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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dünnwandigen abgasführenden Rohr- und Formbauteilen gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1.
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Kraftfahrzeuge werden von einer Antriebseinheit angetrieben. Diese Antriebseinheiten sind aus dem Stand der Technik bekannt mit überwiegender Mehrheit Verbrennungskraftmaschinen. Verbrennungskraftmaschinen können beispielsweise in Form eines Otto- oder Dieselmotors in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein. Der Energieerzeugungsprozess in einer Verbrennungskraftmaschine sieht vor, dass circa 40% der in einem Kraftstoff enthaltenden Energie in mechanische Energie zur Bewegung des Kraftfahrzeuges umgewandelt wird. Der restliche Anteil wird maßgeblich in Form von Wärmeenergie über die Verbrennungskraftmaschine selber oder aber über das Abgas abgegeben.
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Zur Abführung des Abgases sind Abgasanlagen aus dem Stand der Technik bekannt, die zumeist mit einem Krümmer an die Verbrennungskraftmaschine selber angeschlossen sind, gefolgt von Abgasleitungen mit verschiedenen Abgasnachbehandlungseinheiten und/oder Schalldämpfeinheiten. So ist beispielsweise ein Katalysator, ein Oxidationskatalysator oder aber auch Zwischenschalldämpfer oder Endschalldämpfer bekannt, die im Verlauf des Abgasstranges angeordnet sind. Gekoppelt werden diese einzelnen Bauteile durch verschiedene aufeinander folgende Abgasleitungen. Diese Abgasleitungen sind zumeist in einem Unterboden eines Kraftfahrzeuges angeordnet. Der Krümmer wiederum ist direkt an der Verbrennungskraftmaschine in einem Motorraum angeordnet.
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Der Verlauf einer Abgasanlage muss sich wiederum äußeren den Bauraum begrenzenden Komponenten anpassen. So sind beispielsweise an einer Verbrennungskraftmaschine Nebenaggregate, wie beispielsweise eine Lichtmaschine, eine Servopumpe oder aber auch ein Klimakompressor oder aber ein Ladeluftkühler angeordnet, an denen die Leitungen des Abgaskrümmers vorbeiführen müssen. Hierbei wird wiederum die Anforderung gestellt, dass nicht zu hohe Abgastemperaturen in diesem Bereich an die Nebenaggregate über die Rohrwandungen der Abgasanlage abgegeben werden.
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Im Unterflurbereich eines Kraftfahrzeuges muss die Abgasanlage an Antriebswellen vorbei in der Bodengruppe zumeist zu einem Fahrzeugheck geführt werden, ohne dass sie die Bodenfreiheit des Kraftfahrzeuges und/oder die Bewegungsfreiheit der Hubkinematik an der Hinterachse eingeschränkt wird. Auch hier gilt es, dass die Abgaswärme nur bedingt an entsprechende Bauteile abgegeben werden bzw. auf diese einwirken darf.
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Zur Herstellung von Abgaskomponenten, insbesondere von Abgasrohren, sind dabei verschiedene Rohrbiegeverfahren bekannt, bei denen zunächst die einzelnen Rohrkomponenten entsprechend vorgebogen werden und in nachgeschalteten Prozessen miteinander gekoppelt werden, zumeist werden hier Schweißungen vorgenommen. Die reinen Biegeoperationen an den bereitgestellten Rohren sind jedoch durch die Umformgrade der Rohre selber und durch die durch die Biegung zu erreichenden Freiheitsgrade beschränkt.
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Weiterhin werden Flanschbauteile eingesetzt bzw. Muffen, um entsprechend gebogene Rohre miteinander zu koppeln. Ein solch hergestelltes Abgasrohr ist beispielsweise aus der
DE 91 00 867 U1 bekannt. Auch ist aus der
DE 10 2008 017 625 A1 eine Abgasbaugruppe bekannt.
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Entsprechend, mit aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren hergestellte Abgasrohre und Abgasrohrleitungssysteme sind somit im Großserienprozess nur bedingt unter gewichts- und materialeinsparenden Aspekten mit hohen Formgebungsfreiheitsgraden herstellbar.
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Insbesondere in der Prototypenfertigung steht die Forderung nach hoher Genauigkeit bei gleichzeitiger Kosten- und Zeitoptimierung bei der Herstellung an vorderster Stelle. Im Rahmen heutiger Großserien-Fertigungsverfahren ist auch die Verfügbarkeit von hochwertigen Werkstoffen und Bauteilkomponenten von besonderer Bedeutung. Aber auch die Verfügbarkeit von Ausgangsmaterial für Prototypen in Mindermengen sorgt oftmals für zusätzlichen Zeitbedarf. Aufgrund der hohen Komplexität der Bauteile bei gleichzeitiger Forderung einer hohen Maßhaltigkeit und Lebensdauer spielen flexible Fertigungstechnologien eine entscheidende Rolle.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung von Rohr- und Formbauteilen für Abgassysteme bereitzustellen, mit dem dünnwandige Bauteile mit hohen Formgebungsfreiheitsgraden herstellbar sind.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von dünnwandigen Abgasrohrbauteilen oder Abgasformbauteilen für ein Kraftfahrzeug ist gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- – Bereitstellen zweier Rohre oder Formbauteile;
- – Spanabhebendes Bearbeiten mindestens eines Rohres oder Formbauteils;
- – Laserbeschneiden des Rohres oder Formbauteils;
- – Koppeln der bearbeiteten Rohre oder Formbauteile;
- – Verlöten des Koppelungsbereiches.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, kostengünstig und ohne großen Zeitaufwand besonders dünnwandige Bauteile präzise herzustellen und ein Rückfedern, aufgrund von Eigenspannungen, die während des Herstellungsverfahrens in den Bauteilen auftreten, zu vermeiden. Daneben kann im Vergleich zu anderen thermisch beanspruchbaren stoffschlüssigen Fügeverbindungen die Beeinflussung der Grundwerkstoffe gering gehalten werden. Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren durch den kombinierten Einsatz von bereits bekannten Fertigungsmethoden, auch auf bereits vorhandenen Verarbeitungsmaschinen durchgeführt werden. Die Lösung liegt dabei in der Kombination aus einem spanabhebenden Bearbeiten mindestens eines Rohr- und/oder Formbauteils, gefolgt oder aber vorangestellt von einem Laserbeschneiden des Rohr- und/oder Formbauteils sowie dem Koppeln der bearbeiteten Rohr- und/oder Formbauteile zueinander und einem anschließenden Lötprozess. Hierdurch ist es möglich, Abzweigungen innerhalb eines Abgasstranges, oder aber auch mehrflutige Abgaskrümmer mit komplexer Formgebung besonders kostengünstig herzustellen. Im Rahmen der Erfindung können dabei die abschließenden Bauteile an sich hergestellt werden oder aber die Inlays bzw. Außenschalen von mehrschaligen abgasführenden Bauteilen. Im Rahmen der Erfindung kann auch ein Rohrbauteil mit einem Formbauteil gekoppelt werden.
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Im Rahmen der Erfindung ist unter einem dünnwandigen Rohr bzw. Formbauteil ein Bauteil zu verstehen, das eine Wandstärke von weniger als 5 mm, bevorzugt weniger als 4 mm, insbesondere weniger als 3 mm und ganz besonders bevorzugt weniger als 2 mm aufweist. Es ist darüber hinaus möglich, Bauteile mit einer Wandstärke von weniger als 1,5 mm, insbesondere weniger als 1 mm und ganz besonders bevorzugt weniger als 0,8 mm derart zu verarbeiten, dass diese verzugsfrei zu einem Bauteil verarbeitet werden, dass keine Eigenspannungen aufweist. Die im Rahmen der Erfindung verwendeten Rohre weisen immer mindestens eine Wandstärke von 0,1 mm auf, bevorzugt eine Wandstärke von mehr als 0,2 mm und insbesondere eine Wandstärke von mehr als 0,3 mm auf.
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Aufgrund der vielfältigen Anforderungen an abgasführende Bauteile ist das im Rahmen der Erfindung vorgeschlagene Verfahren oftmals eine einzig geeignete Produktionsmethode für thermisch hochbeanspruchte stoffschlüssige Verbindungen.
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Aufgrund der flexiblen Möglichkeiten Zusatzwerkstoff in Form von Lotpasten direkt und gezielt an die Fügestellen zu bringen, werden neue flexible Fertigungsverfahren möglich. So ist es auch möglich, beliebige und auch von außen oftmals für andere Methoden unzugängliche Strukturen sicher in einem Prozessschritt zu verlöten. Des Weiteren können auch unterschiedliche Materialkombinationen miteinander verbunden werden, und falls nötig, im selben Prozessschritt wärmebehandelt werden. Zudem tritt im Vergleich zum Schweißen keine begrenzte Wärmeeinflusszone mit der ungünstigen Eigenschaft der Gefügeveränderung des Grundwerkstoffs auf. Durch die gleichmäßige Erwärmung und Abkühlung der gesamten Bauteile bildet sich ebenfalls kein lokaler Verzug der Fügestellen, wie es beim Schweißen auftreten kann.
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Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass mit dem Einsatz von geringem Fertigungsaufwand, insbesondere während des Lötprozesses Bauteile mit besonders hoher Präzision und Dichtigkeit hergestellt werden können. Im Betrieb des so gefertigten Abgasbauteils ist es somit möglich, selbst bei Abgastemperaturen von über 500°, insbesondere über 600° und ganz besonders über 900°C.
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Unter dem Koppeln der bearbeiteten Rohr- und/oder Formbauteile ist besonders bevorzugt die Koppelung der beiden Rohre oder Halbschalen durch Heften zu verstehen. Vorzugsweise wird das Heften durch ein thermisches Fügeverfahren durchgeführt, beispielsweise einem Punktschweißen. Der Schweißprozess selber kann beispielsweise durch ein Plasmaschweißen, ein Widerstandsschweißen oder aber ein Schutzgasschweißen durchgeführt werden. Die Bauteile sind somit zueinander optimal für den anschließenden Lötprozess positioniert. Im Rahmen der Erfindung kann vor, während oder nach dem Heften der Einsatz von Zentriermitteln, beispielsweise Positionierungswerkzeugen gewählt werden. Dies hängt ab von der Komplexität des herzustellenden Bauteils. Gegebenenfalls ist es im Rahmen der Erfindung für das Bauteil ausreichend, dass die beiden Bauteile über einen jeweiligen Manipulator zueinander ausgerichtet werden und durch einen Heftprozess derart lagefixiert werden, dass sie in dem weiteren Verfahrensschritt des Lötens dauerhaft und druckdicht miteinander gekoppelt sind. Es kann jedoch auch erforderlich sein, dass eine zusätzliche Lehre, beispielsweise als Schweißlehre genutzt wird.
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Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Verwendung von Bauteilkonturen mit ineinandergreifenden und ineinander verschränkten Fügezonen, welche mittels spanender Bearbeitung wie Drehen und Fräsen eingebracht werden. Die so erzeugten Fügeflächen halten aufgrund ihres formschlüssigen Ineinandergreifens und benötigen nach dem Bepasten keiner weiteren Fixierung.
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Damit das Verfahren besonders kostengünstig durchführbar ist, wird das vollständige Fügen der zwei Rohrbauteile in einem Durchlaufofen oder einem Vakuumofen durch den thermischen Fügeprozess des Lötens miteinander gekoppelt. Hierbei ist jeder Lötprozess zu verstehen, der eine ausreichende Festigkeit und ein allenfalls geringen Bauteilverzug mit sich bringt. Der durch das exakte Vorfertigen der Rohre, durch spanabhebendes Bearbeiten und Laserbeschneiden sowie das anschließende Ausrichten und Heften hergestellte Lötspalt, verläuft dabei entlang der Bauteilgrenzen der zu fügenden Komponenten. Aufgrund der hohen Präzision des erfindungsgemäßen Verfahrens bedarf es nur eines geringen Einsatzes von Zusatzwerkstoffen, beispielsweise in Form von Lotmitteln sowie Flusswerkstoffen, um eine ausreichend geforderte Druckdichtigkeit sowie Festigkeit zu erreichen.
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Bei Lötverfahren ist folgende Einteilung gebräuchlich: Weichlöten erfolgt bei Temperaturen kleiner 50°C, Hartlöten bei Temperaturen zwischen 450° und 1100°C und Hochtemperaturlöten bei über 900°C als Spezialfall des Hartlötens mit Wasserstoff-Schutzgasatmosphäre und geschlossenen Vakuumöfen oder in Schuztgasöfen mit Wasserstoff. Letztere werden vorzugsweise für Edelstahlkomponenten im Abgasbereich eingesetzt, da klassische Lote und Lötverfahren für Edelstahlmaterialien nicht prozesssicher anwendbar sind. Erfindungsgemäß können alle zuvor erwähnten Lötverfahren angewandt werden.
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In der industriellen Löttechnik werden insbesondere im Großserienbereich seit langem Lotpasten verwendet. Im Abgasbereich haben sich besonders korrosionsfeste und warmkorrosionsfeste Edelstahlsorten bewährt. Aufgrund ihrer Eigenschaften muss die Lötpaste speziell für den Lötprozess von Edelstählen angepasst werden. So werden für den jeweiligen Prozess, die Löttemperaturen in Pastenform mit oder ohne organischem Bindemittel als Trägermaterial verwendet.
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Für Abgaskomponenten sind grundsätzlich Nickelbasislote gut geeignet, die in einem Bereich zwischen 850°C und 1100°C schmelzen. Nickelbasislote sind dem Fachmann bekannt und können ohne weiteres, den Anforderungen entsprechend, eingesetzt werden. Für Elemente, die nicht in direktem Kontakt mit dem Abgas und dessen Kondensat stehen, wird erfindungsgemäß optimal auch Kupferbasislot verwendet.
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Besonders bevorzugt wird das spanabhebende Bearbeiten als Fräsen und/oder Drehen ausgeführt. Hierbei ist es wiederum möglich, an den Rohren selber Ausschnitte, Muffen und/oder Rippen derart zu erzeugen, wie sie für das jeweilige Bauteil gefordert werden. Es ist beispielsweise über das Drehen und/oder Fräsen möglich, Bauteile mit unterschiedlicher Wandstärke bereitzustellen. Ebenfalls ist es möglich, im Rahmen der Erfindung aufgrund von während des Prozesses auftauchenden Produktionstoleranzen durch das Drehen und/oder Fräsen derart auszugleichen, dass der herzustellende Lotspalt zwischen den zwei Rohren die geforderten Genauigkeiten aufweist.
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Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, dass die Rohre vor der spanabhebenden Bearbeitung und/oder nach der spanabhebenden Bearbeitung gebogen werden.
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Hierdurch ist es möglich, hochkomplexe Bauteilgeometrien auch als Großserienproduktion besonders kostengünstig herzustellen. Eventuelle Verzüge, die durch das biegetechnische Bearbeiten der Rohre auftreten können, können wiederum durch das spanabhebende Bearbeiten kompensiert werden. Ebenfalls ist es durch die Kombination und das Zusammenspiel der einzelnen Fertigungsschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, Bauteile zu erzeugen, die durch reine biegetechnische Bearbeitung und/oder spanabhebende Bearbeitung und/oder schweißtechnisches Koppeln und/oder Tiefziehen nicht fertigbar waren.
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Im Rahmen der Erfindung werden bevorzugt durch die spanabhebende Bearbeitung in mindestens einem Rohr- und/oder Formbauteil voneinander verschiedene Wandstärken erzeugt. Weiterhin alternativ können Versteifungen in das Rohr- und/oder Formbauteil eingebracht werden oder aber beispielsweise auch Rippen.
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Darüber hinaus können Lagerstellen in Form von Flanschen an dem Rohr ausgebildet werden. Durch die spanabhebende Bearbeitung wird dabei zunächst immer ein Ausgangsdurchmesser bereitgestellt, der dann um die herzustellenden Geometrien herum durch das spanabhebende Bearbeiten abgetragen wird, so dass entsprechend beispielsweise Rippen, Finnen oder aber auch Flansche an dem Bauteil erzeugt werden.
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Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, dass an der Koppelstelle der zwei zu fügenden Rohre an mindestens einem Rohr eine Oberflächenvergrößerung zur besseren Wärmeübertragung ausgebildet wird. Unter einer Oberflächenvergrößerung ist beispielsweise ein Hinterschneiden oder aber auch ein feder- und nutartiger Eingriff der zwei zu fügenden Rohre zu verstehen, so dass sich die im Bereich der Koppelungsstelle ergebende Oberfläche derart vergrößert, dass eine bessere Wärmeübertragung stattfindet. Die Wärmeübertragung erfolgt dabei über die Oberfläche sowie das darin eingebrachte Lot entsprechend über Wärmeleitung.
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Die Vergrößerung der Oberfläche der Bauteile selber kann durch Rillen, Riefen, Rippen, Beulen, Dellen erfolgen. Hierbei können auch Einzelrippen sowie Beulen in der geschilderten Weise mit dem Rohrbauteil und/oder Formbauteil verbunden werden. Einen weiteren Beitrag zur Vergrößerung der Oberfläche wird durch Aufrauen, beispielsweise mit Sand- oder Kugelstrahlen erreicht. Einen weiteren, erfindungsgemäßen Vorteil bietet die mögliche Gasströmung in den Abgaskomponenten mittels geeigneter Verrippung gleichmäßiger und effizienter, d. h. mit weniger Gegendruck abzuleiten. Hierzu werden vorhandene Verrippungen gezielt ausgerichtet, um den Effekt der Störmungsführung zu erzielen.
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Weiterhin besonders bevorzugt wird zwischen den beiden Rohren ein Formschluss hergestellt. Bei dem Formschluss kann es sich dabei maßgeblich um ein Hinterschneiden und/oder einen puzzleteilartigen Eingriff der beiden Bauteile ineinander handeln.
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Hierzu ist besonders bevorzugt an einem Rohr ein Fortsatz ausgebildet, der in eine Aufnahme des zweiten Rohres formschlüssig eingreift. Diese weitere formschlüssige Koppelungsmöglichkeit ermöglicht es, die beiden Rohre in Relation zueinander zu positionieren. Gegebenenfalls kann durch diesen Formschluss ein Koppeln mittels Heften entfallen, so dass nach Koppeln der beiden Rohre über Formschluss direkt der Lötprozess durchgeführt wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der folgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten sind in den schematischen Zeichnungen dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
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1 ein erfindungsgemäß hergestelltes Abgasrohrbauteil mit formschlüssigem Eingriff und
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2a–d verschiedene Koppelungsgeometrien.
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In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
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1 zeigt ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Abgasrohrbauteil 1. Hierbei wurden ein erstes Rohr 2 und ein zweites Rohr 3 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet und gekoppelt. Das erste Rohr 2 weist dabei in einem Endbereich 4 eine Endkontur 5 auf, die in eine Aussparung 6 des zweiten Rohres 3 einpassbar ist. Weiterhin sind an dem ersten Rohr 2 Fortsätze 7 ausgebildet, die in Aufnahmen 8 des zweiten Rohres 3 eingreifen und einen zusätzlichen Formschluss ermöglichen. Zwischen den beiden Rohren 2, 3 ist in einer Koppelstelle 9 eine Lötnaht 10 ausgebildet, so dass die beiden Rohre 2, 3 druck- und gasdicht miteinander gekoppelt sind.
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In 2a bis d sind verschiedene Geometrien für den Fortsatz 7 und die dazu korrespondierende Aufnahme 8 am ersten Rohr 2 und am zweiten Rohr 3 gezeigt. In 2a ist eine dreieckförmige Pfeilspitze als Fortsatz 7 dargestellt, die in eine dazu korrespondierende Aufnahme 8 eingreift. In 2b ist ein Fortsatz 7 gezeigt, der im Querschnitt eine im Wesentlichen achteckförmige Konfiguration aufzeigt und in eine dazu korrespondierende Aufnahme 8 eingreift. In 2c und 2d sind Aufnahmen 8 gezeigt, die die Konfiguration eines jeweiligen Trichters aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abgasrohrbauteil
- 2
- erstes Rohr
- 3
- zweites Rohr
- 4
- Endbereich zu 2
- 5
- Endkontur
- 6
- Aussparung
- 7
- Fortsatz zu 3
- 8
- Aufnahme
- 9
- Koppelstelle
- 10
- Lötnaht
