ist somit in einfacher Weise ein Bauelement mit einem keramischen ersten Bauteil und einem metallischen zweiten Bauteil realisierbar, wobei in vorteilhafter Weise die typischen Eigenschaften von keramischen Materialien, wie hohe Härte, Temperaturbeständigkeit, chemische Beständigkeit, Verschleißfestigkeit, geringe Dichte, kleiner Reibungskoeffizient etc. mit den typischen Eigenschaften von metallischen Materialien, wie gute elektrische Leitfähigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit, hohe Elastizität etc. verknüpfbar ist.According to a preferred embodiment, it is provided that the second component is provided as a second metallic component substantially of a metallic material, wherein in particular in the second manufacturing step, the first connection surface of the first component cleaned, polished and / or nano-ground and the second connection surface of the second metallic component cleaned, ground and / or lapped. Particularly advantageous method of the invention thus allows both the connection of the ceramic first component with a ceramic second construction Part, as well as the connection of the ceramic first component with a metallic second component. Advantageously, the range of application of the ceramic first component can thus be significantly increased. In particular, thus a component with a ceramic first component and a metallic second component can be realized in a simple manner, wherein advantageously the typical properties of ceramic materials, such as high hardness, temperature resistance, chemical resistance, wear resistance, low density, low coefficient of friction, etc. with the typical properties of metallic materials, such as good electrical conductivity, good thermal conductivity, high elasticity etc. can be linked.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass im dritten Herstellungsschritt das erste und das zweite Bauteil entlang einer senkrecht zur ersten Verbindungsfläche axialen Richtung aufeinander gedrückt werden, so dass ein mechanischer Kontakt zwischen der ersten und zweiten Verbindungsfläche und somit auch die Bildung einer mechanisch festen Verbindung im vierten Herstellungsschritt gewährleistet ist.According to one Another preferred development is provided that in the third Manufacturing step, the first and the second component along a vertical to the first connection surface axial direction to each other be pressed so that a mechanical contact between the first and second connection surface and thus also the formation of a mechanically strong compound in the fourth manufacturing step is guaranteed.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass im dritten Herstellungsschritt das erste und das zweite Bauteil um eine zur axialen Richtung parallele Rotationsachse gleichsinnig gedreht werden, wobei das erste und das zweite Bauteil vorzugsweise rotationsymmetrisch um die Rotationsachse ausgebildet vorgesehen sind und/oder axial gelagert werden. Besonders vorteilhaft wird somit der vierte Herstellungsschritt erheblich vereinfacht, da durch die Drehung des ersten und zweiten Bauteils der eingestrahlte Laserstrahlung das erste Bauteil, das zweite Bauteil und/oder den Kontaktbereich von einer Mehrzahl von Richtungen aus in einfacher Weise erreicht, ohne dass ein zur Lasereinstrahlung fungierender Laseraufbau um das das erste und/oder zweite Bauteil bewegt werden muss.According to one Another preferred development is provided that in the third Manufacturing step, the first and the second component to an axial Direction parallel axis of rotation are rotated in the same direction, wherein the first and the second component preferably rotationally symmetric are provided formed about the axis of rotation and / or axially be stored. The fourth production step is thus particularly advantageous considerably simplified, because by the rotation of the first and second Component of the irradiated laser radiation, the first component, the second component and / or the contact region of a plurality of Directions reached in a simple manner, without causing laser irradiation functioning laser assembly to the first and / or second component has to be moved.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass im vierten Herstellungsschritt die Laserstrahleinstrahlung in den Kontaktbereich und/oder in einen Einstrahlungsbereich axial vom Kontaktbereich beabstandet eingestrahlt wird, wobei vorzugsweise die Laserstrahleinstrahlung im Wesentlichen auf das metallische zweite Bauteil gerichtet wird. Besonders vorteilhaft wird somit, insbesondere durch die vergleichsweise gute Wärmeleitfähigkeit eines Metalls, der Kontaktbereich gleichmäßig auf die Sintertemperatur des keramischen Materials des ersten Bauteils aufgewärmt und kontinuierlich auf dieser Temperatur gehalten. Ferner wird somit die Bildung von unterschiedlichen Schrumpfvorgängen beider Bauteile im Kontaktbereich aufgrund plastischer Verformungen verhindert.According to one Another preferred development is provided that in the fourth Production step, the laser beam irradiation in the contact area and / or in an irradiation region axially from the contact region is irradiated spaced, preferably the laser beam irradiation is directed substantially to the metallic second component. Particularly advantageous is thus, in particular by the comparative good thermal conductivity of a metal, the contact area evenly to the sintering temperature of the ceramic Material of the first component warmed up and continuously kept at this temperature. Furthermore, thus the formation of different shrinking processes of both components in the Contact area prevented due to plastic deformation.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass im vierten Herstellungsschritt die Temperatur im Kontaktbereich durch Regelung des Abstands zwischen Einstrahlungsbereich und Kontaktbereich geregelt wird, so dass die Temperatur im Kontaktbereich durch eine vergleichsweise einfache Regelung des Abstands entsprechend einstellbar ist, ohne dass vergleichsweise aufwändige Leistungsregelungen im Laseraufbau selbst durchgeführt werden müssen.According to one Another preferred development is provided that in the fourth Manufacturing step the temperature in the contact area by regulation the distance between irradiation area and contact area regulated is, so that the temperature in the contact area by a comparatively simple adjustment of the distance is adjustable accordingly, without that comparatively complex power regulations in the Laser structure itself must be performed.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass im vierten Herstellungsschritt die erste Verbindungsfläche und/oder die zweite Verbindungsfläche mittels der Lasereinstrahlung im Wesentlichen auf eine Sintertemperatur, vorzugsweise auf einer Sintertemperatur des keramischen Materials des ersten und/oder des zweiten Bauelements temperiert wird, so dass in vorteilhafter Weise eine mechanisch feste Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil erzeugt wird. Die Sintertemperatur umfasst bevorzugt 500 bis 3200 Grad Celsius, besonders bevorzugt 1000 bis 2700 Grad Celsius und besonders bevorzugt 1200 bis 2500 Grad Celsius, wobei die Sintertemperatur insbesondere ca. 2/3 der Schmelztemperatur des keramischen Materials umfasst.According to one Another preferred development is provided that in the fourth Manufacturing step, the first connection surface and / or the second connection surface by means of the laser irradiation essentially at a sintering temperature, preferably at one Sintering temperature of the ceramic material of the first and / or the second component is tempered, so that in an advantageous manner a mechanically strong connection between the first and the second Component is generated. The sintering temperature preferably comprises 500 up to 3200 degrees Celsius, more preferably 1000 to 2700 degrees Celsius and particularly preferably 1200 to 2500 degrees Celsius, wherein the sintering temperature in particular about 2/3 of the melting temperature of the ceramic material.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass im vierten Herstellungsschritt und/oder in einem fünften Herstellungsschritt zeitlich vor dem vierten Herstellungsschritt das erste und/oder das zweite Bauteil auf eine Temperatur temperiert wird, welche kleiner als die Sintertemperatur ist, so dass in vorteilhafter Weise vergleichsweise große Temperaturdifferenzen im ersten Bauteil, im zweiten Bauteil und/oder im Kontaktbereich und somit auch die Gefahr von größeren Thermospannungen oder Rissen aufgrund von derartigen Temperaturdifferenzen vermieden werden.According to one Another preferred development is provided that in the fourth Manufacturing step and / or in a fifth manufacturing step in time before the fourth production step, the first and / or the second Component is tempered to a temperature which is less than the sintering temperature is, so that advantageously comparatively large Temperature differences in the first component, in the second component and / or in the contact area and thus the danger of larger ones Thermal stresses or cracks due to such temperature differences be avoided.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass beim vierten Herstellungsschritt eine Schutzatmosphäre im Kontaktbereich vorliegt und/oder dass die Leistung der Lasereinstrahlung mittels eines Pyrometers kontrolliert wird, vorzugsweise mittels einer Leistungsregelung angepasst wird. Besonders vorteilhaft ist mittels des Pyrometers die Temperatur im Einstrahlungsbereich und/oder im Kontaktbereich kontaktlos zu messen. In Abhängigkeit dieser Messung werden mittels der Leistungsregelung die Lasereinstrahlung und/oder der Abstand zwischen Kontaktbereich und Einstrahlungsbereich derart gesteuert, dass eine gewünschte Temperatur im Kontaktbereich und/oder im Einstrahlungsbereich eingestellt und gehalten wird. Durch die Verwendung der Schutzatmosphäre ist in vorteilhafter Weise auch sauerstoffempfindliches keramisches Material als erstes und/oder zweites Bauteil zu verwenden.According to one Another preferred development is provided that the fourth Manufacturing step, a protective atmosphere in the contact area present and / or that the power of the laser irradiation means a pyrometer is controlled, preferably adjusted by means of a power control becomes. Particularly advantageous is the temperature by means of the pyrometer in the irradiation area and / or in the contact area without contact measure up. Depending on this measurement, by means of the power control the laser irradiation and / or the distance between contact area and irradiation area controlled such that a desired temperature set in the contact area and / or in the irradiation area and is held. By using the protective atmosphere is also advantageously oxygen-sensitive ceramic material to use as the first and / or second component.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einem sechsten Herstellungsschritt die Verbindung zwischen der ersten Verbindungsfläche und der zweiten Verbindungsfläche mittels eines Zugfestigkeitstests und/oder mittels eines Biegetests geprüft wird, so dass eine mechanisch feste Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil verifizierbar und zu gewährleisten ist.According to one Another preferred development is provided that in one sixth manufacturing step, the connection between the first connection surface and the second bonding surface by means of a tensile test and / or is tested by means of a bending test, so that a mechanically strong connection between the first and the second Component verifiable and to ensure is.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Bauelement hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei das erste Bauteil ein im Wesentlichen keramisches Material umfasst und dass die erste Verbindungsfläche eine stoffschlüssige Verbindung mit der zweiten Verbindungsfläche aufweist. Besonders vorteilhaft wird eine mechanische feste Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil im Gegensatz zum Stand der Technik durch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen selbst erzeugt, so dass keine vergleichsweise kostenintensiven zusätzlichen Bauelemente zur Erzeugung der Verbindung benötigt werden. Darüberhinaus sind aufgrund der stoffschlüssigen Verbindung zwei endbearbeitete Bauteile vergleichsweise kostengünstig miteinander verbindbar, welche eine beliebige Form aufweisen können, da für die Verbindung lediglich der Kontakt zwischen der ersten und der zweiten Verbindungsfläche notwendig ist.One Another object of the present invention is a device produced by a method according to the invention, wherein the first component is a substantially ceramic material includes and that the first connection surface a cohesive Having connection with the second connection surface. Particularly advantageous is a mechanical fixed connection between the first and the second component in contrast to the prior art through a material connection between the components self-generated, so no comparatively costly additional Components are needed to create the connection. In addition, due to the cohesive Connection two finished components comparatively inexpensive connectable to each other, which may have any shape, because for the connection only the contact between the first and second connection surface is necessary.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das zweite Bauteil ein im Wesentlichen keramisches Material oder ein im Wesentlichen metallisches Material umfasst. Besonders vorteilhaft ist somit ein Bauelement aus zwei keramischen endbearbeiteten Bauteilen herstellbar. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die vergleichsweise schwierige mechanische Bearbeitung von keramischen Bauteilen, beispielsweise aufgrund ihrer Härte und ihres spröden Verhaltens, vorteilhaft. Ferner ist ein Bauelement mit einem keramischen ersten Bauteil und einem metallischen zweiten Bauteil realisierbar, wobei in vorteilhafter Weise die typischen Eigenschaften von keramischen Materialien, wie hohe Härte, Temperaturbeständigkeit, chemische Beständigkeit, Verschleißfestigkeit, geringe Dichte, kleiner Reibungskoeffizient etc. mit den typischen Eigenschaften von metallischen Materialien, wie gute elektrische Leitfähigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit, hohe Elastizität etc. verknüpfbar ist.According to one Another preferred embodiment provides that the second Component is a substantially ceramic material or a substantially includes metallic material. A particularly advantageous is thus a Component produced from two ceramic finished components. This is especially in view of the comparatively difficult mechanical machining of ceramic components, for example because of their hardness and their brittle behavior, advantageous. Furthermore, a component with a ceramic first component and a metallic second component feasible, wherein in an advantageous Show the typical characteristics of ceramic materials, such as high hardness, temperature resistance, chemical Durability, wear resistance, low density, small coefficient of friction etc. with the typical properties of metallic materials, such as good electrical conductivity, good thermal conductivity, high elasticity etc. is linkable.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Bauelement ein Bauteil eines Einspritzventils und/oder einer Einspritzdüse für einen Verbrennungsmotor ist. Dabei können das erste Bauteil beispielsweise der Ventilschließkörper und das zweite Bauteil ein Verbindungsteil einer Ventilnadel des Einspritzventils sein.According to one Another preferred embodiment provides that the component a component of an injection valve and / or an injection nozzle for an internal combustion engine. It can the first component, for example, the valve closing body and the second component is a connecting part of a valve needle of the Be injector.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.embodiments The invention is illustrated in the drawings and in the following Description explained in more detail.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Es zeigenIt demonstrate
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindungembodiments of the present invention
In
den
In
den
In
In
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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2008
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