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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden einer Fügeoberfläche eines ersten Bauteils mit einer Fügeoberfläche eines zweiten Bauteils, sowie auf ein Verbundwerkstück, welches aus mindestens zwei miteinander verbundenen Bauteilen besteht.
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Grundsätzlich ist bekannt, dass miteinander zu verbindende Werkstoffe, insbesondere im Automobilbausektor, durch Fügeverfahren, wie beispielsweise Kleben, Schrauben oder Nieten zusammengefügt werden. Durch die Verwendung zusätzlicher Verbindungselemente, wie den Schrauben, Nieten oder vergleichbaren Elementen entstehen jedoch zusätzliche Kosten bei der Herstellung eines Verbundwerkstückes, wobei die Anwendung dieser Verbindungselemente zudem auch das Gewicht des Verbundwerkstückes erhöht. Als nachteilig kann auch angesehen werden, dass bei beispielsweise einer Beschädigung der Verbindungselemente auch die geforderte Verbindung bzw. Haftung der einzelnen Werkstoffe bzw. Bauteile miteinander nicht mehr gewährleistet werden kann. Zudem kann es zu Deformierungen der miteinander zu verbindenden Werkstoffe im Fügeverfahren kommen. Des Weiteren ist die konstruktive Ausgestaltung eines Verbundwerkstückes bei der Verwendung zusätzlicher Verbindungselemente stark eingeschränkt, da die Verbindungselemente spezifisch geformte Fügebereiche benötigen, um eine haltbare Verbindung der Werkstoffe miteinander gewährleisten zu können.
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Ein weiteres grundsätzlich bekanntes Fügeverfahren ist das Verkleben von Bauteilen bzw. Werkstoffen. Nachteilig hierbei ist jedoch zum einen die Erfordernis der Vorbehandlung der Oberflächen der miteinander zu verbindenden Bauteile, welche einen zusätzlichen Bearbeitungsschritt erfordert und folglich zu einer Erhöhung der Bearbeitungs- bzw. Fertigungskosten führt. Des Weiteren ist es als nachteilig anzusehen, dass nicht nur die jeweilige Oberflächenvorbehandlung, sondern auch der anzuwendende Klebstoff auf die einzelnen miteinander zu verbindenden Werkstoffe angepasst und abgestimmt werden muss. Hierfür müssen insbesondere für die geeignete Auswahl des Klebstoffes auch die zu erwartenden Beanspruchungen des Verbundwerkstückes bekannt sein. So ist grundsätzlich bekannt, dass es beispielsweise bei einer dauerhaft statischen Belastung aufgrund etwaiger geringer Standfestigkeiten einiger Klebstoffe zum Kriechen und infolgedessen zu einem Versagen dieser Klebstoffe kommt. Auch die auf das Verbundwerkstück einwirkenden Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise die Temperatur, können unter anderem zu einer Versprödung des Klebstoffes, insbesondere bei niedriger Temperatur, oder zu einer Erweichung des Klebstoffes, insbesondere bei hohen Temperaturen, und folglich zu einem Auflösen der Verbindung der Bauteile des Verbundwerkstückes führen. Auch durch die „Alterung” des Klebstoffes, welcher ein organisches Material sein kann, wird die Gebrauchsdauer nachteilig eingeschränkt.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die voranstehenden Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Des Weiteren ist es die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Verbinden zweier in ihrer Stoffeigenschaft unterschiedlicher Werkstoffe sowie einen aus zwei in ihrer Stoffeigenschaft unterschiedlichen Werkstoffen bestehenden Verbundwerkstoff zur Verfügung zu stellen, durch welche auf einfache und kostengünstige Art und Weise ein Verbinden bzw. Zusammenfügen von insbesondere zueinander stofflich unterschiedlichen Werkstoffe ohne die voranstehend beschriebenen Nachteile ermöglicht wird. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine dauerhafte und vorteilhaft unlösbare Verbindung der Werkstoffe ohne die Verwendung zusätzlicher Verbindungselemente zu schaffen.
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Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruchs 1 und ein Verbundwerkstück mit den Merkmalen gemäß Anspruch 6. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstück und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Verbinden zumindest eines Bereichs einer Fügeoberfläche eines ersten Bauteils, welches mindestens einen Leichtmetallwerkstoff aufweist, mit zumindest einem Bereich einer Fügeoberfläche eines zweiten Bauteils, welches mindestens einen Schwermetallwerkstoff aufweist, gelöst. Erfindungsgemäß wird dabei eine mindestens einen Schweißschichtabschnitt aufweisende Schweißschicht wenigstens abschnittsweise auf einer Fügeoberfläche von zumindest einem der Bauteile aufgebracht und zumindest abschnittsweise stoffschlüssig mit den Fügeoberflächen beider Bauteile verbunden.
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Durch ein derartiges Verfahren können Verbundwerkstücke mit zwei oder mehr miteinander dauerhaft und vorteilhaft unlösbar verbundenen Bauteilen bzw. Werkstoffen erzeugt werden, die vorteilhaft ein geringes Gewicht aufweisen.
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Des Weiteren ist ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Verbundwerkstück kostengünstig aufgrund fehlender zusätzlich zu verwendender Verbindungselemente und umweltschonend aufgrund fehlender chemischer Verbindungsmittel, wie beispielsweise Klebstoffen, herstellbar.
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Vorteilhaft bedarf es bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch nicht einer Vorbehandlung der miteinander zu verbindenden Oberflächen, das heißt der Fügeoberflächen der Bauteile. Jedoch soll nicht ausgeschlossen werden, dass die Fügeoberflächen auch beispielsweise mittels Sandstrahlen bei Bedarf vorbehandelt werden können, ohne die Haftung der miteinander verbundenen Bauteile zu beeinträchtigen.
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Das erste Bauteil, welches mindestens einen Leichtmetallwerkstoff aufweist, weist vorzugsweise Aluminium, besonders bevorzugt eine Aluminiumlegierung auf. Es ist auch denkbar, dass das Bauteil vollständig aus Aluminium oder der Aluminiumlegierung besteht, oder neben diesem Bestandteil noch weitere Leichtmetallwerkstoffe oder auch Schwermetallwerkstoffe aufweisen kann.
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Hierbei wird als Werkstoff ein Rohstoff, ein Hilfsstoff, ein Halbzeug oder auch ein Halbfertigprodukt verstanden.
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Bei einem Leichtmetallwerkstoff handelt es sich folglich um einen Werkstoff, welcher Metalle und/oder Legierungen aufweist, die eine Dichte unter ca. 5 g/cm3 aufweisen. Dazu zählen neben Aluminium auch beispielsweise Titan, Barium, Strontium, Magnesium usw.
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Das zweite Bauteil, welches mit dem ersten Bauteil vorteilhaft dauerhaft verbunden werden soll, weist dagegen mindestens einen Schwermetallwerkstoff auf. Vorzugsweise handelt es sich bei diesem Schwermetallwerkstoff um Eisen, und insbesondere um Eisen mit einer metallischen Legierung und besonders bevorzugt um Stahl.
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Bei einem Schwermetallwerkstoff handelt es sich folglich um einen Werkstoff, welcher Metalle und/oder Legierungen aufweist, die eine Dichte über ca. 5 g/cm3 aufweisen. Dazu zählen beispielsweise neben Eisen auch Chrom, Mangan, Cobald, Nickel Kupfer, Zink usw.
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Die Schweißschicht, welche wenigstens abschnittsweise, das heißt zumindest in einem definierten Bereich einer Fügeoberfläche eines der miteinander zu verbindenden Bauteile aufgebracht bzw. erzeugt wird, weist zumindest einen Schweißschichtabschnitt auf, welcher sich zumindest stoffschlüssig mit der Fügeoberfläche dieses Bauteils verbindet.
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Vorteilhaft besteht die Schweißschicht aus lediglich einem Schweißschichtabschnitt, der sich im Wesentlichen entlang und vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Fügeoberfläche des Bauteils erstreckt.
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Es ist jedoch auch denkbar, dass die Schweißschicht zumindest abschnittsweise aus einer Mehrzahl von einander sich zumindest abschnittsweise überlagernden und/oder berührend angrenzenden Schweißschichtabschnitten besteht. Demnach wäre es möglich, dass die Schweißschicht in Form einer Sandwichbauweise aus einer Mehrzahl, das heißt zwei oder mehr Abschnitten bzw. Schweißschichtabschnitten gebildet wird.
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Vorteilhaft weist die Schweißschicht eine sich von der Fügeoberfläche weg erstreckende Dicke bzw. Höhe von ca. 2 mm bis ca. 20 mm, vorzugsweise von ca. 8 mm bis ca. 11 mm und besonders bevorzugt von ca. 2 mm bis ca. 3 mm auf. Die zu erzeugende Dicke der Schweißschicht hängt dabei insbesondere vom verwendeten Verfahren zum Aufbringen der Schweißschicht ab.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die Schweißschicht aus mindestens einer Schweißnaht gebildet, deren sich entlang der Fügeoberfläche erstreckende Breite insbesondere vom verwendeten Verfahren zum Aufbringen der Schweißschicht abhängt und Dimensionen von ca. 2 mm bis 30 mm, vorzugsweise ca. 10 mm bis 20 mm und besonders bevorzugt von ca. 5 mm bis 8 mm aufweist. Es ist vorteilhaft möglich, dass die Schweißschicht durch Erzeugen einer Mehrzahl in einer Ebene nebeneinander bzw. hintereinander und beispielsweise sich zumindest abschnittsweise berührender, auf der Fügeoberfläche des Bauteils angeordneter Schweißnähte gebildet wird. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Schweißschicht aus einer Mehrzahl von in Gitternetzform zueinander angeordneten Schweißnähten gebildet. Die Schweißnähte der Schweißschicht können dabei als gerade Linie, als Wellenlinie, als meanderförmige Linie, als Zick-Zack-Linie usw. entlang der Fügeoberfläche des Bauteils verlaufen. Es ist des Weiteren denkbar, dass die einzelnen Schweißnähte, welche eine Schweißschicht bilden können, einander berühren bzw. ineinander übergehen, sodass entlang der Fügeoberfläche eine lückenlose Schweißschicht aus einer Vielzahl von Schweißnähten oder einer einzelnen sich über die Fügeoberfläche verlaufende Schweißnaht gebildet wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Schweißschicht mittels eines Auftragschweißverfahrens, wie beispielsweise eines Laserauftragschweißverfahrens, eines Plasma-Pulver-Auftragsschweißverfahrens oder eines Elektronenstrahlschweißverfahrens gebildet bzw. erzeugt bzw. auf der Fügeoberfläche eines Bauteils aufgebracht. Vorteilhaft wird bei diesen Verfahren eine Schweißschicht mittels Aufschmelzung eines Bereichs der Fügeoberfläche und gleichzeitigem Aufbringen eines Materials erzeugt, wobei das Material selbst beispielsweise als Pulver und insbesondere als Metallpulver oder in Form eines Schweißdrahtes oder eines Schweißbandes aufgebracht werden kann. Durch die Anwendung des Auftragschweißverfahrens verbindet sich das Material des Bauteils im Bereich der Fügeoberfläche mit dem Schweißschichtmaterial. Es ist denkbar, dass im Wesentlichen zeitgleich zum Aufbringen der Schweißschicht die Fügeoberflächen beider miteinander zu verbindender Bauteile mit dem Schweißschichtmaterial stoffschlüssig verbunden werden. Demnach sind auch beide Bauteile zumindest indirekt bzw. mittelbar über die Schweißschicht miteinander verbunden. Vorteilhaft wird hierbei die Fügeoberfläche des ersten Bauteils an die Fügeoberfläche des zweiten Bauteils angeordnet, bevor die Schweißschicht auf zumindest einer Fügeoberfläche eines der Bauteile und vorzugsweise zumindest zeitweise gleichzeitig auf beiden Fügeoberflächen der Bauteile aufgebracht wird und die Fügeoberflächen beider Bauteile mittelbar miteinander und unmittelbar mit der Schweißschicht verbindet.
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Des Weiteren ist es denkbar, dass die beiden Bauteile direkt aneinander angeordnet, das bedeutet auf Stoß aneinander angrenzend angeordnet sind und sich folglich zumindest abschnittsweise, insbesondere im Bereich derer Fügeoberflächen, unmittelbar berühren. Infolgedessen wird hierbei die Schweißschicht bzw. der Schweißschichtabschnitt der Schweißschicht im Fügebereich der beiden Bauteile ausgehend von einer der Fügeoberflächen der Bauteile angrenzenden Oberfläche aufgebracht. Das Schweißmaterial der Schweißschicht dringt folglich in den Bereich der sich angrenzenden Fügeoberflächen der beiden Bauteile ein und verbindet sich mit dem Material bzw. Werkstoff der jeweiligen Bauteile, zumindest im Bereich der Fügeoberflächen der beiden Bauteile. Dadurch werden die beiden Bauteile zumindest mittelbar über die Schweißschicht miteinander verbunden bzw. verschweißt.
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Es ist gemäß einer anderen Ausführungsform jedoch auch denkbar, dass zuerst die Schweißschicht auf einer Fügeoberfläche eines der Bauteile und vorzugsweise des ersten Bauteils, welches zumindest einen Leichtmetallwerkstoff aufweist, aufgebracht wird, bevor das andere Bauteil und vorzugsweise das zweite Bauteil, welches einen Schwermetallwerkstoff aufweist, an der auf der Fügeoberfläche des ersten Bauteils gebildeten Schweißschicht angeordnet wird. Vorteilhaft wird darauffolgend, nachdem die Fügeoberfläche des anderen, insbesondere des zweiten Bauteils an einer der Oberflächen der Schweißschicht angeordnet ist, unter Verwendung eines insbesondere konventionellen Schweißverfahrens das andere Bauteil stoffschlüssig mit der Schweißschicht verbunden. Die Fügeoberfläche des anderen Bauteils kann dabei an einer Oberfläche der Schweißschicht angeordnet werden, welche sich gegenüber der Oberfläche erstreckt, die mit der Fügeoberfläche des einen (ersten) Bauteils verbunden ist, sodass die Fügeflächen der Bauteile sich im Wesentlichen zumindest abschnittsweise parallel zueinander erstrecken. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Fügeoberflächen ein einem spitzen, stumpfen oder rechten Winkel zueinander angeordnet sind, wobei sich Bereiche der Fügeoberflächen der einzelnen Bauteile berühren können oder nicht. Vorzugsweise erstreckt sich die Schweißschicht zumindest abschnittsweise zwischen diesen Fügeoberflächen und verbindet sich stoffschlüssig mit diesen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird mindestens ein zweiter Schweißschichtabschnitt mittels eines Auftragschweißverfahrens zumindest abschnittsweise auf zumindest einer der Fügeoberflächen der Bauteile aufgebracht und zumindest abschnittsweise wenigstens mit einer der Oberflächen eines ersten Schweißschichtabschnittes auf der Fügeoberfläche des anderen Bauteils stoffschlüssig zu der Schweißschicht verbunden. Demzufolge wird die Schweißschicht vorteilhaft aus zwei oder auch mehr Schweißschichtabschnitten gebildet, die sich demnach zu einer gesamten bzw. gemeinsamen Schweißschicht verbinden. Vorteilhaft wird der zweite Schweißschichtabschnitt auf der Fügefläche desjenigen Bauteils aufgebracht, auf welchem noch kein erster Schweißschichtabschnitt aufgebracht wurde. Vorzugsweise erfolgt zumindest zeitweise während des Aufbringens bzw. Bildens des zweiten Schweißschichtabschnittes auf der Fügeoberfläche des Bauteils ein stoffschlüssiges Verbinden des ersten Schweißschichtabschnittes mit dem zweiten Schweißschichtabschnitt. Es ist jedoch auch möglich, dass erst nachdem der zweite Schweißschichtabschnitt auf der Fügefläche gebildet wurde mittels eines weiteren Schweißverfahrens eine Oberfläche des ersten Schweißschichtabschnittes mit einer Oberfläche des zweiten Schweißschichtabschnittes stoffschlüssig verbunden wird. Die zum Verbinden der Oberflächen der Schweißschichtabschnitte verwendeten (im Wesentlichen konventionellen) Schweißverfahren sind beispielsweise das WIG-Schweißen, Reibschweißen, MSG-Schweißen, Lichtbogenschweißen usw.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verbundwerkstück beansprucht, welches aus mindestens zwei miteinander verbundenen Bauteilen besteht, wobei zumindest ein erstes Bauteil mindestens einen Leichtmetallwerkstoff aufweist und zumindest ein zweites Bauteil mindestens einen Schwermetallwerkstoff aufweist. Erfindungsgemäß ist zwischen jeweiligen Fügeoberflächen der Bauteile zumindest abschnittsweise eine zumindest einen Schweißschichtabschnitt aufweisende Schweißschicht angeordnet, mit welcher die Bauteile stoffschlüssig verbunden sind.
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Das erfindungsgemäße Verbindwerkstück findet vorteilhaft auch Einsatz bei tragenden Teilen eines Automobils, wie der Karosserie oder dem Fahrwerk, insbesondere, da es aufgrund der Werkstoffkombination beispielsweise zum einen deutlich leichter ist, als reine Schwermetallwerkstoffbauteile und zum anderen auch deutlich widerstandsfähiger und stabiler hinsichtlich beispielsweise des Aufprallschutzes als reine Leichtmetallwerkstoffkomponenten.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft möglich mit dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff neuartige Fahrzeugarchitekturen aufgrund der verbesserten Formbarkeit des Verbundwerkstoffes durch den Einsatz zumindest eines Leichtmetallwerkstoffbauteils und aufgrund des Fehlens von zusätzlichen Verbindungselementen zu schaffen.
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Vorzugsweise besteht die Schweißschicht aus mindestens einem Schweißschichtabschnitt.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das erste Bauteil Aluminium, insbesondere eine Aluminiumlegierung, und/oder Titan, insbesondere eine Titanlegierung, auf, wobei das zweite Bauteil vorzugsweise einen Eisenwerkstoff mit einer metallischen Legierung, insbesondere einen Stahlwerkstoff aufweist. Aluminium ist ein relativ weiches, jedoch auch zähes Metall, welches eine gute Dehnbarkeit aufweist und auch zu einer dünnen Folie, beispielsweise mittels Auswalzen, verarbeitet werden kann. Folglich ist der Einsatz von Aluminiumwerkstoffen dienlich bei der Herstellung von Bauteilen mit geringem Gewicht. Insbesondere im Automobilbau spielt das Gewicht des Fahrzeuges hinsichtlich des Treibstoffverbrauchs eine wichtige Rolle. In Legierungen mit Magnesium, Silicium oder anderen Metallen werden zudem vorteilhaft unter anderem auch die Schweißbarkeit, die Dauerbruchfestigkeit und die Verformungseigenschaft von Aluminium deutlich optimiert. Demgegenüber stehen – im Vergleich zu beispielsweise einem Eisenwerkstoff – die erhöhten Materialkosten des Aluminiumwerkstoffes. Hohe Materialkosten führen zu erhöhten Herstell- und Produktionskosten, wobei auch die Kosten ein entscheidender zu berücksichtigender Aspekt im Bereich des Automobilbaus sind. Besonders Eisen, welcher der Hauptbestandteil von Stahl ist, weist eine hohe Festigkeit und Zähigkeit, insbesondere in Legierungen mit anderen Metallen, wie beispielsweise Chrom, Molybdän und Nickel auf und ist aufgrund seines verbreiteten Vorkommens ein preiswerter Werkstoff. Jedoch ist Eisen bzw. Stahl nur bedingt formbar, sodass insbesondere die Herstellung filigraner Elemente lediglich mittels dem Werkstoff Eisen erschwert ist.
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Demzufolge wird erfindungsgemäß ein Leichtmetallwerkstoff, wie Aluminium bzw. Aluminiumlegierung mit einem Schwermetallwerkstoff, wie beispielsweise Eisen oder Stahl verbunden, um die Vorteile beider Werkstoffe miteinander kombinieren und die Nachteile beider Werkstoffe folglich kompensieren zu können. Es sind jedoch auch abweichende Bauteilkombinationen, wie beispielsweise eines Titanwerkstoffes mit einem Stahlwerkstoff, oder eines Magnesiumwerkstoffes mit einem Stahlwerkstoff usw. möglich.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Schweißschicht mindestens eine Schweißnaht auf, welche sich zumindest abschnittsweise entlang der Fügeoberfläche eines der Bauteile erstreckt. Vorteilhaft weist die Schweißschicht weiterhin einen Schwermetallwerkstoff, wie beispielsweise einen Eisenwerkstoff und insbesondere einen Stahlwerkstoff auf, um eine stoffschlüssige Verbindung des ersten Bauteils mit dem zweiten Bauteil zu ermöglichen.
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Vorteilhaft ist das Verbundwerkstück mittels eines oben beschriebenen Verfahrens hergestellt
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Bei dem beschriebenen Verbundwerkstück ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einem Verfahren zum Verbinden zumindest eines Bereichs einer Fügeoberfläche eines ersten Bauteils mit zumindest einem Bereich einer Fügeoberfläche eines zweiten Bauteils gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:
Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Verfahrens und eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
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1 ein Aufbringen zumindest eines Schweißschichtabschnittes einer Schweißschicht auf eine Fügeoberfläche eines Bauteils und das stoffschlüssige Verbinden der Fügeoberfläche mit der Schweißschicht gemäß einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 ein Anordnen eines weiteren Bauteils mit dessen Fügeoberfläche an eine Oberfläche der Schweißschicht nach dem Aufbringen der Schweißschicht gemäß 1,
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3 ein stoffschlüssiges Verbinden der Schweißschicht mit der Fügeoberfläche des gemäß 2 angeordneten weiteren Bauteils,
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4 ein Anordnen einer Fügeoberfläche eines ersten Bauteils an eine Fügeoberfläche eines zweiten Bauteils gemäß einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
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5 ein stoffschlüssiges Verbinden der Fügeoberfläche des ersten Bauteils und der Fügeoberfläche des zweiten Bauteils, welche, wie in 4 gezeigt, zueinander angeordnet wurden, mit einer Schweißschicht,
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6 eine rechtwinklige Anordnung einer Fügeoberfläche eines ersten Bauteils zu einer Fügeoberfläche eines zweiten Bauteils,
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7 eine stumpfwinklige Anordnung einer Fügeoberfläche eines ersten Bauteils zu einer Fügeoberfläche eines zweiten Bauteils,
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8 eine spitzwinklige Anordnung einer Fügeoberfläche eines ersten Bauteils zu einer Fügeoberfläche eines zweiten Bauteils,
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9 ein Auftragen eines zweiten Schweißschichtabschnittes auf einer Fügeoberfläche eines weiteren Bauteils, nachdem auf einem der Bauteile bereits ein erster Schweißschichtabschnitt aufgebracht wurde gemäß einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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10 ein stoffschlüssiges Verbinden der Oberflächen der Schweißschichtabschnitte mittels eines Schweißverfahrens gemäß einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
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11 auf Stoß angeordnete Bauteile, welche mittels einer Schweißschicht stoffschlüssig verbunden werden.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 10 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In der 1 ist schematisch ein Aufbringen zumindest eines Schweißschichtabschnittes 31 einer Schweißschicht 30 auf eine Fügeoberfläche 1a eines Bauteils 1 und insbesondere eines ersten Bauteils 1, welches einen Leichtmetallwerkstoff aufweist, gezeigt. Beim Aufbringen bzw. Bilden bzw. Erzeugen der Schweißschicht 30 bzw. des Schweißschichtabschnittes 31 der Schweißschicht 30 auf der Fügeoberfläche 1a mittels eines Auftragschweißgerätes 10 wird eine erste Oberfläche 31a des ersten Schweißschichtabschnittes 31 mit der Fügeoberfläche 1a stoffschlüssig verbunden.
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Während des Auftragschweißens des ersten Schweißschichtabschnittes 31 auf die Fügeoberfläche 1a wird die Fügeoberfläche 1a des Bauteils 1 zumindest bereichsweise aufgeschmolzen, während zumindest zeitweise gleichzeitig ein Material und vornehmlich ein metallisches Material auf die Fügeoberfläche 1a aufgebracht wird. Das Material kann dabei als Schweißband oder Schweißdraht oder bei der Verwendung eines Pulverauftragschweißverfahrens auch in Form eines metallischen Pulvers auf die Fügeoberfläche aufgebracht werden.
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Wie in der 2 gezeigt, wird gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem Aufbringen der Schweißschicht 30 bzw. des ersten Schweißschichtabschnittes 31 der Schweißschicht 30 ein weiteres Bauteil 2 vornehmlich derart angeordnet, dass die Fügeoberfläche 2a des Weiteren und vorzugsweise zweiten Bauteils 2, welches einen Schwermetallwerkstoff aufweist, zu einer Oberfläche 31b der Schweißschicht 30 bzw. des ersten Schweißschichtabschnittes 31 ausgerichtet bzw. dieser zugewandt ist, um mit dem ersten Schweißschichtabschnitt 31 stoffschlüssig verbunden werden zu können.
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Bevorzugt ist die Oberfläche 31b des ersten Schweißschichtabschnittes 31b, an welcher das zweite Bauteil 2 angeordnet wird, die der Oberfläche 31a des ersten Schweißschichtabschnittes 31 gegenüberliegende Oberfläche.
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Vorzugsweise erstrecken sich hierbei die Fügeoberflächen 1a und 2a der Bauteile 1 bzw. 2 zumindest abschnittsweise im Wesentlichen parallel zueinander und auch im Wesentlichen parallel zu den Oberflächen 31a bzw. 31b der Schweißschicht 30 bzw. des Schweißschichtabschnittes 31.
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Mögliche andere Anordnungsvarianten der Fügeoberflächen 1a, 2a zueinander werden beispielsweise in den 6 bis 8 gezeigt, welche nachfolgend noch näher erläutert werden.
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Nach dem Anordnen eines weiteren und vorzugsweise eines zweiten Bauteils 2 an die Schweißschicht 30, wie in der 2 dargestellt, erfolgt, wie in der 3 veranschaulicht, ein stoffschlüssiges Verbinden der Fügeoberfläche 2a des zweiten Bauteils 2 mit einer anderen Oberfläche 31b der Schweißschicht 30, vorzugsweise mittels eines zum ersten Auftragschweißgerät 10 anderem, zweiten Schweißgerät 20.
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Das weitere, konventionelle Schweißgerät 20 kann beispielsweise ein Lichtbogenschweißgerät, ein WIG-Schweißgerät, ein MSG-Schweißgerät usw. sein, welches durch ein Aufschmelzen der Fügeoberfläche 2a des zweiten Bauteils 2 und der zweiten Oberfläche 31b des ersten Schweißschichtabschnittes 31 der Schweißschicht 30, sowie bei einem gleichzeitigen Anpressen dieser beiden Oberflächen 2a und 31b aneinander eine stoffschlüssige Verbindung der Fügeoberfläche 2a des zweiten Bauteils 2 mit der Oberfläche 31b der Schweißschicht 31 bzw. des Schweißschichtabschnittes 31 ermöglicht.
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Durch das stoffschlüssige Verbinden der Fügeoberfläche 2a des zweiten Bauteils 2 mit einer Oberfläche 31b der Schweißschicht 30 entsteht folglich ein Verbundwerkstück 100 bzw. ein Verbundwerkstoffbauteil 100, welches vorzugsweise zumindest aus einem ersten Bauteil 1, aufweisend einen Leichtmetallwerkstoff, und einem zweiten Bauteil 2, aufweisend einen Schwermetallwerkstoff, sowie einer Schweißschicht 30 bzw. einem ersten Schweißschichtabschnitt 31, aufweisend vorzugsweise einen Schwermetallwerkstoff, besteht, wobei die beiden Bauteile 1 und 2 jeweils stoffschlüssig mit der Schweißschicht 30 bzw. dem (ersten) Schweißschichtabschnitt 31 der Schweißschicht 30 verbunden sind.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie in der 4 gezeigt, wird ein erstes Bauteil 1 und ein zweites Bauteil 2 derart zueinander angeordnet, dass die jeweiligen Fügeoberflächen 1a bzw. 2a der Bauteile 1 bzw. 2 zueinander ausgerichtet sind.
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Die Fügeoberflächen 1a bzw. 2a der Bauteile 1 bzw. 2 können beispielsweise im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sein. Des Weiteren ist es denkbar, dass die Fügeoberflächen 1a bzw. 2a der Bauteile 1 bzw. 2, wie beispielsweise schematisch in den 6 bis 8 gezeigt, in einen definierten Winkel zueinander ausgerichtet sind.
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Nachdem die beiden miteinander zu verbindenden Bauteile 1 und 2 hinsichtlich deren Fügeoberflächen 1a, 2a zueinander angeordnet sind, werden in einem weiteren Schritt diese Fügeoberflächen 1a, 2a jeweils mit der Schweißschicht 30 bzw. dem ersten Schweißschichtabschnitt 31 der Schweißschicht 30 stoffschlüssig verbunden, wie schematisch in der 5 gezeigt.
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Hierfür wird ein Auftragschweißgerät 10 dazu verwendet eine Schweißschicht 30 bzw. einen ersten Schweißschichtabschnitt 31 auf die Fügeoberflächen 1a und 2a beider Bauteile 1 und 2 aufzubringen, wobei die Fügeoberflächen 1a und 2a zumindest zeitweise gleichzeitig aufgeschmolzen werden, während ein vorzugsweise metallischer Werkstoff auf die Fügeoberflächen 1a und 2a aufgebracht wird. Dadurch werden vorteilhaft in einem Schweißvorgang beide Fügeoberflächen 1a und 2a vornehmlich zumindest zeitweise gleichzeitig mit der Schweißschicht 30 bzw. dem Schweißschichtabschnitt 31 stoffschlüssig verbunden.
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In den 6 bis 8 sind schematisch mögliche Anordnungen der Bauteile 1, 2 bzw. deren Fügeoberflächen 1a, 2a zueinander aufgezeigt, wobei beide Fügeoberflächen 1a, 2a stoffschlüssig mit einer Schweißschicht 30 bzw. einem ersten Schweißschichtabschnitt 31 der Schweißschicht 30 und insbesondere deren Oberflächen 31a bzw. 31c verbunden sind.
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Hierbei ist es möglich, dass die Schweißschicht 30, wie in der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt (vgl. 1 bis 3) zuerst ein einer der Fügeoberflächen 1a, 2a aufgebracht wurde, bevor die andere Fügeoberfläche 1a oder 2a mit der Scheißschicht 30 mittels eines entsprechenden Schweißverfahrens stoffschlüssig verbunden wird.
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Es ist des Weiteren denkbar, dass die Schweißschicht 30 erst aufgebracht wird, vornehmlich zumindest zeitweise gleichzeitig auf beide Fügeoberflächen 1a, 2a der Bauteile 1 und 2, nachdem die Bauteile 1 und 2 bzw. deren Fügeoberflächen 1a und 2a zueinander ausgerichtet wurden, wie beispielsweise in der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt (vgl. 4 und 5).
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In der 6 ist schematisch eine rechtwinklige Anordnung einer Fügeoberfläche 1a eines ersten Bauteils 1 zu einer Fügeoberfläche 2a eines zweiten Bauteils 2 gezeigt. Demnach erstrecken sich die Fügeoberflächen 1a und 2a in einem rechten Winkel zueinander.
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Dagegen zeigt die 7 eine stumpfwinklige Anordnung und die 8 eine spitzwinklige Anordnung einer Fügeoberfläche 1a eines ersten Bauteils 1 zu einer Fügeoberfläche 2a eines zweiten Bauteils 2.
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Weitere Anordnungsvarianten der Bauteile bzw. deren Fügeoberflächen zueinander stehen den Beispielen in den 6 bis 8 nicht entgegen und sind folglich nicht ausgeschlossen.
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In der 9 ist ein Auftragen eines zweiten Schweißschichtabschnittes 32 einer Schweißschicht 30 auf einer Fügeoberfläche 2a eines weiteren, zweiten Bauteils 2 gezeigt, wobei dieser zweite Schweißschichtabschnitt 32 vorzugsweise aufgebracht wird, nachdem auf einem der Bauteile 1 oder 2 und insbesondere auf dem ersten Bauteil 1 und dessen Fügeoberfläche 1a bereits ein erster Schweißschichtabschnitt 31 der Schweißschicht 30 aufgebracht wurde.
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Während des Aufbringens des zweiten Schweißschichtabschnittes 32 auf der Fügeoberfläche 2a des zweiten Bauteils 2 verbinden sich gleichzeitig, beispielsweise aufgrund eines Wärmeübergangs von dem zweiten Schweißschichtabschnitt 32 zu dem ersten Schweißschichtabschnitt 31, beide Schweißschichtabschnitte 31 und 32 und insbesondere deren Oberflächen 31b und 32b stoffschlüssig miteinander.
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Die Schweißschicht 30 besteht gemäß der 9 folglich aus zwei Schweißschichtabschnitten 31 und 32.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es jedoch auch möglich, dass, wie in der 10 gezeigt, die Schweißschichtabschnitte 31 und 32 mittels eines separaten Schweißverfahrens nach dem Aufbringen auf den jeweiligen Fügeoberflächen 1a und 2a noch stoffschlüssig miteinander verbunden werden müssen. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn beide Schweißschichtabschnitte 31 und 32 sich unterscheidende Werkstoffe aufweisen, sodass ein direktes Verbinden des zweiten Schweißschichtabschnittes 32 mit dem ersten Schweißschichtabschnitt 31 während des Aufbringens bzw. Erzeugens des zweiten Schweißschichtabschnittes 32 nicht möglich ist.
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Zur Verbindung beider Schweißschichtabschnitte 31 und 32 wird vorzugsweise ein konventionelles Schweißgerät 20 zum Aufschmelzen der Oberflächen 31b und 32b der beiden Schweißschichtabschnitte 32, 32 verwendet.
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In der 11 sind zwei auf Stoß aneinander angeordnete Bauteile 1 und 2 gezeigt, wobei insbesondere deren Fügeoberflächen 1a und 2a derart zueinander angeordnet sind, dass diese sich zumindest abschnittsweise kontaktieren bzw. berühren. Vorteilhaft kann dadurch eine im Wesentlichen gemeinsame plane Oberfläche 40 realisiert werden, welche sich über beide Bauteile 1 und 2 hinweg erstreckt. Dies ist beispielsweise vorteilhaft für die Anordnung zusätzlicher Bauteile auf bzw. entlang dieser Oberfläche 40, welche sich zumindest auch teilweise in den Bereich der Schweißschicht hinein oder darüber hinaus erstrecken.
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Nach dem Anordnen der beiden Bauteile 1 und 2 zueinander wird die Schweißschicht 30 bzw. ein Schweißschichtabschnitt 31 der Schweißschicht 30 vornehmlich ausgehend von der Oberfläche 40 in einen Bereich zwischen den Fügeoberflächen 1a und 2a der Bauteile 1 und 2 aufgebracht. Die Schweißschicht 30 dringt dabei zumindest teilweise in den Bereich zwischen die Fügeoberflächen 1a, 2a ein, schmelzt zumindest in diesen auftreffenden Bereichen wenigstens teilweise das Material bzw. den Werkstoff der beiden Bauteile 1, 2 und verbindet beide Bauteile 1 und 2 stoffschlüssig miteinander. Dabei werden beide Bauteile vorteilhaft zumindest abschnittsweise direkt bzw. unmittelbar miteinander stoffschlüssig verbunden, indem das aufgeschmolzene Material der beiden Bauteile 1, 2 sich zumindest teilweise miteinander verbindet. Des Weiteren werden beide Bauteile 1 und 2 vorteilhaft zumindest abschnittsweise indirekt bzw. mittelbar über die Schweißschicht miteinander stoffschlüssig verbunden, indem das Material des ersten Bauteils 1 mit der Schweißschicht 30 bzw. dem Schweißschichtabschnitt 31 der Schweißschicht 30 zumindest teilweise stoffschlüssig verbunden wird, während folglich das Material des zweiten Bauteils 2 mit der Schweißschicht 30 bzw. dem Schweißschichtabschnitt 31 der Schweißschicht 30 zumindest teilweise stoffschlüssig verbunden wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Bauteil
- 1a
- Fügeoberfläche
- 2
- zweites Bauteil
- 2a
- Fügeoberfläche
- 10
- Auftragschweißgerät
- 20
- Schweißgerät
- 30
- Schweißschicht
- 31
- erster Schweißschichtabschnitt
- 31a
- erste Oberfläche
- 31b
- zweite Oberfläche
- 31
- dritte Oberfläche
- 32
- zweiter Schweißschichtabschnitt
- 32a
- erste Oberfläche
- 32b
- zweite Oberfläche
- 40
- plane Oberfläche
- 100
- Verbundwerkstück
