DE102010044886A1

DE102010044886A1 - Verfahren zum Fügen von zwei Bauteilen und Verbindung

Info

Publication number: DE102010044886A1
Application number: DE102010044886A
Authority: DE
Inventors: Marcel Andresz; Markus Dr. Beck; Markus Dipl.-Ing. Mößle (FH)
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-09-09
Filing date: 2010-09-09
Publication date: 2011-05-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von zwei Bauteilen (2, 4) und umfasst folgende Schritte:
Vorsehen eines Loches (8) in einem ersten Fügebereich (6) eines ersten Bauteils (2);
Anordnen eines Fügebereich (10) eines zweiten Bauteils (4) in Überdeckung mit dem Fügebereich (6) des ersten Bauteils (2);
Einbringen eines Zusatzwerkstoffes (14) in das Loch (8) mittels einer Fügevorrichtung (12), wobei der Zusatzwerkstoff (14) eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Material des zweiten Bauteils (4) eingeht und von dem Zusatzwerkstoff (14) das Loch (8) im ersten Bauteil (2) ausgefüllt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Bauteilen nach Anspruch 1 sowie eine Verbindung nach Anspruch 8.
Viele Werkstoffkombinationen wie beispielsweise Hybride aus verschiedenen Metallen oder Metall-Kunststoff-Kombinationen lassen sich durch herkömmliche Fügeverfahren nicht befriedigend fügen, insbesondere nicht befriedigend schweißen.
Mechanische Verbindungsmethoden sind bei vielen Bauteilverbindungen nicht anwendbar, da entweder keine geeigneten Nieten verfügbar sind, oder aufgrund der Bauteilgestaltung eine zweiseitige Zugänglichkeit nicht gegeben ist. Ferner ist eine thermische Fügemethode schon beim Vorliegen unterschiedlicher Bauteildicken nicht möglich, da der thermische Energieeintrag, der zum Aufschmelzen des dicken Bauteilbereichs notwendig ist, den dünneren Bauteilbereich nachhaltig schädigen würde.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Fügen von Bauteilen sowie eine derartige Fügeverbindung bereitzustellen, die gegenüber dem Stand der Technik die Möglichkeit bietet, unterschiedliche Werkstoffpaarungen miteinander zu fügen.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren zum Fügen von Bauteilen nach dem Anspruch 1 sowie in einer Verbindung von zwei Bauteilen nach Anspruch 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 zum Fügen von zwei Bauteilen umfasst folgende Schritte:
Zunächst wird ein erstes Bauteil herangezogen, das in einem zu fügenden Bereich (Fügebereich) ein Loch aufweist. Das Loch kann eine regelmäßige, kreisförmige Form beispielsweise durch eine Bohrung oder Stanzung aufweisen oder es kann den Ansprüchen einer herzustellenden Verbindung angepasste Geometrie aufweisen. Im Weiteren wird ein zweites Bauteil bereitgestellt, welches grundsätzlich lötbar oder schweißbar ist und wie das erste Bauteil einen Fügebereich aufweist. Die beiden Bauteile werden an den Fügebereichen in Überdeckung gebracht. Nun wird eine Fügevorrichtung herangezogen, mittels derer ein Zusatzwerkstoff in das Loch eingebracht wird. Dieser eingebrachte Zusatzwerkstoff durchläuft das Loch und bildet mit dem Material des zweiten Bauteils eine stoffschlüssige Verbindung.
Unter Bauteil wird hierbei jegliche Materialausgestaltung verstanden, die in verschiedenen Fertigungszuständen vorliegen kann. Es kann sich hierbei um ein fertig bearbeitetes Bauteil, um ein Halbzeug oder ein Rohprodukt handeln, das mit einem anderen entsprechenden Bauteil gefügt werden soll.
Stoffschlüssige Verbindungen werden alle Verbindungen genannt, bei denen die Verbindungspartner durch atomare oder molekulare Kräfte zusammengehalten werden. Sie sind gleichzeitig nicht lösbare Verbindungen, die sich nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel trennen lassen.
Unter „in Überdeckung bringen” ist dabei zu verstehen, dass die Bauteile in ihren Fügebereichen bezüglich der Fügevorrichtung hintereinander angeordnet sind. Die Bauteile müssen sich dabei nicht zwangsläufig berühren, es ist mit dem Verfahren auch möglich, dass die beiden Bauteile im Bereich der Verbindung durch einen Spalt getrennt sind.
Der Zusatzwerkstoff kann dabei in geschmolzenen oder zähflüssigen beispielsweise thixotropem oder anderweitig nicht direkt flüssigem Zustand durch das Loch gebracht werden.
Das Verfahren weist den Vorteil auf, dass unterschiedliche Materialien, die üblicherweise nicht miteinander verschweißbar sind, auf diese Weise gefügt werden können.
Besonders vorteilhaft ist das Verfahren, wenn neben dem Ausfüllen des Lochs dieses noch überfüllt wird. Hierdurch bildet sich vom zweiten Bauteil aus gesehen oberhalb des ersten Bauteils ein Kopf aus, der analog zu einem Nietkopf wirkt. Somit liegt in axialer Richtung durch das Loch nicht nur eine stoffschlüssige Verbindung mit dem zweiten Bauteil vor, sondern auch eine formschlüssige Verbindung mit dem ersten Bauteil in entgegengesetzter Richtung. Senkrecht zur axialen Richtung des Lochs liegt ebenfalls eine formschlüssige Verbindung mit dem ersten Bauteil vor.
Diese Überfüllung, die einem Nietkopf gleich kommt, kann optional durch einen Stauchvorgang noch verfestigt werden, was die Festigkeit der Verbindung noch erhöht.
Es hat sich als zweckmäßig heraus gestellt, als Fügevorrichtung eine Metall-Inertgas-Schweißvorrichtung (MIG) zu verwenden. Diese lässt sich gut steuern und der Zusatzwerkstoff ist genau dosierbar in das entsprechende Loch füllbar. Das Verfahren könnte in dieser Ausgestaltung auch als Metall-Inert-Gas-Punkt-Löt-Schweiß-Nieten (MIG PLSN) bezeichnet werden.
Beim Fügen eines thermisch nicht stabilen ersten Bauteils ist es zweckmäßig, dieses durch eine entsprechende Schutzvorrichtung im Bereich des Loches, beispielsweise durch eine Scheibe, eine Hülse oder durch eine Klammer insbesondere thermisch zu schützen.
Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist eine Verbindung von zwei Bauteilen nach Anspruch 8. Diese Verbindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Bauteile in Fügebereichen in Überdeckung liegen. Hierbei weist ein erstes Bauteil ein Loch auf, durch das ein Zusatzwerkstoff ragt, der wiederum durch eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Material des zweiten Bauteils verbunden ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.
Im weiteren werden vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung anhand der folgenden Figuren näher erläutert, Merkmale mit derselben Bezeichnung und unterschiedlichen Ausgestaltungen werden hierbei mit dem selben Bezugszeichen versehen.
Dabei zeigen:
1 ein erstes Bauteil mit Loch;
2 das erste Bauteil mit einem zweiten Bauteil in Überdeckung mit einer Fügevorrichtung (zweiter Verfahrensschritt);
3 eine Bauteilverbindung mit gefülltem Loch im ersten Bauteil;
4 eine Überfüllung des Lochs, welche durch einen Stauchvorgang verfestigt wird;
5 eine Verbindung, wobei das Loch des ersten Bauteils durch eine Scheibe thermisch geschützt wird; und
6 eine Verbindung, wobei das Loch des ersten Bauteils durch eine Klammer thermisch geschützt wird.
Im Folgenden wird das Verfahren zur Herstellung einer Verbindung von zwei Bauteilen anhand der 1 bis 6 näher erläutert. Hierbei wird zunächst, wie in 1 gezeigt, ein erstes Bauteil 2 herangezogen, das in einem Fügebereich 6 ein Loch 8 aufweist. Das Loch 8 kann beispielsweise durch Bohren oder Stanzen eingebracht worden sein. Ein üblicher Lochdurchmesser kann dabei zwischen 4 mm und 8 mm liegen.
Nun wird, wie in 2 dargestellt, das erste Bauteil 2 mit einem zweiten Bauteil 4, das ebenfalls einen Fügebereich 10 aufweist, in Überdeckung gebracht. Beide Bauteile 2, 4 liegen hierbei berührend übereinander. Grundsätzlich kann aber auch ein Spalt zwischen den beiden Bauteilen 2, 4 angeordnet sein.
Ferner wird eine Fügevorrichtung 12, in diesem Beispiel eine MIG-Schweißanlage 12 derart über dem Loch 8 positioniert, dass zwischen einem Schweißdraht 24, der aus einen Zusatzwerkstoff 14 gebildet ist, und dem Material des zweiten Bauteils 4 ein Lichtbogen gezündet wird. Gleichzeitig und üblicherweise auch schon vor dem Zünden des Lichtbogens wird ein Inertgas (oder gegebenenfalls ein Aktivgas (dann handelt es sich um ein MAG-Schweißverfahren)) um den Schweißdraht 24 in das Loch 8 geleitet.
Beim Zünden des Lichtbogens setzt ein genau kontrollierter Drahtvorschub ein, wobei der Zusatzwerkstoff 14 des Schweißdrahtes 24 aufschmilzt und als geschmolzenes Material durch das Loch 8 geleitet wird. Dabei trifft der Zusatzwerkstoff 14 auf das Material des zweiten Bauteils 4 auf und bildet mit diesem eine stoffschlüssige Verbindung.
Es baut sich, wie in 3 zu sehen ist, eine turmförmige Materialanhäufung des Zusatzwerkstoffes 14 durch das Loch 8 hindurch auf, die oberhalb des Lochs 8 eine Überfüllung 16 bildet. Der gesamte in dieser Form aufgebaute Zusatzwerkstoff 14 gleicht einem Niet, der formschlüssig mit dem ersten Bauteil 2 über den „Nietkopf” also der Überfüllung 16 verbunden ist und der stoffschlüssig mit dem zweiten Bauteil 4 verbunden ist. Es kann dabei optional zweckmäßig sein, insbesondere die noch heiße Überfüllung 16 noch mit einer Stauchvorrichtung 18 in einem Stauchvorgang zu verfestigen, wie in 4 dargestellt.
Das beschriebene Verfahren gemäß den 1 bis 4 eignet sich ganz besonders zum Fügen von unterschiedlichen Werkstoffen, die durch übliche thermische Fügeverfahren nicht gefügt werden können. Es ist auch dazu geeignet, mehrere Bauteile übereinander gestapelt zu fügen, die ebenfalls gelocht sind und die Löcher zentrisch übereinander liegen.
Hierbei kann das erste Bauteil 2 insbesondere aus einem thermisch weniger belastbaren Material wie einer Aluminiumlegierung (z. B. AA7020), einer Magnesiumlegierung (AZ31) oder einem faserverstärktem Kunststoff wie CFK dargestellt sein.
Das zweite Bauteil 4 hingegen besteht in der Regel aus einem Material, das höher thermisch belastbar ist und zudem grundsätzlich lötbar oder schweißbar ist, wie beispielsweise ein Stahl. Hierbei können beispielsweise pressgehärtete Warmumformstähle z. B. 22 MnB5 zur Anwendung kommen. Derartige Stähle lassen sich durch herkömmliche Verfahren nicht mit den oben genannten Materialen Aluminium, Magnesium oder Kunststoffen verschweißen.
Als Zusatzwerkstoff hat sich insbesondere ein Kupferbasislot (z. B. CuAl8) als zweckmäßig herausgestellt. Andere, insbesondere metallische Legierungen sind ebenfalls als Lotmaterial geeignet.
Bei der Verbindung von zwei Materialien, bei denen ein Material eher thermisch instabil ist, ist das beschriebene Verfahren ebenfalls anwendbar. Hierbei wird gemäß den 5 oder 6 ein Insert um das Loch 8 gelegt, das das Material des gelochten Bauteils 8 thermisch schützt. Dies kann beispielsweise durch eine gezahnte Unterlegscheibe 20 oder durch eine Klammer 22 erfolgen. Ebenfalls ist eine hier nicht dargestellte Hülse zweckmäßig, die in das Loch 8 geschoben wird. Ein derartiges Insert kann nicht nur thermisch das Bauteil 2 schützen, es kann gegebenenfalls auch zur Vermeidung einer Kontaktkorrosion dienen, die beispielsweise bei einer Materialpaarung von Eisen (Stahl) und Aluminium auftreten könnte.
Im Folgenden sollen noch einige besondere Merkmale der beschriebenen Verbindung sowie einige Vorteile gegenüber herkömmlichen Verbindungen bzw. Fügeverfahren genannt werden.
Das beschriebene Verfahren eignet sich besonders gut zum Fügen von Bauteilen aus unterschiedlichen Werkstoffen, die mit herkömmlichen Mitteln nicht geschweißt werden können.
Ferner können die Bauteile komplex geformt sein, da eine einseitige Zugänglichkeit ausreichend ist. Ferner kann auf das Anbringen einer Matrize auf der Gegenseite verzichtet werden, es muss auch keine Nietzufuhr-Vorrichtung angebracht werden. Außer einer möglichen Spanntechnik ist kein zusätzlicher Kraftaufwand zwischen den zu fügenden Bauteilen nötig.
Es können ferner verschieden dicke und verschieden harte Materialien miteinander gefügt werden. Das Verfahren ist dabei sehr schnell, eine Verbindung ist in 1 s bis 2 s herstellbar. Beschichtete Oberflächen des zweiten Bauteils 4 werden durch das Verfahren kaum belastet. Je nach Lochdurchmesser und Anbindefläche auf dem Bauteil 4 und verwendetem Zusatzwerkstoff werden ähnliche Scherzugfestigkeiten wie bei Stanznietverbindungen zwischen 4000 N und 7000 N erreicht.
Es können herkömmliche MIG- oder MAG-Schweißquellen zur Anwendungen kommen, die jedoch vorteilhafterweise sehr genau steuerbar sein sollten. Der Verschleiß der Schweißanlagenbauteile ist dabei vergleichsweise gering, da nahezu keine Fügekraft notwendig ist. Der Drahtvorschub sollte dabei sehr genau geregelt werden, und die Schweißparameter sollten genau auf die entsprechende zu verbindende Materialpaarung eingestellt werden. Ferner kann noch ein hier nicht näher dargestelltes Nahtfindungssystem bzw. Nahtfolgeregelungssystem angewendet werden, was aber nicht zwingend notwendig ist.

Claims

Verfahren zum Fügen von zwei Bauteilen (2, 4), umfassend folgende Schritte: Vorsehen eines Loches (8) in einem ersten Fügebereich (6) eines ersten Bauteils (2); Anordnen eines Fügebereich (10) eines zweiten Bauteils (4) in Überdeckung mit dem Fügebereich (6) des ersten Bauteils (2); Einbringen eines Zusatzwerkstoffes (14) in das Loch (8) mittels einer Fügevorrichtung (12), wobei der Zusatzwerkstoff (14) eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Material des zweiten Bauteils (4) eingeht und von dem Zusatzwerkstoff (14) das Loch (8) im ersten Bauteil (2) ausgefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Loch (8) mit dem Zusatzwerkstoff (14) überfüllt wird und dass die Überfüllung (16) durch einen Stauchvorgang verfestigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügevorrichtung (12) eine Vorrichtung zum Metall-Inertgas-Schweißen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzwerkstoff (14) ein Kupferbasislot verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (4) zumindest im Fügebereich (10) aus Stahl besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (2) zumindest im Fügebereich (6) aus einem mit Stahl nicht schweißbaren Material oder aus einer Aluminiumlegierung, einer Magnesiumlegierung oder einem Faserverbund-Kunststoff besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Loch (8) im ersten Bauteil (2) durch eine Scheibe (20), eine Hülse oder eine Klammer (22) geschützt wird.
Verbindung zwischen zwei Bauteilen (2, 4) aus unterschiedlichen Werkstoffen, die in Fügebereichen (6, 10) in Überdeckung liegen, wobei das erste Bauteil (2) im ersten Fügebereich (6) ein Loch (8) aufweist, durch den ein Zusatzwerkstoff (14) ragt, der eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Material des zweiten Bauteils (4) eingeht.
Verbindung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des ersten Bauteils (2) zumindest im Fügebereich (6) aus einer Magnesiumlegierung oder einer Aluminiumlegierung oder einem Faserverbund-Kunststoff besteht.
Verbindung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwerkstoff (14) aus einem Kupferbasislot besteht und dass durch den Zusatzwerkstoff (14) eine Überfüllung (16) des Lochs (8) im ersten Bauteil (2) ausgebildet ist.