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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen bzw. Verbinden von wenigstens zwei aus unterschiedlichen Metallwerkstoffen gebildeten Bauteilen, wobei diese Bauteile über ein Schweißhilfselement miteinander verschweißt werden.
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Die Erfindung betrifft ferner auch ein hierfür verwendbares Schweißhilfselement, sowie einen mit einem solchen Verfahren und/oder wenigstens einem solchen Schweißhilfselement hergestellten Bauteilverbund.
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Ein Verfahren der betreffenden Art ist aus der
DE 10 2009 058 898 A1 bekannt. Das vorbekannte Verfahren weist jedoch diverse Nachteile und Einschränkungen auf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, dass die mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteile nicht oder zumindest nur in einem verminderten Umfang aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Mit einem ersten nebengeordneten Anspruch erstreckt sich die Lösung der Aufgabe auch auf einen erfindungsgemäßen Bauteilverbund bzw. Schweißverbund, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.
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Mit einem zweiten nebengeordneten Anspruch erstreckt sich die Lösung der Aufgabe auch auf ein erfindungsgemäßes Schweißhilfselement zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteilverbunds.
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Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog für alle Erfindungsgegenstände sowohl aus den abhängigen Ansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Fügen bzw. Verbinden von wenigstens zwei aus unterschiedlichen Metallwerkstoffen gebildeten Bauteilen bzw. Fügepartnern, die miteinander verschweißt werden, umfasst zumindest die folgenden Verfahrensschritte:
- – Bereitstellen eines ersten Bauteils, eines zweiten Bauteils (und gegebenenfalls weiterer Bauteile) und wenigstens eines Schweißhilfselements;
- – Verbinden des Schweißhilfselements mit dem ersten Bauteil durch Reibschweißen; und
- – Verbinden des zweiten Bauteils mit dem ersten Bauteil durch Widerstandsschweißen, wobei das fest mit dem ersten Bauteil verbundene Schweißhilfselement als Fügepartner für das zweite Bauteil dient, so dass eine feste Verbindung zwischen den Bauteilen herbeigeführt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann weitere hierin nicht näher erläuterte Verfahrensschritte, Teilschritte und/oder Zwischenschritte umfassen.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass die Bauteile bzw. Fügepartner an wenigstens einer Fügestelle oder an mehreren Fügestellen über jeweils wenigstens ein Schweißhilfselement fest und dauerhaft (im Sinne von unlösbar bzw. mit einfachen Mitteln nicht lösbar) miteinander verbunden bzw. gefügt werden.
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Die zu fügenden Bauteile sind aus unterschiedlichen Metallwerkstoffen gebildet. Hierunter wird vorrangig verstanden, dass sich die Metallwerkstoffe bzw. -materialien aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung und/oder ihres metallurgischen Aufbaus (bspw. Legierungselementanteile, Gefügestruktur und dergleichen) unterscheiden. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Bauteile aus artfremden Metallwerkstoffen gebildet sind. Hierunter wird vorrangig verstanden, dass sich die Metallwerkstoffe hinsichtlich ihres metallischen Hauptbestandteils oder ihrer metallischen Hauptbestandteile grundlegend unterscheiden, insbesondere derart, dass es sich um unterschiedliche Metalle (bspw. Eisen und Aluminium) handelt, was auch Gegenstand bevorzugter Weiterbildungen ist.
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Eine Idee der Erfindung besteht u. a. darin, die aus unterschiedlichen Metallwerkstoffen gebildeten Bauteile fest bzw. dauerhaft durch ein als solches bezeichnetes Schweißhilfselement zu verbinden, wobei die Bauteile mittels unterschiedlichen Fügeverfahren mit diesem Schweißhilfselement verbunden werden (und umgekehrt). Ein Schweißhilfselement kann aufgrund seiner Funktion und Anordnung auch als Zwischenelement oder Schweißeinlage bezeichnet werden. Das Schweißhilfselement ist insbesondere auch aus einem Metallwerkstoff bzw. -material gebildet. Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass das Schweißhilfselement aus mehreren unterschiedlichen Werkstoffen bzw. Materialien gebildet ist, die in zueinander abgegrenzten Werkstoffbereichen oder in einem heterogenen oder homogenen Werkstoffgefüge vorliegen.
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Das Verbinden des Schweißhilfselements mit dem ersten Bauteil erfolgt durch Reibschweißen. Der Werkstoff des Schweißhilfselements ist somit hinsichtlich des Werkstoffs des ersten Bauteils reibschweißgeeignet. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das Schweißhilfselement aus einem metallischen Werkstoff gebildet ist, wobei dieser metallische Werkstoff hinsichtlich des metallischen Werkstoffs des ersten Bauteils reibschweißgeeignet ist.
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Zum Reibschweißen wird das Schweißhilfselement auf das erste Bauteil aufgesetzt und relativ zum ersten Bauteil bewegt (oder umgekehrt). Die Relativbewegung zwischen dem Schweißhilfselement und dem ersten Bauteil kann rotatorisch (wie beim Rotationsreibschweißen) und/oder translatorisch (insbesondere auch kurvengeregelt, wie beim Orbitalreibschweißen oder Vibrationsreibschweißen) erfolgen. Die Relativbewegung kann variiert werden. Insbesondere kann auch eine Amplitude verändert oder variiert werden. Durch die entstehende Reibung kommt es zur Erwärmung (mechanische Bewegungswärme bzw. Reibungswärme) und zur Plastifizierung (in der Regel ohne Schmelzen) des Werkstoffs des Schweißhilfselements und/oder des Werkstoffs des ersten Bauteils, die sodann zueinander positioniert und gegeneinander gedrückt bzw. gepresst werden, wodurch nach Abkühlung eine feste und dauerhafte Verbindung entsteht. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Schweißhilfselement und das erste Bauteil bereits während der Relativbewegung gegeneinander gedrückt bzw. gepresst werden, was insbesondere durch axiale Krafteinwirkung auf die Fügestelle erfolgt. Hierbei ist gegebenenfalls ein axialer Nachsetzweg zu berücksichtigen. D. h. die Relativbewegung zwischen dem Schweißhilfselement und dem ersten Bauteil kann sich aus einer rotatorischen und/oder translatorischen Relativbewegung und einer, insbesondere hierzu senkrechten, Nachstellbewegung bzw. Nachsetzbewegung zusammensetzen. Mittels Reibschweißen können eine Vielzahl von metallischen Werkstoffen (wie beispielsweise Stahl mit Aluminium, Stahl mit Titan, Titan mit Aluminium, Stahl mit Magnesium, Magnesium mit Titan, usw.) miteinander verschweißt werden. Auch ist vielfach das Verschweißen bzw. Verbinden von metallischen Werkstoffen, die keine Legierungen, Mischkristalle und/oder Stoffgemische miteinander eingehen, möglich.
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Das Verbinden des zweiten Bauteils mit dem ersten Bauteil erfolgt durch Widerstandsschweißen, derart, dass das durch Reibschweißung fest mit dem ersten Bauteil verbundene Schweißhilfselement als Fügepartner für das zweite Bauteil dient. Der Werkstoff des Schweißhilfselements ist somit hinsichtlich des Werkstoffs des zweiten Bauteils widerstandsschweißgeeignet. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das Schweißhilfselement aus einem metallischen Werkstoff gebildet ist, wobei dieser metallische Werkstoff hinsichtlich des metallischen Werkstoffs des zweiten Bauteils widerstandsschweißgeeignet ist. Das Schweißhilfselement kann zudem magnetische und insbesondere permanentmagnetische Eigenschaften aufweisen, um die manuelle oder maschinelle Handhabung zu vereinfachen. Ferner kann vorgesehen sein, dass das Schweißhilfselement (im Bereitstellungszustand) zumindest abschnittsweise eine Beschichtung aufweist, zur Erzielung gewünschter Prozess- oder Verbundeigenschaften.
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Zum Widerstandsschweißen werden die beiden Bauteile an der Fügestelle unter Einschluss des Schweißhilfselements mit Elektroden mehr oder weniger stark zusammengedrückt. Durch einen über die Elektroden zu- und abgeführten und durch das Schweißhilfselement hindurch geleiteten elektrischen Strom bzw. Schweißstrom wird der Werkstoff des Schweißhilfselements und/oder des zweiten Bauteils (auf der dem Schweißhilfselement zugewandten Seite) bis zum Aufschmelzen erhitzt. Nach Beendigung des Stromflusses entsteht durch Wiedererstarrung der Schmelze bzw. der Schmelzen eine feste und dauerhafte Schweißverbindung zwischen dem durch Reibschweißung fest mit dem ersten Bauteil verbundenen Schweißhilfselement und dem zweiten Bauteil. Durch das Zusammendrücken der Bauteile während und nach dem Stromfluss (was auch als Widerstandspressschweißen oder Widerstandspunktschweißen bezeichnet werden kann) wird die Ausbildung einer besonders belastungsfähigen Schweißverbindung zwischen den Bauteilen unterstützt.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass sich beim Widerstandsschweißen eine Schweißlinse zwischen den Bauteilen ausbildet und zwar insbesondere derart, dass diese Schweißlinse zwischen dem zweiten Bauteil und dem Schweißhilfselement entsteht bzw. gebildet wird. Unter einer Schweißlinse wird insbesondere eine linsenförmige Erstarrung der Schmelze bzw. der Schmelzen an der Fügestelle verstanden. Insbesondere bildet sich die Schweißlinse durch Aufschmelzen und Erstarren des Werkstoffs des Schweißhilfselements aus. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass sich diese Schweißlinse an ihrer dem zweiten Bauteil zugewandten Randschicht stoffschlüssig mit dem Werkstoff des zweiten Bauteils verbindet bzw. verbunden hat. Die mit dem Werkstoff des ersten Bauteils durch Reibschweißung herbeigeführte Verbindung (zwischen dem Schweißhilfselement und dem ersten Bauteil) ist insbesondere im Wesentlichen erhalten geblieben.
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Die Erfindung sieht somit vor, dass zunächst (wenigstens) ein Schweißhilfselement bzw. eine Schweißeinlage mit dem ersten Bauteil durch Reibschweißen fest und dauerhaft verbunden wird, wobei das Schweißhilfselement und das erste Bauteil aus unterschiedlichen Werkstoffen und insbesondere unterschiedlichen Metallwerkstoffen gebildet sein können. D. h. es sind verschiedene Werkstoff- bzw. Materialkombinationen möglich. Die Verbindungsmechanismen zwischen dem Schweißhilfselement und dem ersten Bauteil beruhen vorrangig auf der durch den Reibprozess entstehenden Wärme, dem Anpassen und Annähern an der Fügestelle, dort stattfindenden Diffusionsvorgängen und gegebenenfalls auch dem Entstehen und Abkühlen einer Schmelze (oder mehrerer Schmelzen).
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Der Werkstoff des Schweißhilfselements fungiert im Weiteren nicht als Lotmittel, sondern das Schweißhilfselement fungiert als schweißgeeigneter bzw. widerstandsschweißgeeigneter Fügepartner für das zweite Bauteil. Somit kann im Anschluss an das Reibschweißen bzw. dem Reibschweißen nachfolgend ein Widerstandsschweißen und insbesondere Widerstandspunktsschweißen bzw. Widerstandspressschweißen erfolgen. Das Widerstandsschweißen kann in an und für sich bekannter Weise erfolgen. Durch die mögliche Analogie zum konventionellen Widerstandsschweißen ist bekanntes Wissen (insbesondere auch hinsichtlich der Vorrichtungs- und Anlagentechnik) auf die Erfindung übertragbar.
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Das erfindungsgemäße Fügen bzw. der erfindungsgemäße Gesamtprozess umfasst zwei einzelne Fügeprozesse: ein Reibschweißen und ein Widerstandschweißen. Das Reibschweißen zum Verbinden des Schweißhilfselements mit dem ersten Bauteil kann als Hilfsfügeprozess oder als Primärfügeprozess aufgefasst werden. Das (insbesondere konventionelle) Widerstandsschweißen kann als Hauptfügeprozess oder als Sekundärfügeprozess aufgefasst werden. Die einzelnen Fügeprozesse können zeitlich und/oder räumlich getrennt ausgeführt werden. Bspw. ist denkbar, dass das Verbinden eines oder mehrerer Schweißhilfselemente mit dem ersten Bauteil bei einem Zulieferer erfolgt. Die mittels Reibschweißen hergestellte Verbindung ist dauerhaft und somit transport- und lagersicher.
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Auf Verschweißung basierende Mischverbindungen zwischen unterschiedlichen Werkstoffen sind typischerweise problembehaftet, da sich z. B. nachteilige intermetallische Phasen bilden. Die bekannten Sonderschweißverfahren sind in der Regel aufwändig und teuer. Dem gegenüber ermöglicht die Erfindung das feste und dauerhafte und somit auch sichere Fügen von Bauteilen aus unterschiedlichen und insbesondere artfremden Metallwerkstoffen, was insbesondere (jedoch nicht ausschließlich) im Hinblick auf den Metall-Mischbau bei Kraftfahrzeugen bzw. Kraftfahrzeugkarosserien von großem Nutzen ist, vor allem um hiermit den automobilen Leichtbau voran zu treiben.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das bereitgestellte Schweißhilfselement wenigstens einen Formschlussabschnitt für den Eingriff eines Werkzeugs aufweist. Bei dem Werkzeug handelt es sich insbesondere um das Werkzeug einer Reibschweißvorrichtung, welches durch formschlüssigen Eingriff dem Schweißhilfselement eine translatorische und insbesondere eine rotatorische Bewegung und/oder eine Schwingung aufzwingen kann. Diverse Ausgestaltungsmöglichkeiten werden nachfolgend im Zusammenhang mit den Figuren noch näher erläutert.
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Die Erfindung ermöglicht das Verbinden von Bauteilen, die aus unterschiedlichsten Halbzeugen gebildet sind, wie bspw. Bleche, Bolzen, Profile und dergleichen, die miteinander in nahezu beliebiger Kombination verbunden werden können. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass beide Bauteile, d. h. sowohl das erste als auch das zweite Bauteil, aus (metallischen) Blechmaterialien bzw. Blechhalbzeugen, die vorzugsweise auch bereits eine räumliche Formgebung aufweisen, gebildet sind.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die aus Blechmaterialien gebildeten Bauteile zumindest im Bereich eines Schweißhilfselements auch miteinander verklebt werden bzw. sind. Das Verkleben erfolgt insbesondere flächig an den einander zugewandten Flächen. Das Verkleben und das Verschweißen ergänzen sich. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das Verschweißen mittels des Schweißhilfselements zum Fixieren der Bauteile dient, bis ein zwischen den Bauteilen befindlicher Klebstoff ausgehärtet ist (so genanntes Punktschweißkleben). Durch das Verkleben in Kombination mit dem Verschweißen (erfindungsgemäß mittels Schweißhilfselement) können z. B. sehr belastbare und crashsichere Fahrzeugkarosseriestrukturen hergestellt werden.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das erste Bauteil aus einem Aluminiumwerkstoff und insbesondere aus einem Aluminiumblech und das zweite Bauteil aus einem Stahlwerkstoff und insbesondere aus einem Stahlblech gebildet ist. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das zweite Bauteil aus einem hochfesten und insbesondere pressgehärteten Stahlblechmaterial gebildet ist und insbesondere auch eine metallische Korrosionsschutzbeschichtung aufweist. Ein hochfestes Stahlblechmaterial weist eine Zugfestigkeit von mindestens 1000 MPa oder mehr auf. Bei der metallischen Korrosionsschutzbeschichtung handelt es sich insbesondere um eine zink- oder aluminiumbasierte (bspw. FeAlSi-) Beschichtung, die vorzugsweise beidseitig und vollflächig aufgebracht ist.
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Beim Reibschweißen wird die eventuell vorhandene Oxidschicht auf dem Aluminiummaterial von dem Schweißhilfselement mechanisch und/oder thermisch durchbrochen oder zerstört. Im Anschluss kann nun durch das Widerstandsschweißen auch die eventuell vorhandene Beschichtung auf dem zweiten Bauteil durchbrochen werden (d. h. eine gesonderte Beschichtungsentfernung ist nicht erforderlich) und es entsteht eine feste und dauerhafte Verbindung, insbesondere unter Einschluss einer Schweißlinse. Die Erfindung ermöglicht somit Mischverbindungen zwischen einem Stahlwerkstoff, vorzugsweise einem pressgehärteten Stahlwerkstoff (bspw. 22MnB5) und insbesondere einem beschichteten Stahlwerkstoff und anderen Mischpartnern, wie insbesondere einem Aluminiumwerkstoff (bspw. AlMg3) oder auch einem anderen metallischen Werkstoff, wie bspw. Magnesium und Titan (einschließlich deren Legierungen).
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Der erfindungsgemäße Bauteilverbund umfasst wenigstens zwei Bauteile, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gefügt sind, wobei an wenigstens einer Fügestelle (wenigstens) ein Schweißhilfselement zwischen den Bauteilen angeordnet ist, das durch Reibschweißung mit dem ersten Bauteil fest verbunden ist und mit dem das zweite Bauteil durch Widerstandsschweißung fest verbunden ist, wodurch zwischen den beiden Bauteilen eine feste Verbindung besteht. In anderen Worten formuliert heißt dies, dass das Schweißhilfselement mit dem ersten Bauteil durch Reibverschweißung und mit dem zweiten Bauteil durch Widerstandsverschweißung verbunden ist und auf diese Weise mittelbar eine feste und dauerhafte Verbindung bzw. Fügung zwischen den wenigstens zwei Bauteilen hergestellt ist.
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Das erste Bauteil ist vorzugsweise aus einem Aluminiumwerkstoff und insbesondere aus einem Aluminiumblech gebildet. Das zweite Bauteil ist vorzugsweise aus einem Stahlwerkstoff und insbesondere aus einem Stahlblechmaterial gebildet. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das zweite Bauteil aus einem pressgehärteten Stahlblechmaterial gebildet und beschichtet ist. Das Schweißhilfselement ist vorzugsweise ebenfalls aus einem Stahlwerkstoff gebildet. Im Übrigen gelten analog die vorausgehenden und nachfolgenden Erläuterungen in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
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Das erfindungsgemäße Schweißhilfselement dient dazu, im Rahmen der erfindungsgemäßen Prozess- bzw. Verfahrensführung eine nicht sichtbare Fügestelle herzustellen. Um dies zu ermöglichen, hat das erfindungsgemäße Schweißhilfselement insbesondere eine körperliche Ausgestaltung (bzw. Form oder Geometrie), welche einerseits für den Reibschweißprozess und andererseits für den Widerstandsschweißprozess sehr geeignet ist. Für einen sicheren Reibschweißprozess kann das Schweißhilfselement auf der entsprechenden Seite (dem ersten Bauteil zugewandt) konisch, spitz, trapezförmig oder dergleichen ausgebildet sein. Für einen sicheren Widerstandschweißprozess kann das Schweißhilfselement auf der entsprechenden Seite bzw. Gegenseite (dem zweiten Bauteil zugewandt) ebenso konisch, spitz, trapezförmig oder dergleichen ausgebildet sein. Durch die resultierende Stromdichte (bzw. Stromkonzentration) beim Widerstandsschweißen wird ein schneller und sicherer Schweißprozess gewährleistet.
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In anderen Worten heißt dies, dass das Schweißhilfselement eine für den Reibschweißprozess und für den Widerstandsschweißprozess günstige Form aufweist, wobei bei der Formgestaltung insbesondere auch ein günstiges Verkleben der Bauteile berücksichtigt sein kann.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Schweißhilfselement hinsichtlich seines insbesondere metallischen Werkstoffs so beschaffen ist, dass dieses bezüglich des ersten Bauteils reibschweißgeeignet und bezüglich des zweiten Bauteils widerstandsschweißgeeignet ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend lediglich beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die schematischen Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können jedoch, unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein.
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1 zeigt in mehreren Einzeldarstellungen einen Reibschweißvorgang.
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2 zeigt in zwei Einzeldarstellungen einen dem Reibschweißvorgang aus 1 nachfolgenden Widerstandsschweißvorgang.
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3 zeigt in einer Draufsicht und in einer Seitenansicht diverse Ausgestaltungsmöglichkeiten für Schweißhilfselemente.
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1a zeigt ein erstes Bauteil 10, das aus einem Aluminiumblech (bspw. aus einem AlMg3-Werkstoff) gebildet ist. Mit 30 ist ein Schweißhilfselement bezeichnet, das nachfolgend mit dem ersten Bauteil 10 mittels Reibschweißen fest verbunden wird. Das Schweißhilfselement 30 ist aus einem Stahlwerkstoff gebildet. Die Darstellung der 1a zeigt das erste Bauteil 10 in einer Seitenansicht und das Schweißhilfselement 30 in einer Draufsicht. Mit 31 ist ein schlitz- bzw. nutartiger Formschlussabschnitt am Schweißhilfselement 30 bezeichnet.
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Für das Reibschweißen wird das Schweißhilfselement 30 auf das erste Bauteil 10 aufgelegt, was vorzugsweise maschinell erfolgt. Zu diesem Zeitpunkt kann sich das erste Bauteil 10 bereits in einer Reibschweißvorrichtung bzw. -anlage 100 befinden. Die Zuführung des Schweißhilfselements 30 zum ersten Bauteil 10 kann in an und für sich bekannter Weise erfolgen, bspw. mit einer Transferfolie bzw. einem Transportband, einem Zuführungsschlauch, einem Magazin, einer Zuführungsschiene und dergleichen. 1b zeigt das auf dem ersten Bauteil 10 positionierte Schweißhilfselement 30, das nun ebenfalls in einer Seitenansicht dargestellt ist.
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Zum Reibschweißen wird ein zu einer Reibschweißvorrichtung 100 gehörendes Werkzeug 110 mit dem Formschlussabschnitt 31 des Schweißhilfselements 30 in formschlüssigen Eingriff gebracht und anschließend um die Längsachse L in Drehung bzw. Rotation oder Oszillation M versetzt. Dies ist in 1c veranschaulicht. Gleichzeitig wird über das Werkzeug 110 eine in axialer Richtung L wirkende Druckkraft F auf das Zwischenstück 30 ausgeübt, das hierdurch gegen das erste Bauteil 10 gedrückt wird. Das Bauteil 10 wird hierbei durch eine zur Vorrichtung 100 gehörende Auflage 120 abgestützt. Durch die an der Berührungsstelle zwischen dem Schweißhilfselements 30 und dem ersten Bauteil 10 resultierende Reibung kommt es zur Erwärmung und zur Plastifizierung des Werkstoffs des Schweißhilfselements 30 und/oder des Werkstoffs des ersten Bauteils 10, wie in 1d durch das in das erste Bauteil 10 eingedrückte Schweißhilfselement 30 veranschaulicht. Das Werkzeug 110 wurde entsprechend in axialer Richtung L nachgestellt bzw. nachgeführt. Nach Beendigung des Vorgangs und nach Abkühlung besteht trotz der artfremden Metallwerkstoffe (Stahl/Aluminium) eine feste und dauerhafte Verbindung bzw. Reibschweißverbindung S1 zwischen dem Schweißhilfselement 30 und dem ersten Bauteil 10. Wegen der verhältnismäßig geringen Fügetemperaturen bei dem erläuterten Reibschweißen haben sich keine kritischen intermetallischen Phasen gebildet.
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Aus dem Stand der Technik sind auch andere Reibschweißverfahren und -varianten bekannt, die sich für die Erfindung gleichermaßen eignen.
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Für das nachfolgende Widerstandsschweißen wird ein zweites Bauteil 20 derart relativ zum ersten Bauteil 10 positioniert, dass sich das fest mit dem ersten Bauteil 10 verbundene Schweißhilfselement 30 zwischen dem ersten Bauteil 10 und dem zweiten Bauteil 20 befindet, wie in 2a gezeigt. Das zweite Bauteil 20 ist aus einem pressgehärteten Stahlblech (bspw. aus einem 22MnB5-Werkstoff) gebildet. Das Widerstandsschweißen erfolgt in einer Widerstandsschweißvorrichtung bzw. -anlage 200, die zwei Elektroden 210 und 220 umfasst.
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Zum Widerstandsschweißen werden die beiden Elektroden 210 und 220 an der durch das Schweißhilfselement 30 vorgegebenen Fügestelle beidseitig der Bauteile 10 und 20 positioniert und mit den Bauteilen 10 und 20 in Berührungskontakt gebracht. Eine gesonderte Kennzeichnung der Fügestelle ist wegen des vorausgehenden Reibschweißprozesses in der Regel nicht erforderlich. Über die Elektroden 210 und 220 wird an der Fügestelle ein Schweißstrom I durch die Bauteile 10 und 20 geführt, wobei der Schweißstrom I auch das Schweißhilfselement 30 durchfließt und dessen Werkstoff aufgrund von elektrischer Widerstandswirkung zumindest teilweise bzw. abschnittsweise in dem dem zweiten Bauteil 20 zugewandten Abschnitt bis zum Schmelzen erhitzt. Hierbei kann auch der Werkstoff des zweiten Bauteils 20 an der Fügestelle schmelzen. Gleichzeitig werden die Elektroden 210 und 220 mehr oder weniger stark zusammengedrückt und nachgestellt bzw. nachgeführt, was durch den Pfeil Pan der oberen Elektrode 210 veranschaulicht ist, bis sich die beiden Bauteile 10 und 20 an der Fügestelle flächig berühren. Bei vorausgehendem Auftrag eines Klebstoffs kann somit auch eine Klebeverbindung zwischen den Bauteilen 10 und 20 herbeigeführt werden.
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Nach Beendigung des Stromflusses bzw. nach Abschalten des Schweißstroms I entsteht durch Wiedererstarrung der Schmelze bzw. der Schmelzen eine feste und dauerhafte Schweißverbindung zwischen dem durch Reibverschweißung S1 fest mit dem ersten Bauteil 10 verbundenen Schweißhilfselement 30 und dem zweiten Bauteil 20. Hierbei entsteht eine stoffschlüssige Verbindung bzw. Fügung S2 zwischen dem Schweißhilfselement 30 und dem zweiten Bauteil 20. Insbesondere bildet sich zwischen den Bauteilen 10 und 20 eine Schweißlinse 40 aus, wie in 2b gezeigt. D. h. das Schweißhilfselement 30 hat sich, zumindest teilweise, zu einer Schweißlinse 40 umgewandelt.
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Aus dem Stand der Technik sind auch andere Widerstandsschweißverfahren und -varianten bekannt, die sich für die Erfindung gleichermaßen eignen.
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Der vorausgehend erläuterte Gesamtprozess ist verhältnismäßig kostengünstig. Der auf diese Weise erzeugte Bauteilverbund 50 umfasst die beiden Bauteile 10 und 20, wobei an wenigstens einer Fügestelle (wenigstens) ein zur Schweißlinse 40 umgewandeltes Schweißhilfselement 30 zwischen diesen Bauteilen 10 und 20 angeordnet ist. Das Schweißhilfselement 30 bzw. die Schweißlinse 40 ist durch Reibschweißung bzw. Reibverschweißung S1 mit dem ersten Bauteil 10 fest verbunden. Das zweite Bauteil 20 ist durch Widerstandsschweißung bzw. Widerstandsverschweißung S2 fest mit dem Schweißhilfselement 30 bzw. mit der Schweißlinse 40 verbunden, wodurch zwischen den beiden Bauteilen 10 und 20 eine feste Verbindung besteht. In vorteilhafter Weise befindet sich das Schweißhilfselement 30 nur zwischen den Bauteilen 10 und 20 und steht zu keiner Seite über (wie bspw. beim Widerstandselementschweißen oder dem Schweißnieten). Auch Dichtigkeitsprobleme treten nicht auf.
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Die Erfindung beruht demnach unter anderem auf der Idee, dem Stahlwerkstoff des zweiten Bauteils 20 mit dem ebenfalls aus einem Stahlwerkstoff gebildeten Schweißhilfselement 30 einen Fügepartner zur Verfügung zu stellen, der artähnlich ist und somit ein Widerstandsschweißen ermöglicht. In anderen Worten ausgedrückt heißt dies, dass dem bezüglich dem zweiten Bauteil 20 artfremden Aluminiumwerkstoff des ersten Bauteils 10 eine Widerstandsschweißeignung durch Aufschweißen des Schweißhilfselements 30 mittels Reibschweißen gegeben bzw. verliehen wird. Hierzu wird ein Schweißhilfselement 30 verwendet, dessen Werkstoff bzw. Stahlwerkstoff einerseits eine Eignung für das Reibschweißen mit dem Aluminiumwerkstoff des ersten Bauteils 10 und andererseits eine Eignung für das Widerstandsschweißen mit dem Stahlwerkstoff des zweiten Bauteils 20 aufweist.
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Die erzielte Fügestellenfestigkeit und -duktiltät ist vergleichsweise hoch und weist auch eine hohe Haltbarkeit bzw. Dauerfestigkeit auf. Über die Form und Größe des Schweißhilfselements 30 kann die Fügestellenfestigkeit beeinflusst werden. Die Form und Größe hat ferner auch Einfluss auf die Prozessparameter beim Reibschweißen und beim Widerstandsschweißen. In vorteilhafter Weise besitzt die Fügestelle auch ein duktiles Versagensverhalten, da insbesondere keine spröden metallischen Phasen vorhanden sind. Das Schweißhilfselement 30 ermöglicht durch Legierungsbildung bei den Schweißprozessen auch die gezielte Beeinflussung von metallurgischen Zuständen an der Fügestelle bzw. in der Fügezone.
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Wie bereits erläutert kann ein Schweißhilfselement 30 aus unterschiedlichsten Werkstoffen und insbesondere Metallwerkstoffen gebildet sein. Bevorzugt ist der Werkstoff oder die Werkstoffkombination an die Werkstoffe der zu fügenden Bauteile 10 und 20 angepasst, insbesondere auch unter Berücksichtigung, dass durch eine Schweiß- und gegebenenfalls auch Klebeeignung die Schweißprozesse und gegebenenfalls auch der Klebeprozess begünstigt werden sollen. Ein Schweißhilfselement 30 ist an den ein Reibschweißen und ein Widerstandsschweißen umfassenden Gesamtprozess angepasst.
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Die Form, Geometrie und Größe für die Schweißhilfselemente 30 kann mit Einschränkungen weitgehend frei gewählt werden. 3a zeigt mehrere Ausgestaltungsmöglichkeiten für Schweißhilfselemente 30 in einer Draufsicht. 3b zeigt mehrere Ausgestaltungsmöglichkeiten für Schweißhilfselemente 30 in einer Seitenansicht. Die gezeigten Ausgestaltungsmöglichkeiten sind miteinander kombinierbar. Um einen Formschluss mit einem Werkzeug 110 einer Reibschweißvorrichtung 100 zu ermöglichen, können die Schweißhilfselemente 30 mit Formschlussabschnitten, insbesondere in Form von geometrischen Details wie bspw. Außenverzahnungen 32, Innenverzahnungen 33, Bohrungen und Vertiefungen (rund und nichtrund), Phasen, Laschen, Nuten 31 und dergleichen, ausgebildet sein, wie gezeigt. Zudem können die Schweißhilfselemente 30 magnetische (auch permanentmagnetische) Eigenschaften aufweisen. Die Schweißhilfselemente 30 sind günstig herstellbar und bereitstellbar.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- erstes Bauteil
- 20
- zweites Bauteil
- 30
- Schweißhilfselement (Schweißeinlage, Zwischenelement)
- 31
- Nut
- 32
- Außenverzahnung
- 33
- Innenverzahnung
- 40
- Schweißlinse
- 50
- Bauteilverbund
- 100
- Reibschweißvorrichtung
- 110
- Werkzeug
- 120
- Auflage (Tisch)
- 200
- Widerstandsschweißvorrichtung
- 210
- Elektrode
- 220
- Elektrode Kraft
- I
- Schweißstrom
- L
- Längsachse, Rotationsachse
- M
- Rotation, Oszillation
- P
- Anpresskraft, -druck
- S1
- Reibschweißverbindung
- S2
- Widerstandschweißverbindung
- U
- Spannung (Wechselspannung)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009058898 A1 [0003]
