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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem Hohlprofil aus Stahl und einem Bauelement aus einem Aluminiumwerkstoff, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Hohlprofilverbindung eines Hohlprofils aus Stahl mit einem Bauelement aus Aluminiumwerkstoff, gemäß Patentanspruch 16.
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Zum Verbinden von Bauteilen aus Stahl- und Aluminiumwerkstoff werden oftmals nicht thermische Fügeverfahren eingesetzt, wie zum Beispiel Nieten oder Schrauben. Hierbei werden die verschiedenen Bauteile durch einen Formschluss der Niete bzw. der Schraube miteinander verbunden. Die Festigkeit einer solchen Verbindung ist jedoch auf Grund ihrer punktuellen Kraftübertragung begrenzt.
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Die Umsetzung von Stahl-Aluminium-Hybridbauteilen hat große Gewichtsreduzierungspotentiale und Verbesserungen der Produkteigenschaften gerade in der Fahrzeugkarosserie. Die oben beschriebenen kalten Fügeverfahren, wie zum Beispiel Niettechnologie oder Klebetechnologie, bringen nicht die erforderliche Stabilität mit sich.
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Aus dem Stand der Technik sind Schmelzschweißverfahren bekannt, mit denen es möglich ist, trotz der stark differenzierenden Schmelzpunkte der beiden Legierungen, Stahl und Aluminium, ein stoffschlüssiges Verschweißen zu realisieren. Diese Verfahren sind im Stand der Technik auch als Schweiß-Löt-Prozesse bekannt. Hierbei wird lediglich der Werkstoffanteil des Aluminiumbauteils geschmolzen und das Bauteil aus Stahl wird durch einen Lötprozess mit dem Aluminiumwerkstoff stoffschlüssig verbunden. Das Stahlbauteil wird, um einen Lötprozess realisieren zu können, vor dem Schweiß-Lötprozess beschichtet. Solch eine Beschichtung ist zum Beispiel durch Verzinken zu erreichen. Das verzinkte Stahlbauteil wird von dem Schweißgut benetzt und die intermetallischen Phasen können auf ein geringes Maß reduziert werden. Allerdings weisen auch diese stoffschlüssigen Verbindungen nur eine bedingte Festigkeit auf.
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Aus der
DE 10 2007 060 116 A1 ist eine Stahlrohr-Aluminiumguss-Verbindung bekannt, die mittels eines formschlüssigen Umschweißens eines Stahlrohres mit Aluminiumzusatzwerkstoff realisiert wird. Hierbei wird zunächst ein einseitiger Abschnitt eines Rohres aufgeweitet und ein 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 radialer Richtung des Rohres als auch in axialer Richtung gewährleistet ist. Das formschlüssige Einschließen des aufgeweiteten Abschnittes kann sowohl für verzinkte als auch nicht verzinkte Rohre eingesetzt werden.
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Ein Nachteil der Verbindung gemäß der
DE 10 2007 060 116 A1 ist, dass das Stahlrohr bis zum thermischen Fügen zusätzlich, zum Beispiel mit einer Spannvorrichtung, fixiert werden muss. Des Weiteren muss ggf. mit einem Flussmittel gearbeitet werden, damit ein Anfließen der Schmelze des Zusatzwerkstoffes an das Stahlrohr gewährleistet ist. Ein solches Flussmittel hat aber oft korrosive Eigenschaften und wirkt sich nachteilig auf die Langlebigkeit eines so verbundenen Hybridbauteils aus.
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Ebenso von Nachteil ist das Vorhandensein eines Spaltes zwischen dem Aluminiumgussteil und dem Stahlrohr. Durch diesen Spalt kann während des Schweißprozesses Umgebungsluft in die Schmelze gelangen, was ein schlechtes Schweißergebnis und somit eine geringere Festigkeit mit sich bringt. Außerdem kann während des Betriebes Feuchtigkeit an die Übergangsstelle Stahl-Aluminium gelangen, was zu weiterer Spaltkorrosion führt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem eine Verbindung von zwei Bauteilen mit unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften realisiert wird, dass sich durch eine hohe Festigkeit und Langlebigkeit auszeichnet. Ferner soll eine entsprechende Hohlprofilverbindung aufgezeigt werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird mit einem Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem Hohlprofil aus Stahl und einem Bauelement aus einem Aluminiumwerkstoff dadurch realisiert, dass eine Beschichtung auf das Hohlprofil aufgebracht wird, dass das Hohlprofil auf das Bauelement aufgepresst wird und dass das Hohlprofil und das Bauelement thermisch gefügt werden, gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Vorteilig bei einer so ausgebildeten Verbindung ist das Herstellen einer kraftschlüssigen Verbindung durch Längsaufpressen eines beschichteten Stahlrohres in Kombination mit einer stoffschlüssigen Verbindung, die durch einen thermischen Fügeprozess, zum Beispiel MIG-Schweißen mit Aluminiumzusatzwerkstoff, hergestellt wird. Ebenfalls entfällt durch den Presssitz ein Fixiervorgang der verschiedenen Bauteile während des thermischen Fügens.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante des Verfahrens werden das thermische Fügen und die Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Bauelement und dem Hohlprofil durch eine formschlüssige Verbindung ergänzt. Die formschlüssige Verbindung wird durch das zugeführte Schweißgut zwischen dem Bauelement und dem Hohlprofil hergestellt. Die so hergestellte stoffschlüssige und kraftschlüssige Verbindung wird durch einen Formschluss in ihrer Festigkeit weiter gesteigert.
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Vorteilhaft ist es, wenn das Aluminiumbauelement als Gusskörper oder Fräskörper ausgebildet ist und wenn das Bauelement vor dem Aufpressen in einem Aufnahmebereich des Hohlprofils spanend bearbeitet wird. Somit ist ein genauer Sitz des aufzupressenden Hohlprofils auf dem Bauelement realisierbar. Weiterhin können dadurch Fertigungstoleranzen auf ein Mindestmaß begrenzt werden.
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Das Bauelement weist vorzugsweise einen Aufnahmedorn auf, auf den das Hohlprofil aufgepresst wird. Über den so entstehenden Presssitz zwischen dem Aufnahmedorn und dem Hohlprofil entsteht eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den beiden Bauteilen. Diese kraftschlüssige Verbindung ergänzt zusätzlich die formschlüssige und stoffschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen. Somit ist eine weitere Steigerung der Festigkeit der Verbindung gegeben.
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Vorzugsweise weist der Aufnahmedorn an seinem freien Ende einen Fasenwinkel auf und besitzt eine Länge, über die das Hohlprofil auf den Aufnahmedorn aufgepresst wird. Der Winkel sollte in einem Bereich zwischen 20 und 60 Grad liegen. Die Länge sollte vorzugsweise zwischen 8 und 60 mm liegen. Durch die Fase entsteht die Möglichkeit die zwei Baukomponenten besonders leicht zu fügen, indem das Hohlprofil zu Beginn des Aufpressvorgangs durch die Fase zentriert wird und somit leicht über den Aufnahmedorn im Anfangsbereich gepresst werden kann. Durch die Wahl der Länge und Form des Aufnahmedornes ist die kraftschlüssige Verbindung in ihrer Festigkeit zu beeinflussen, indem bei einer größeren Länge des Aufnahmedorns eine hohe kraftschlüssige Verbindung geschaffen wird. In Relation dazu wird bei einer geringeren Länge des Aufnahmedorns eine geringere kraftschlüssige Verbindung geschaffen. Die Fase kann dabei auch durch einen Radius bzw. eine kelch- oder tulpenartige Form ausgebildet sein.
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In einer bevorzugten Ausbildungsform der vorliegenden Erfindung weist das Bauelement eine um den Aufnahmedorn verlaufende muldenförmige Vertiefung zur Aufnahme eines umgeformten Bereiches des Hohlprofils auf, die einen Teilbereich besitzt, der beidseitig eine Krümmung mit einem Radius aufweist. Vorzugsweise liegt dieser Radius zwischen 1 und 18 mm. Durch die muldenartige Vertiefung in Kombination mit einem umgeformten Bereich des Hohlprofils ergibt sich die Möglichkeit, dass die beiden Baukomponenten sowohl formschlüssig als auch stoffschlüssig durch Verschweißen gefügt werden. Hierbei dient die muldenseitige Vertiefung zur Aufnahme des Schweißgutes auf der äußeren Seite und zur Aufnahme des umgeformten Bereiches des Hohlprofils auf der inneren Seite, bezogen auf den Aufnahmedorn. Das Schweißgut, das an der äußeren Seite durch Stoffschluss mit dem Bauelement verbunden ist, bildet somit eine Hinterschneidung für den umgeformten Bereich des Hohlprofils. Dadurch entsteht die formschlüssige Verbindung, welche zu einer besonders hohen Festigkeit bei statischer und dynamischer Zug-, Biege- und Torsionsbelastung führt.
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Vorzugsweise ist die muldenartige Vertiefung auf der innenliegenden Seite durch den Aufnahmedorn und auf der äußeren Seite durch einen Aufnahmewulst begrenzt. Der Aufnahmewulst sollte dabei eine Höhe aufweisen, die vorzugsweise zwischen 3 und 10 mm liegt. Ebenfalls sollte der Aufnahmewulst an seiner zum Aufnahmedorn gerichteten Seite in einem Winkel zu einer Längsachse des Aufnahmedorns verlaufen. Dieser Winkel sollte vorzugsweise zwischen 20 und 60 Grad liegen. Die zuvor beschriebenen Eigenschaften für den Aufnahmewulst bieten, bei einem thermischen Fügeprozess optimale Eigenschaften, um Schweißgut und Schweißzusatzwerkstoff aufzunehmen.
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Vorzugsweise ist das Hohlprofil vor dem Aufpressen auf einem aufzupressenden Ende umgeformt und/oder kalibriert worden. Der Umformvorgang erfolgt vorteilhaft durch ein Aufweiten des aufzupressenden Endes zu einem Kragen. Das Hohlprofil kann dabei verschiedenste Querschnitte im Verbindungsbereich besitzen, insbesondere aber kreisrund sein. Ebenso sind unrunde, elliptische und eckige Querschnitte möglich. Das Umformen sollte daher dem jeweiligen Profiltyp angepasst werden. Durch den verwendeten Profiltyp erfolgt eine Kalibrierung und Orientierung des Hohlprofils auf dem Bauelement, indem die Innenkontur des Hohlprofils in Verbindung mit dem Aufnahmedorn das Hohlprofil und das Bauelement zu einander ausrichtet. Das Hohlprofil und der Aufnahmedorn können erfindungsgemäß auch vier- oder mehreckig ausgebildet sein.
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Vorzugsweise wird bei der Umformung des Hohlprofils am aufzupressenden Ende an der Innenseite des Hohlprofils ein Radius gebildet, der gleich ist mit dem innenliegenden Radius der muldenförmigen Vertiefung. Die erfolgte Pressverbindung zwischen dem Hohlprofil und dem Bauelement verfügt somit im Endbereich über keinen Spalt zwischen dem Bauelement und dem Hohlprofil. Somit ist es ausgeschlossen, dass Umgebungsluft während des thermischen Fügens in die Schmelze gelangt, was zu schlechten Schweißergebnissen führen würde. Ebenfalls gelangt keine Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft in die so hergestellte Pressverbindung, so dass es zu keiner Spaltkorrosion kommen kann. Beide Vorteile erhöhen sowohl die Festigkeit als auch die Dauerhaltbarkeit der so hergestellten Verbindung. Weiterhin stellt auch ein Aufstauchen des Hohlprofils auf den Aufnahmedorn eine erfindungsgemäße Ausführungsvariante dar. Eine mechanische Nachbearbeitung der Hohlprofilenden entfällt durch das Aufstauchen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Hohlprofil an seinem umgeformten Ende auf der Außenseite des Hohlprofilendes entgratet. Hier ist es von Vorteil, dass während des thermischen Fügens durch das entgratete Ende ein entstehender Spalt zwischen Hohlprofil und Bauelement auf ein Minimum reduziert wird. Dies führt ebenfalls zu einer Verbesserung der Festigkeit und der Haltbarkeit der so hergestellten Verbindung.
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Vorzugsweise ist das Hohlprofil durch Verzinken oder Spritzbeschichten beschichtet. Die Verzinkung ist entweder als Niedrigtemperaturverzinkung oder als Hochtemperaturverzinkung ausgebildet, die Spritzbeschichtung vorzugsweise als Aluminium- oder Zinkspritzbeschichtung. Die Verbindung des Bauelements aus Aluminium mit dem beschichteten Hohlprofil erfolgt mittels Schweißlöten stoffschlüssig, was auf die Beschichtung zurückzuführen ist. Grundsätzlich ist auch eine Zinnbeschichtung möglich.
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Vorzugsweise wird beim thermischen Fügen ein Zusatzwerkstoff verwendet, welcher in einer besonders bevorzugten Ausführungsform aus einer Aluminiumlegierung besteht. Der so verwendete Zusatzwerkstoff wird durch den thermischen Fügeprozess, Schweißen, mit der innenliegenden Seite des Aufnahmewulstes gefügt und bildet so eine stoffschlüssige, feste Verbindung. Auf der Seite des Hohlprofils wird der Zusatzwerkstoff durch thermisches Fügen, Schweißlöten, mit der Beschichtung des Hohlprofils verbunden. Somit wird auf dieser Seite ebenfalls eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt.
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Vorteilhaft ist es, wenn das thermische Fügen mit einem Schutzgas durchgeführt wird. Hierdurch ergibt sich eine besonders gute Kontrolle und Steuerung des Fügeprozesses. Grundsätzlich ist als Schutzgas Argon zu wählen, Beimischungen von Helium, bis zu einem Masseanteil von 50%, können bauteilabhängig zu einem verbesserten Schweißergebnis führen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsvariante kann das thermische Fügen einlagig oder mehrlagig durchgeführt werden. Durch die Möglichkeit der mehrlagigen Ausführung des Fügeprozesses kann gezielt auf die Anforderung der Verbindung eingegangen werden. Vorteile ergeben sich durch erhöhte Festigkeit und einen geringen thermischen Einfluss in der Schweißzone. Bei einem mehrlagigen Schweißprozess muss nicht mit nur einem Vorgang viel Schweißgut stoffschlüssig verbunden werden. Der Zusatzwerkstoff kann in mehreren Schichten aufgetragen werden.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn während des Fügens bei einer mehrlagigen Ausführungsform zwischen dem Aufbringen der unterschiedlichen Schweißschichten eine mechanische, physikalische und/oder chemische Reinigung der Schweißnaht erfolgt. Eine solche Reinigung wird beispielsweise durch Trockenschneestrahlen realisiert. Die gereinigte Schweißnaht führt zu einer besseren Verbindung und zu einem besseren Schweißergebnis für die folgend aufzubringende Schweißnaht gegenüber einer unbehandelten Schweißnaht.
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Gegenstand der Erfindung ist auch eine Hohlprofilverbindung, die nach dem oben genannten Verfahren hergestellt ist. Ein Hohlprofil aus Stahl ist mit einem Bauelement aus Aluminiumwerkstoff stoffschlüssig und kraftschlüssig verbunden. Das Hohlprofil ist auf das Bauelement gepresst und zusätzlich thermisch mit diesem gefügt. Die Verbindung kann zusätzlich, je nach vorliegender Geometrie, durch Formschluss ergänzt sein.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, bevorzugte Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Diese dienen lediglich dem einfacheren Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
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1 einen schematischen Querschnitt einer erfindungsgemäß hergestellten Verbindung;
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2 einen schematischen Querschnitt des Aufnahmebereiches des Bauelementes;
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3 eine andere Ausführungsform eines schematischen Querschnitts des Aufnahmebereichs eines Bauelements;
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4 einen schematischen Querschnitt des aufzupressenden Hohlprofils und
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5 eine Prinzipskizze eines thermischen Fügeverfahrens.
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In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Teile dieselben Bezugszeichnen verwendet, wobei entsprechende oder vergleichbare Vorteile erreicht werden, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Verbindung 1 eines Hohlprofils 2 mit einem Bauelement 3. Das Hohlprofil 2 ist aus Stahl ausgebildet, das Bauelement 3 aus Aluminium, vorzugsweise als Aluminiumgusskörper. Auf das Hohlprofil 2 ist eine Beschichtung 4 zumindest in einem Aufnahmebereich 5 aufgebracht. Das Aluminiumbauelement 3 weist in dem Aufnahmebereich 5 einen Aufnahmedorn 6 auf. Durch Aufpressen des Hohlprofils 2 auf das Bauelement 3 entsteht so im Aufnahmebereich 5 eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Hohlprofil 2 und dem Bauelement 3. Die kraftschlüssige Verbindung entsteht durch ein Übermaß zwischen dem beschichteten Hohlprofil 2 und dem Bauelement 3. Um das Hohlprofil 2 auf das Bauelement 3 aufzupressen besitzt der Aufnahmedorn 6 an seinem oberen, freien Ende eine Fase 7.
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2 zeigt einen exemplarischen Querschnitt durch ein Bauelement 3 ohne aufgepresstes Hohlprofil 2. Am unteren Ende des Aufnahmedorns 6 weist das Bauelement 3 eine Vertiefung 8 auf. In diese Vertiefung 8 greift ein umgeformter Bereich 9 des Hohlprofils 2 ein. Die Vertiefung 8 zeichnet sich durch einen Talbereich 10 aus. Der Talbereich 10 weist auf beiden Seiten eine Krümmung 11 auf, die in eine innenliegende Seite 12 am Aufnahmedorn 6 übergeht und in eine außenliegende Seite 13 übergeht. Das Bauelement 3 weist an der außenliegenden Seite 13 einen Aufnahmewulst 14 auf. Dieser Aufnahmewulst 14 dient zur Aufnahme von Schweißgut während des thermischen Fügeverfahrens. Die außenliegende Seite 13 verläuft dazu in einem Winkel α zu einer Längsachse L des Aufnahmedorns 6. Um mit einem Schweißbrenner vorteilhaft Schweißgut aufzubringen und zur Erhöhung der Kontaktfläche zwischen dem Aufnahmewulst 14 und dem Schweißgut besitzt der Winkel α vorzugsweise einen Bereich zwischen 10 und 75 Grad.
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3 zeigt eine andere Ausführungsvariante eines Bauelements 3 in einer Querschnittsansicht. Die Fase 7 Weist hierbei eine Krümmung mit einem Radius auf. Weiterhin ist der zur mittleren Längsachse L gerichtete Bereich B des Bauelements 3 massiv ausgebildet, wobei dieser im Aufnahmebereich 5 von der Fase 7 zur Längsachse L hin talartig abfällt und eine Vertiefung V ausgebildet wird. Durch das Aufstauchen eines Rohrendes auf den Aufnahmedorn 6 entsteht mit der Vertiefung V ein optimierter Spannungsverlauf.
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4 zeigt einen Querschnitt eines aufzupressenden Endes 15 eines Hohlprofils 2. Das Hohlprofil 2 ist dabei durch Aufweiten des aufzupressenden Endes 15 zu einem Kragen 16 umgeformt worden. Der zu einem Kragen 16 umgeformte Bereich 9 weist auf der Innenseite des Hohlprofils 2 eine Krageninnenseite 17 auf, mit einem Radius, der dem Radius der Vertiefung 8 auf der innenliegenden Seite 12 gleich ist. Auf einer Außenseite 18 des Kragens 16 ist das Hohlprofil 2 auf einer Seite entgratet.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines thermischen Fügeprozesses. Hierbei ist das Hohlprofil 2 auf das Bauelement 3 aufgepresst. Es wird in der Vertiefung 8 durch Schweißlagen mit Zusatzwerkstoff 19 form- und stoffschlüssig mit dem Bauelement 3 verbunden. Der thermische Fügeprozess ist hierbei exemplarisch zweilagig ausgeführt. Wobei die 1. Lage 20 und die 2. Lage 21 gezeigt sind. Die Lagen 20, 21 werden durch einen Brenner 22 aufgebracht, hier beispielhaft in einem MIG-Schweißprozess.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbindung
- 2
- Hohlprofil
- 3
- Bauelement
- 4
- Beschichtung
- 5
- Aufnahmebereich
- 6
- Aufnahmedorn
- 7
- Fase
- 8
- Vertiefung
- 9
- umgeformter Bereich (Hohlprofil)
- 10
- Talbereich
- 11
- Krümmung
- 12
- innenliegende Seite
- 13
- außenliegende Seite
- 14
- Aufnahmewulst
- 15
- aufgepresstes Ende
- 16
- Kragen
- 17
- Innenseite
- 18
- Außenseite
- 19
- Zusatzwerkstoff
- 20
- 1. Schweißlage
- 21
- 2. Schweißlage
- 22
- Brenner
- B
- Bereich
- L
- Längsachse Aufnahmedorn
- V
- Vertiefung
- α
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007060116 A1 [0006, 0007]
