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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fügen zweier Fügepartner, wobei die Fügepartner aus metallischen Werkstoffen bestehen.
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Obwohl thermische Fügeverfahren wie das Löten oder Schweißlöten zu den am weitesten verbreiteten Fügetechniken zählen, ergeben sich bisher im Hinblick auf eine Ausdehnung des Anwendungsbereichs für thermische Fügeverfahren noch einige schwerwiegende Nachteile. So werden beim (zum Beispiel durch Laser- oder Metallschutzgasschweißtechnik realisierten) Verbindungsschweißlöten, Verbindungslöten und Auftragslöten von Aluminium (und seinen Legierungen) und Eisen- bzw. Stahlwerkstoffen (zum Beispiel mittels Zinkbasisloten) in der eisen- bzw. stahlseitigen Verbindungszone sehr große Benetzungswinkel (> 90°) ausgebildet. Eine gute Benetzung erkennt man an kleinen Benetzungswinkeln, die weit kleiner als 90° sind, während bei Benetzungswinkeln, die 90° übersteigen, in der Regel von einer schlechten Benetzung des Lotwerkstoffes (Zusatzwerkstoffes) auf dem Grundwerkstoff gesprochen wird. Die schlechte Benetzung der Eisen- bzw. Stahloberfläche mit der flüssigen Aluminiumschmelze sowie dem flüssigen Lot führt dazu, dass die Qualität (zum Beispiel mechanische Festigkeit) der Löt- bzw. Schweißlötverbindung zwischen dem Eisen- bzw. Stahlwerkstoff und dem Aluminiumwerkstoff erheblich beeinträchtigt ist.
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Die maßgebliche Ursache der schlechten Benetzbarkeit liegt im Vorhandensein von oberflächlichen Oxidschichten auf dem Eisen- bzw. Stahlwerkstoff und dem Aluminiumwerkstoff. Diese Oxidschichten verhindern bzw. behindern den direkten Kontakt der beiden Metalle, weshalb das flüssige Lot nicht bis in den Kornbereich des Eisen- bzw. Stahlwerkstoffes und des Aluminiumwerkstoffes vordringen und somit nicht die zur Verbindung notwendige Legierung auf den Metalloberflächen entstehen lassen kann.
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Bei erhöhter Energieeinbringung durch das thermische Fügeverfahren (zum Beispiel mittels Erhöhung der Löttemperatur und/oder Verlängerung der Lötzeit) können zwar flache Benetzungswinkel und somit eine gute Benetzung erzielt werden. Allerdings kommt es aufgrund der erhöhten Energieeinbringung auch zur Bildung von unerwünschten Legierungen, die die Festigkeit der Verbindung erheblich reduzieren (zum Beispiel Lot und Lötstelle spröde oder warmbrüchig machen).
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Gegenwärtig sind verschiedene Lösungsansätze bekannt, um sicherzustellen, dass bei Loten auf Aluminium-/Zinkbasis eine ausreichende Benetzung der jeweiligen Substratoberfläche durch das Lot stattfindet.
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Ein Lösungsansatz stellt die Verwendung von Flussmitteln dar. Dabei steigern Flussmittel, die zum Löten von Aluminium verwendet werden, auch die Benetzung auf Stahlsubstraten. Sowohl Aluminium als auch Stahl besitzen nämlich eine sehr hohe Affinität zum Sauerstoff und sind daher an Luft stets mit einer gleichmäßigen und porenarmen Oxidschicht überzogen, die zum Löten jeweils entfernt werden muss und sich während des Löt-/Schweißlötprozesses nicht wieder neu ausbilden darf. Zu diesem Zweck werden chemisch sehr aggressive Flussmittel (zum Beispiel auf der Basis von Zink- und Ammoniumchlorid, von Kolophonium sowie verschiedener Säuren) eingesetzt, die die natürliche Oxidhaut auf der Aluminium- bzw. Stahloberfläche während des Lötvorgangs durch Auflösung zerstören. In der Modellvorstellung dringt das Lot daraufhin in die durch die vom chemischen Angriff des Flussmittels hervorgerufenen Risse der Oxidschicht ein und unterspült diese, wodurch ein direkter Kontakt zwischen der metallischen Schmelze des Lots und dem jeweiligen Substrat (Aluminium oder Stahl) entsteht und eine feste Löt-/Schweißlötverbindung erzielt wird.
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Ein weiterer bekannter Lösungsansatz zur Gewährleistung einer ausreichenden Benetzung durch das Lot besteht darin, das schlecht lötbare, weil mit einer Oxidschicht bedeckte Substrat (Aluminium oder Stahl) vor dem Löten noch mit einer geeigneten, eine gute Benetzung des Lots ermöglichenden Oberflächenbeschichtung zu versehen. Eine gute Benetzung des Lots erreicht man auf Zinkoberflächen, sodass beispielsweise zu verlötende Oberflächen von Stahlblechen häufig elektrolytisch verzinkt oder feuerverzinkt sind, wobei jedoch auch mit anderen Oberflächenbeschichtungen (beispielsweise aus Nickel, Titan oder Aluminium) eine verbesserte Benetzung zu erreichen ist. Trotzdem kommen selbst bei mit Zink oder anderen benetzungssteigernden Metallen beschichteten Teilen in der Regel zusätzlich noch Flussmittel zum Einsatz, um ein gleichmäßigeres Benetzungsverhalten zu gewährleisten, welches beispielsweise durch ungleichmäßige Beschichtungsdicken/-eigenschaften negativ beeinträchtigt werden kann.
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In diesem Zusammenhang ist aus der
DE 100 17 453 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer Schweiß- bzw. Lötverbindung zwischen einem Stahl- und einem Aluminiumwerkstoff unter Verwendung eines Zusatzwerkstoffes bekannt, wobei der Stahlwerkstoff zuvor zumindest im Bereich der herzustellenden Verbindung mit einer Beschichtung versehen wird. Für den Zusatzwerkstoff werden Materialien auf Zink-Basis und für die Beschichtung auf dem Stahlwerkstoff Materialien auf Zink- oder Aluminium-Basis verwendet.
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Die
DE 102 15 901 A1 bezieht sich auf Wärmetauscher und heliothermische Flachkollektormodule bestehend aus Trägerpaneelen aus Zink, Kupfer oder Aluminium und damit durch Löten verbundenen Kapillarrohren aus einem anderen, nicht oder nur schwer zu lötendem Werkstoff. Um das Verbinden zu vereinfachen und zu verbilligen, weisen zumindest die miteinander verbundenen Teilbereiche aus nicht oder nur schwer zu lötendem Material eine Zwischenschicht aus Zink mit bis zu 30 Gew.-% Aluminium auf.
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Ein Verfahren zur Verbindung von Stahlrohren mit Aluminiumrippen ist in der
US 2003/0019915 A1 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird zunächst auf die Oberflächen der Stahlrohre oder der Aluminiumrippen eine Schicht aus einer Zink-Aluminium-Legierung mit einem Aluminiumbestandteil von 0,5% bis 20% aufgebracht und dann vor dem oder beim mechanischen Kontakt der Aluminiumrippen mit den Stahlrohren zwischen die Stahlrohre und die Aluminiumrippen bei Raumtemperatur ein Flussmittel in Form von Cäsium-Aluminium-Tetrafluorid eingebracht, worauf die mit den Aluminiumrippen versehenen Stahlrohre in einem Ofen auf eine Löttemperatur zwischen 370°C und 470°C erwärmt und letztlich zur Abkühlung der Raumtemperatur ausgesetzt werden.
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Des Weiteren ist in der
DE 33 04 556 A1 ein Verfahren zur Herstellung von Aluminium-Stahl-Übergangsstücken durch Löten beschrieben. Um eine Verbindung von Aluminium und Stahl durch geeignete Weichlote zu ermöglichen, wird auf das Stahl-Übergangsstück eine Aluminiumlotlegierung aufgebracht, die aus einer Aluminium-Silizium-Legierung mit etwa 11% bis 13,5% Siliziumanteil besteht.
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Schließlich wird in der
DE 10 2004 026 490 A1 ein Verfahren zum Applizieren von Loten auf Grundwerkstoffe im Wege eines thermischen Spritzverfahrens behandelt. Im Rahmen des thermischen Spritzverfahrens werden insbesondere Fe-, Ni- und Cu- sowie Al- und Zn-Basislote verwendet, wobei im Rahmen des sich an die Lotapplikation anschließenden Lötprozesses auf den Einsatz von Flussmitteln zum Entfernen und/oder Vermeiden von Oxidschichten verzichtet wird oder solche Flussmittel nur in reduziertem Umfang eingesetzt werden.
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Ein Lösungsansatz, mit dem die Problematik der mangelhaften Benetzbarkeit von vornherein umgangen wird, ist der Einsatz von sprengplattierten Zwischenstücken als Verbindungselemente. Insbesondere die Schnittstellen zwischen Strukturen aus Aluminium und Stahl können mit sprengplattierten Aluminium-Stahl-Verbindungsgliedern versehen sein, bei denen die Vereinigung von Aluminium und Stahl durch eine beim Explodieren einer Sprengladung auftretende Druckwelle erreicht wird. Anschließend können die Strukturen aus Aluminium und Stahl im Bereich der sprengplattierten Verbindungsglieder jeweils durch eine unproblematische artgleiche Verschweißung miteinander verbunden werden. Somit kann eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Aluminium- und Strahlstrukturen realisiert werden, ohne auf den Einsatz von Flussmitteln oder die Verwendung oberflächenbeschichteter Bauteile zur Gewährleistung einer guten Benetzung angewiesen zu sein.
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Die vorgenannten Fügetechniken zum Verbinden zweier Fügepartner, insbesondere zweier Fügepartner aus unterschiedlichen Materialien, wie beispielsweise Aluminium und Stahl, weisen jeweils eine Reihe von wirtschaftlichen oder technischen Nachteilen auf.
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Die für die Auflösung der störenden Oxidschichten und somit für eine gute Lotbenetzung dienenden Flussmittel haben den Nachteil, dass sie zum einen toxisch, zum anderen teuer in der Herstellung sind. Außerdem müssen sie in einem zusätzlichen Arbeitsschritt auf die Fügeflächen aufgebracht werden, wodurch die Wirtschaftlichkeit des jeweiligen Löt-/Schweißlötprozesses beeinträchtigt wird. Erschwerend hinzu kommt, dass die Flussmittel zumeist sehr korrosiv auf die Fügepartner wirken und daher in zusätzlichen Arbeitsschritten vom jeweiligen Fügepartner rückstandslos entfernt werden müssen, um einen weiteren Korrosionsangriff zu verhindern. Weiter muss zur Sicherstellung einer optimalen Wirkung des Flussmittels im Fügeprozess ein bestimmtes Temperatur-Zeit-Regime bzw. eine bestimmte Arbeitstemperatur unbedingt eingehalten werden, wodurch die Flexibilität des Fügeprozesses stark eingeschränkt wird. Schließlich ist bei Flussmittel-gebundenen Löt-/Schweißlötprozessen wegen der unvermeidbaren Lösungsmittelanteile in Flussmittel und Lötpaste das Austreten von Gasen oder Dämpfen während des Löt-/Schweißlötvorgangs unvermeidbar, wodurch Poren oder Hohlräume in der Lötverbindung entstehen können, die die Nahtqualität beeinträchtigen.
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Auch die Verwendung von (ein besseres Benetzungsverhalten aufweisenden) beschichteten Fügepartnern (zum Beispiel beschichteten Blechen) ist mit schwerwiegenden Nachteilen behaftet. Beschichtete Bauteile und Halbzeuge sind wesentlich teurer als unbeschichtete Bauteile und Halbzeuge. Überdies weisen mit konventionellen Beschichtungsverfahren behandelte Bauteile oder Halbzeuge keine allseitig geschlossene Beschichtung auf und insbesondere die Stirnkantenbereiche der behandelten Bauteile/Halbzeuge verbleiben zumeist beschichtungsmittelfrei, wodurch beispielsweise die Herstellung einer einwandfreien I-Naht am Stumpfstoß zweier Fügepartner verhindert wird.
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Die zum thermischen Fügen von Stahl- und Aluminiumstrukturen bekannte Verwendung von sprengplattierten Stahl-Aluminium-Verbindungselementen ist ebenfalls durch diverse Nachteile gekennzeichnet. Zum einen müssen diese Verbindungselemente zunächst durch ein zusätzliches, vorgelagertes Herstellungsverfahren (Sprengplattieren) hergestellt werden, welches zudem technologisch sehr aufwendig und kostenintensiv ist. Zum anderen muss das sprengplattierte Verbindungselement anschließend noch mit mindestens zwei Schweißnähten (nämlich aluminiumseitig und stahlseitig) verschweißt werden. Durch dieses beidseitige Verschweißen des Verbindungselements mit den zu fügenden Bauteilen (aus Stahl und Aluminium) entsteht ein zusätzlicher Energieeintrag, der zu höherem Verzug in den Bauteilen führt. Außerdem hat die beidseitig (auf der Stahl- und der Aluminiumseite) durchgeführte Verschweißung des Verbindungselements eine Erhöhung (Verdoppelung) der Schweißzeit zur Folge und erfordert einen vergrößerten Konstruktions- und Kostenaufwand für die eingesetzte Schweißvorrichtung.
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Im Hinblick auf die vorgenannten Nachteile bekannter Fügetechnologien besteht nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fügen zweier Fügepartner aus metallischen Werkstoffen bereitzustellen, die einfach und kostengünstig anzuwenden bzw. zu betreiben sind und trotzdem eine dauerhaft feste Verbindung zwischen den Fügepartnern schaffen.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Fügen zweier Fügepartner aus metallischen Werkstoffen umfasst als ersten Schritt das Anordnen der zwei Fügepartner derart, dass eine erste Fügefläche eines ersten Fügepartners und eine zweite Fügefläche eines zweiten Fügepartners, die miteinander zu verbinden sind, aneinander angrenzend angeordnet werden. Weiter umfasst das erfindungsgemäße Verfahren als zweiten Schritt das Auftragen einer metallischen Beschichtung auf die Fügefläche wenigstens eines der beiden Fügepartner mittels eines thermischen Spritzverfahrens und im Anschluss als dritten Schritt das Verbinden der Fügeflächen der beiden Fügepartner durch ein thermisches Fügeverfahren.
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Durch die Kombination eines thermischen Spritzverfahrens mit einem thermischen Fügeverfahren lassen sich artfremde Materialkombinationen (wie beispielsweise Stahl und Aluminium) in einfacher, kostengünstiger und prozesssicherer Art und Weise stoffschlüssig und metallurgisch miteinander verbinden. Indem durch das thermische Spritzverfahren eine gut benetzbare metallische Beschichtung für den anschließenden thermischen Fügeprozess (Löt-/Schweißlötprozess) bereitgestellt wird, kann auf den Einsatz eines korrosiven Flussmittels verzichtet werden. Zudem ist es nicht notwendig vorab die komplette Oberfläche des oder der Fügepartner in aufwendiger Weise durch einen konventionellen Beschichtungsprozess (zum Beispiel durch Sprühen oder Tauchen) mit einer gut benetzbaren Metallschicht zu überziehen. Durch Einsatz eines thermischen Spritzverfahrens kann selektiv nur auf die (für die Fügenahtqualität relevante) Fügefläche des jeweiligen Fügepartners eine zum thermischen Fügen geeignete metallische Beschichtung aufgespritzt werden, wohingegen die übrigen (nicht vom Fügeprozess betroffenen) Oberflächenbereiche des Fügepartners in ihrem unbeschichteten Originalzustand verbleiben.
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Weiter sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass das thermische Fügeverfahren und das thermische Spritzverfahren realisiert werden, indem eine erste Brennereinheit zum thermischen Fügen und eine zweite Brennereinheit zum thermischen Spritzen vorgesehen werden. Die beiden Brennereinheiten werden zum Fügen der Fügepartner entlang einer Fügerichtung bewegt, wobei die zweite Brennereinheit in Fügerichtung vor der ersten Brennereinheit angeordnet wird.
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Durch die Kombination zweier in Fügerichtung hintereinander liegender Brennereinheiten können das thermische Spritzen der metallischen Beschichtung und das thermische Fügen der beiden Fügepartner kontinuierlich in einem gemeinsamen Fügeprozess durchgeführt werden. Insbesondere muss somit das thermische Spritzen nicht als zeitlich vorgelagerter, separater Prozessschritt ausgeführt werden, wodurch die Wirtschaftlichkeit des Fügeverfahrens weiter erhöht wird.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die beiden Brennereinheiten mit definiertem Abstand zueinander in einem gemeinsamen Brennergehäuse zu montieren, wobei zum Fügen der Fügepartner das Brennergehäuse samt beiden Brennereinheiten in Fügerichtung verfahren wird.
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Durch die Montage der Brennereinheiten in einem gemeinsamen, in Fügerichtung verfahrbaren Brennergehäuse kann auf einfache Weise eine Automatisierung des Fügeverfahrens ermöglicht werden. Die in Fügerichtung vorlaufende Brennereinheit zum thermischen Spritzen kann sich zur Verwirklichung einer kompakten Brennerkonstruktion in unmittelbarer örtlicher Nähe der Brennereinheit zum thermischen Fügen befinden, wobei die beiden Brennereinheiten in Fügerichtung nur geringfügig versetzt zueinander angeordnet sein müssen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die erste Brennereinheit aktiviert, wenn sie in Fügerichtung die metallische Beschichtung erreicht, und deaktiviert, wenn sie in Fügerichtung die metallische Beschichtung verlässt.
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Durch diese steuerungstechnische Kopplung der beiden Brennereinheiten kann sichergestellt werden, dass der thermische Fügeprozess nur im Bereich der aufgebrachten metallischen Beschichtung erfolgt. Somit können selbst komplexe Fügenahtverläufe mit durchgehend hoher Fügenahtqualität realisiert werden, ohne dass Fehlbereiche auftreten, in denen die Fügenaht direkt auf der unbeschichteten (nicht benetzbaren) Oberfläche des Fügepartners angebracht wurde.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die beiden Fügepartner aus verschiedenen metallischen Werkstoffen gebildet, wobei die auf die Fügefläche eines Fügepartners aufgetragene Beschichtung aus einem metallischen Werkstoff besteht, welches mit dem metallischen Werkstoff des anderen Fügepartners ohne Flussmittel verlötbar oder verschweißbar ist, insbesondere mit dem metallischen Werkstoff des anderen Fügepartners übereinstimmt.
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Durch diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, miteinander nicht oder nur schlecht thermisch fügbare Werkstoffkombinationen dennoch durch eine feste und dauerhafte stoffschlüssige Verbindung miteinander zu koppeln. Das zugrundeliegende physikalisch-technologische Prinzip besteht darin, durch thermisches Spritzen eine Beschichtung geringer Schmelztemperatur zu erzeugen. Dank ihrer niedrigen Schmelztemperatur wird die Beschichtung (z. B. Zink) während des thermischen Fügeprozesses vom Zusatzwerkstoff (aufgeschmolzener metallischer Werkstoff des Fügepartners, z. B. Aluminium) kontinuierlich aufgeschmolzen, vermischt sich mit diesem und steigert die Fließfähigkeit dieses Zusatzwerkstoffs, sodass eine Benetzung (Benetzungswinkel < 90°) des metallischen Werkstoffs des anderen Fügepartners (z. B. Stahl) eintritt. Zur weiteren Herabsetzung der zum Aufschmelzen der Beschichtung benötigten Schmelzenergie weist die Beschichtung vorzugsweise eine geringe Dicke (und somit geringe Wärmeleitfähigkeit) auf.
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Insbesondere kann die aufgetragene metallische Beschichtung aus einem mit dem Werkstoff des anderen, unbeschichteten Fügepartners übereinstimmenden oder artgleichen Werkstoff bestehen, sodass eine Verschweißung der Fügepartner ohne Zusatzwerkstoffe oder Verbindungselemente realisiert werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird als erster Fügepartner ein aus Eisen oder einer Eisenlegierung, insbesondere Stahl, gebildetes Bauteil oder Halbzeug verwendet, welches insbesondere durch ein Schmelztauchverfahren oder elektrolytisch beschichtet ist, während der zweite Fügepartner aus Reinaluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet ist. Dabei wird auf die Fügefläche des ersten Fügepartners mittels des thermischen Spritzverfahrens eine Beschichtung aus Reinzink oder einer Zinklegierung aufgetragen.
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Da die Fügepartner Stahl und Aluminium nicht oder nur bedingt thermisch fügbar sind, wird vorgeschlagen, im Bereich der Fügefläche des Fügepartners Stahl eine metallische Beschichtung aufzuspritzen, die problemlos mit dem Fügepartner Aluminium verschweißbar oder verlötbar ist, um so eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Fügepartnern Stahl und Aluminium herzustellen. Eine Beschichtung aus Zink oder einer Zinklegierung hat sich hierfür als geeignet erwiesen, da sie vorteilhafterweise eine geringere Schmelztemperatur/geringeres Schmelzintervall als Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen aufweist. Die Aluminiumschmelze wird somit durch das niedriger schmelzende Zink bzw. die niedriger schmelzende Zinklegierung (die im Bereich der Benetzungsfläche vom Aluminium gelöst wird) zum Fließen auf der Stahloberfläche angeregt.
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Vorzugsweise wird zum thermischen Spritzen der metallischen Beschichtung ein Metallpulver einer Brennereinheit dosiert zugeführt, dort zumindest teilweise aufgeschmolzen und auf die Fügefläche des Fügepartners gespritzt.
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Durch diese einfache, kompakte Konfiguration der Brennereinheit, die als externe Schnittstellen lediglich eine Metallpulverzufuhr und eine Energiezufuhr (zum Beispiel in Form eines erhitzten Gases) zum Aufschmelzen und Beschleunigen des Metallpulvers erfordert, kann die Brennereinheit als eine in Fügerichtung verfahrbare, mobile Einheit ausgeführt werden, um unmittelbar vor dem thermischen Fügen der Fügepartner die thermische Spritzschicht aufzubringen. So kann die Brennereinheit zum thermischen Spritzen ohne großen konstruktionellen Mehraufwand in bestehende Schweiß-/Lötanlagen integriert werden.
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In besonders bevorzugter Weise wird als thermisches Spritzverfahren ein Plasmaspritzverfahren, insbesondere ein atmosphärisches Plasmaspritzverfahren eingesetzt, bei dem Metallpulverpartikel in einen Plasmastrahl geblasen, dort aufgeschmolzen, beschleunigt und auf die Fügefläche geschleudert werden.
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Durch Auswahl der Pulverkorngröße, der Plasmadüse und der Plasmagase und durch Variation der zur Erzeugung des Plasmastrahls eingesetzten elektrischen Leistung bzw. thermischen Energie lassen sich bei einem gleichbleibenden Beschichtungswerkstoff Beschichtungen mit erheblich geänderten funktionellen Eigenschaften einstellen. So kann das Plasmaspritzverfahren genau auf das nachfolgende thermische Fügeverfahren abgestimmt werden, um die gewünschte Fügenahtqualität zu erhalten.
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Insbesondere kann die durch das thermische Spritzverfahren aufgetragene Beschichtung eine Schichtdicke von unter 100 μm aufweisen.
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Aufgrund der sehr dünnen Beschichtung, die zudem selektiv nur an den Fügeflächen erfolgt, können Materialkosten eingespart werden. Auch kann bedingt durch die geringe Schichtdicke die entsprechende Brennereinheit zum thermischen Spritzen mit hoher Geschwindigkeit über den Fügepartner bewegt werden, sodass hohe Fügegeschwindigkeiten (vergleichbar mit Fügegeschwindigkeiten konventioneller Schweiß-/Lötprozesse) erreicht werden können.
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In weiter bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass durch das thermische Spritzverfahren eine metallische Beschichtung hoher Dichte mit einer Porosität von 10 Vol-% oder weniger erhalten wird.
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Durch den dichten und unporösen Aufbau der Beschichtung wird verhindert, dass die Beschichtung aufplatzt oder aufreißt und die darunterliegende oxidierte Grundwerkstoffoberfläche freigelegt wird, die nicht oder nur sehr schwer lötbar ist.
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Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren so ausgestaltet, dass beim thermischen Fügen der beiden Fügepartner eine anfänglich in schmelzflüssiger Form vorliegende Fügenaht gebildet wird und die metallische Beschichtung ganz oder teilweise in der Schmelze der Fügenaht aufgelöst wird.
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Durch die während des Lötprozesses ablaufenden chemischen Reaktionen wird die metallische Beschichtung aufgelöst, wobei der metallische Beschichtungswerkstoff und das Lot eine Legierung bilden und eine feste Verbindung eingehen.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die beim thermischen Fügen der beiden Fügepartner gebildete Fügenaht in Form einer Bördelnaht, T-Naht, Kehlnaht oder I-Naht erzeugt.
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Die erfindungsgemäße Kombination aus thermischem Spritzverfahren und thermischem Fügeverfahren ist leicht zu automatisieren und flexibel zur Erzeugung beliebiger Nahtformen einsetzbar.
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Bevorzugterweise wird als thermisches Fügeverfahren ein Löt-, Schweißlöt- oder Schweißverfahren eingesetzt, wobei das Löt-, Schweißlöt- oder Schweißverfahren mit oder ohne Zusatzwerkstoff durchgeführt wird.
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Durch die Möglichkeit eines hohen Automatisierungsgrades sind die vorgenannten thermischen Fügeverfahren besonders gut geeignet, um in der Massenfertigung (beispielsweise von Kraftfahrzeugteilen) eingesetzt zu werden.
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In besonders bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, als thermisches Fügeverfahren ein Metallschutzgasschweißverfahren einzusetzen, bei dem ein Lichtbogen zwischen einer mit Abstand oberhalb der zu fügenden Fügepartner geführten, abschmelzenden Drahtelektrode und den Fügepartnern gebildet wird und der Lichtbogen von einem Schutzgas umgeben wird.
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Mit Metallschutzgasschweißverfahren (MSG) können sehr hohe Fügegeschwindigkeiten erreicht werden, die durch das erfindungsgemäß in Fügerichtung vorlaufende thermische Spritzverfahren nicht oder nur unwesentlich beschränkt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann so ausgestaltet werden, dass die Fügepartner in einem Überlappstoß, einem Bördelstoß, einem Stumpfstoß oder einem T-Stoß gefügt werden.
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Mit der erfindungsgemäßen Kombination aus thermischem Spritzverfahren und thermischem Fügeverfahren können die Fügepartner in verschiedenen Anordnungen miteinander verbunden werden, da die Brennereinheiten zum thermischen Spritzen und thermischen Fügen problemlos an neue Fügegeometrien angepasst werden können.
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Gemäß noch einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei den Fügepartnern um miteinander zu fügende Blechteile, insbesondere um Karosseriebauteile eines Fahrzeugs.
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In der Automobilindustrie ist es aus Gründen der Gewichtseinsparung und der optimalen Belastungsanpassung zunehmend erwünscht, Verbundbauteile aus artverschiedenen Bauteilen, beispielsweise aus Aluminium- und Stahlbauteilen, herzustellen, sodass das erfindungsgemäße Fügeverfahren in diesem Bereich besonders vorteilhaft eingesetzt werden kann.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Fügen zweier Fügepartner aus metallischen Werkstoffen umfasst einen Brenner, der zum Fügen entlang einer Fügerichtung bewegbar ist und der eine erste und eine zweite Brennereinheit aufweist. Bei der ersten Brennereinheit handelt es sich um eine Brennereinheit zum thermischen Fügen einer Fügefläche eines ersten Fügepartners mit einer Fügefläche eines zweiten Fügepartners, während es sich bei der zweiten, in Fügerichtung vor der ersten Brennereinheit befindlichen Brennereinheit um eine Brennereinheit zum thermischen Spritzen einer metallischen Beschichtung auf die Fügefläche wenigstens eines der beiden Fügepartner handelt.
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Mit einer solchen Vorrichtung können auch artverschiedene metallische Werkstoffkombinationen (wie beispielsweise Stahl/Aluminium) durch thermischen Energieeintrag stoffschlüssig/metallurgisch miteinander verbunden werden, ohne dass hierzu der Einsatz von Flussmitteln und/oder von vorbeschichteten Bauteilen/Halbzeugen (zum Beispiel elektrolytisch verzinkter oder feuerverzinkter Stahlbleche) notwendig ist. Aufgrund der von der in Fügerichtung vorlaufenden ersten Brennereinheit aufgetragenen, benetzungsfähigen Beschichtung können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung stoffschlüssige Verbindungen hoher Festigkeit hergestellt werden.
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Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine zum Fügen vorbereitete Anordnung von zwei Fügepartnern;
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2 die zwei Fügepartner aus 1 während der Durchführung des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens mittels eines verfahrbaren Brenners;
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3 eine im Brenner nach 2 eingesetzte Brennereinheit zum thermischen Spritzen; und
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4 eine im Brenner nach 2 eingesetzte Brennereinheit zum thermischen Fügen.
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Bei dem in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wird als erster Fügepartner 1 ein plattenförmiges Bauteil aus Stahl und als zweiter Fügepartner 2 ein plattenförmiges Bauteil aus Aluminium verwendet. Das thermische Fügen der beiden wichtigen Konstruktionsmetalle Stahl und Aluminium konnte bisher nur mit großem Mehraufwand unter Einsatz von geeigneten Flussmitteln und/oder von vorab beschichteten Stahlbauteilen (zum Beispiel von verzinkten Stahlblechen) und/oder von sprengplattierten Verbindungselementen durchgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet die Möglichkeit, den Fügepartner 1 aus Stahl und den Fügepartner 2 aus Aluminium durch ein thermisches Fügeverfahren stoffschlüssig/metallurgisch miteinander zu verbinden, ohne dass die vorgenannten kosten- und zeitintensiven Zusatzmaßnahmen (Flussmittel, Beschichtung, Verbindungselemente) in Anspruch genommen werden.
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Hierzu schlägt die vorliegende Erfindung vor, ein thermisches Spritzverfahren mit einem thermischen Fügeverfahren zu kombinieren. Eine solche Kombination erlaubt das Fügen von Bauteilen, die aus unterschiedlichen, nicht oder schwer miteinander verschweißbaren oder verlötbaren metallischen Werkstoffen (wie beispielsweise Stahl und Aluminium) bestehen.
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Der erste Schritt zur Durchführung des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens ist in 1 dargestellt. Hierbei werden die beiden Fügepartner 1, 2 aus Stahl und Aluminium in eine gegenseitige Anordnung gebracht, bei der eine Fügefläche 3 des Fügepartners 1 aus Stahl und eine Fügefläche 4 des Fügepartners 2 aus Aluminium unmittelbar aneinandergrenzen, um die beiden Fügeflächen 3, 4 im anschließenden Fügeverfahren miteinander verbinden zu können.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Fügepartner 1, 2 im Überlappstoß angeordnet, d. h. die beiden Fügepartner 1, 2 liegen parallel aufeinander und überlappen sich. Die beiden aneinandergrenzenden Fügeflächen 3, 4 der Fügepartner 1, 2 sind somit senkrecht zueinander ausgerichtet. Während die Fügefläche 3 des unteren Fügepartners 1 aus Stahl in einer horizontalen Ebene liegt, liegt die Fügefläche 4 des oberen Fügepartners 2 aus Aluminium in einer vertikalen Ebene.
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Gemäß dem in 2 schematisch dargestellten Verfahren zum Fügen der beiden Fügepartner 1, 2 werden die aneinandergrenzenden und senkrecht zueinander angeordneten Fügeflächen 3, 4 durch eine kehlförmige Fügenaht 12 miteinander verbunden. Zur Herstellung dieser Fügenaht 12 wird ein Brenner 16 eingesetzt, der an einer (nicht dargestellten) Führungs- oder Positioniervorrichtung fixiert ist, um entlang einer Fügerichtung 8 parallel zur horizontalen Ebene des Fügepartners 1 aus Stahl bewegt zu werden. Der Brenner 16 bewegt sich dabei in gleichbleibendem Abstand oberhalb der Fügefläche 3 des Fügepartners 1 aus Stahl.
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Während der Bewegung des Brenners 16 in Fügerichtung 8 wird kontinuierlich die die beiden Fügeflächen 3, 4 verbindende Fügenaht 12 ausgebildet. Zu diesem Zweck weist der Brenner 16 zwei in einem gemeinsamen Brennergehäuse 9 angeordnete Brennereinheiten 6, 7 auf. Wie in 2 dargestellt, sind diese beide Brennereinheiten 6, 7 in Fügerichtung 8 hintereinander positioniert.
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Die in Fügerichtung 8 vorlaufende Brennereinheit 7 ist als eine Brennereinheit 7 zum thermischen Spritzen einer metallischen Beschichtung 5 auf die Fügefläche 3 des in der horizontalen Ebene liegenden Fügepartners 1 aus Stahl ausgebildet. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dieser in Fügerichtung 8 vorlaufenden Brennereinheit 7 ist in 3 detailliert gezeigt. Hierbei handelt es sich um einen bei Atmosphärendruck betriebenen Plasmaspritzbrenner 7. Durch einen speziellen Düsenaufsatz 19 wird ein konzentrierter Plasmastrahl 11 erzeugt. Nach dessen Austritt aus der Düse 20 wird über eine Metallpulverzufuhr 18 mit Hilfe eines Trägergases ein Metallpulver 10 in den Plasmastrahl 11 injiziert. Das Metallpulver wird im energiereichen Plasmastrahl 11 geschmolzen und im Bereich der Fügefläche 3 auf den Fügepartner 1 gespritzt.
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Bei der mittels der Brennereinheit 7 zum thermischen Spritzen aufgebrachten metallischen Beschichtung 5 handelt es sich um eine metallische Beschichtung 5, die mit dem metallischen Werkstoff des anderen (unbeschichteten) Fügepartners 4 ohne Flussmittel verlötbar oder verschweißbar ist, zum Beispiel mit dem metallischen Werkstoff des anderen Fügepartners 4 übereinstimmt. Demzufolge wird in der Brennerkonstruktion nach 2 als weitere, in Fügerichtung 8 nachlaufende Brennereinheit 6 eine Brennereinheit 6 zum thermischen Fügen (zum Beispiel Schweißen, Löten oder Schweißlöten) der beiden Fügepartner 1, 2 eingesetzt. Durch die metallische Beschichtung 5 der zumindest einen (stahlseitigen) Fügefläche 3 ist gewährleistet, dass zwischen den beiden Fügepartnern 1, 2 trotz einer thermisch nicht oder nur sehr aufwendig (zum Beispiel unter Verwendung von Flussmitteln) miteinander zu fügenden Materialkombination dennoch eine stoffschlüssige und metallurgische Verbindung hergestellt werden kann.
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Bei der in den 1 und 2 dargestellten Materialkombination Stahl/Aluminium wird auf die Fügefläche 3 des Fügepartners 1 aus Stahl eine Beschichtung 5 aus Zink oder einer Zinklegierung thermisch aufgespritzt. Diese zinkbasierte Beschichtung 5 kann mit dem angrenzenden Fügepartner 2 aus Aluminium durch bekannte Löt-/Schweißlötprozesse unproblematisch verbunden werden. Somit wird das bei den Grundwerkstoffen Stahl/Aluminium auftretende Problem einer unzureichenden Benetzung durch das Lot 21 gelöst, ohne auf die Verwendung von teuren und hochkorrosiven Flussmitteln zurückgreifen zu müssen. Indem auf den Fügepartner 1 aus Stahl im Bereich der Fügefläche 3 eine metallische Beschichtung 5 aufgetragen wird, die sich gut von dem aufgeschmolzenen Lot 21 benetzen lässt, wird trotz der inkompatiblen Grundwerkstoffe eine dauerhafte Löt-/Schweißlötverbindung zwischen den Fügepartnern 1, 2 ermöglicht.
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Zur Verwirklichung der beiden vorgeschilderten Verfahrensschritte (Auftragen der metallischen Beschichtung 5 durch thermisches Spritzen und anschließendes Verbinden der Fügepartner 1, 2 durch thermisches Fügen) ist vorteilhafterweise kein übermäßiger konstruktiver oder apparativer Aufwand erforderlich. Vielmehr sind die beiden, zur Ausführung dieser Verfahrensschritte benötigten und in den 3 und 4 beispielhaft dargestellten Brennereinheiten 6, 7 in einem modifizierten Brenner 16 zusammengefasst, der mittels einer Verfahrvorrichtung entlang der Fügerichtung 8 bewegt wird, um die Fügeverbindung herzustellen. Demzufolge wird vorteilhafterweise erreicht, dass der Beschichtungsprozess nicht als zusätzlicher, vorgelagerter Verfahrensschritt vor dem eigentlichen Fügeprozess ausgeführt werden muss, wie es im Stand der Technik bei Verwendung von beschichteten (zum Beispiel feuerverzinkten oder elektrolytisch verzinkten) Stahlblechen der Fall ist. Erfindungsgemäß findet hingegen das Beschichten der Fügefläche 3 und das Verbinden der Fügeflächen 3, 4 zeitgleich statt. Dass das thermische Fügen nur in den Fügeflächenbereichen durchgeführt wird, die vorher mit thermischem Spritzen oberflächenbeschichtet worden sind, wird dadurch gewährleistet, dass die beiden Brennereinheiten 7, 6 zum thermischen Spritzen und thermischen Fügen in Fügerichtung 8 hintereinander angeordnet sind, wobei sich die Brennereinheit 7 zum thermischen Spritzen in Fügerichtung 8 vor der Brennereinheit 6 zum thermischen Fügen befindet.
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Durch diese in 2 veranschaulichte Positionierung der Brennereinheiten 6, 7 im gemeinsamen Brennergehäuse 9 wird sichergestellt, dass das Verfahren zum Fügen der beiden Fügepartner 1, 2 an jeder Fügestelle zunächst durch den mittels thermischen Spritzens bewirkten Beschichtungsprozess initiiert wird und erst darauffolgend an der jeweiligen Fügestelle der eigentliche Fügeprozess durch thermischen Energieeintrag ausgeführt wird.
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Durch das thermische Spritzen können sehr dichte, weitestgehend unporöse metallische Schichten 5 hergestellt werden. Beispielsweise können mit Plasmaspritzen aufgebrachte Schichten 5 Porenanteile unter 1 Vol.-% aufweisen. Folglich kann beim anschließenden thermischen Fügeprozess sicher unterbunden werden, dass das schmelzflüssige Lot 21 durch die Beschichtung 5 hindurchdringt und mit dem schlecht zu benetzenden Grundwerkstoff (Stahl) in Kontakt kommt.
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Zugleich wird die metallische Beschichtung 5 aber dank ihrer niedrigen Schmelztemperatur vom Zusatzwerkstoff Aluminium (aufgeschmolzenes Aluminium des Fügepartners 2) kontinuierlich aufgeschmolzen und vermischt sich mit diesem. Hierdurch wird die Fließfähigkeit des flüssigen Aluminiums soweit gesteigert, dass eine Benetzung (Benetzungswinkel < 90°) zum Stahl des angrenzenden Fügepartners 1 eintritt.
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Mittels entsprechender Ansteuerung der Brennereinheit 7 zum thermischen Spritzen und der Verfahrvorrichtung, auf der der Brenner 16 zwecks Bewegung in Fügerichtung 8 montiert ist, kann gewährleistet werden, dass der Fügepartner 1 aus Stahl im Bereich seiner gesamten Fügefläche 3 mit einer für den anschließenden Fügeprozess geeigneten metallischen Beschichtung 5 versehen wird. Als Fügeprozess wird insbesondere ein Löt-/Schweißlötprozess verwendet. Zur Ausführung des Löt-/Schweißlötprozesses kann beispielsweise ein Metallschutzgasschweißbrenner 6 (MSG-Brenner) eingesetzt werden. In 4 ist ein solcher MSG-Brenner 6 dargestellt, der aufgrund seines kostengünstigen und zuverlässigen Aufbaus besonders geeignet ist, im erfindungsgemäßen Verfahren zur Anwendung zu gelangen. Beim MSG-Brenner 6 brennt ein Lichtbogen 14 zwischen einer abschmelzenden Drahtelektrode 13, die gleichzeitig den Zusatzwerkstoff liefert, und dem Werkstück. Dabei wird die Drahtelektrode 13 über einen (nicht dargestellten) Drahtvorschub durch das Stromkontaktrohr 22 der Schweißstelle zugeführt. Eine Schutzgashülle 15 umgibt das Schmelzbad des Lots 21 und die Drahtelektrode 13 und verhindert so die Oxidation durch den Sauerstoff der Umgebungsluft.
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Technologisch geeignet für die Herstellung der Kehlnaht 12 am Überlappstoß ist ein MSG-Lötschweißprozess, mit dem die beiden Fügepartner 1, 2 aus Stahl und Aluminium thermisch gefügt werden. Dabei schmilzt der Lichtbogen 14 nur das Aluminiumblech 2 und den eingebrachten Zusatzwerkstoff (Drahtelektrode 13) auf. Problematisch am MSG-Lötschweißen ist jedoch, dass die entstehende Schmelze das Stahlblech 1 nur unzureichend benetzt, d. h. die Bindung zwischen Lot 21 und Stahloberfläche ist nicht ausreichend gut. Dies führt zu einer Einbuße in den mechanischen Eigenschaften des mittels MSG-Lötschweißens hergestellten Stahl-Aluminium-Hybridbauteils.
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Ein günstiges Benetzungsverhalten auf der Stahlseite lässt sich metallurgisch gewährleisten, indem auf die Fügefläche 3 des Stahlblechs 1 vorab eine metallische Beschichtung 5 aufgetragen wird, wobei der Beschichtungswerkstoff niedrig schmelzend und in gewissem Maße löslich zum Schweißzusatzwerkstoff (Drahtelektrode 13) gewählt wird. Dies ermöglicht das thermische Fügen von Aluminium-Stahl-Hybridverbindungen, ohne dass benetzungsfördernde Flussmittel nötig sind.
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Bei dem in 4 veranschaulichten MSG-Fügeprozess ist lediglich der stahlseitige Fügepartner bestehend aus dem Stahlblech 1 mit aufgebrachter metallischer Beschichtung 5 dargestellt. Die metallische Beschichtung 5 wird im MSG-Fügeprozess teilweise oder vollständig aufgeschmolzen/angeschweißt, während der Grundwerkstoff (Stahlblech 1) selbst nicht aufgeschmolzen wird. Ein solches Aufschmelzen des Stahls ist unerwünscht, da sich ansonsten aus der Schmelze von Eisen und Aluminium intermetallische Phasen bilden könnten, welche die Verbindung schon beim Abkühlen durch ihre spröde Materialcharakteristik wieder zerstören.
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Um das Auftreten von spröden intermetallischen Aluminium-Eisen-Phasen zu verhindern oder zumindest zu begrenzen, wird der durch die Brennereinheit zum thermischen Spritzen (zum Beispiel Plasmaspritzbrenner 7 nach 3) ausgeführte Beschichtungsprozess so gesteuert, dass die thermisch gespritzte Schicht 5 eine geringe und dennoch konstante Dicke aufweist, um den Stahl beim anschließenden thermischen Fügeverfahren (zum Beispiel mittels MSG-Brenners 6 nach 4) im festen Zustand zu belassen. Gleichzeitig sollte die thermisch gespritzte Schicht 5 aber auch so dünn wie möglich aufgetragen werden, um einen möglichst geringen zusätzlichen Material- und damit Kosteneinsatz zu erreichen.
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Voraussetzung für die Realisierung eines Löt- oder Schweißlötprozesses ist in jedem Fall die Wahl eines geeigneten Beschichtungswerkstoffs, welcher eine ausreichende Löslichkeit mit dem Lot 21 (bestehend aus dem abgeschmolzenen Material der Drahtelektrode 13) und mit dem vom angrenzenden Fügepartner (Aluminiumblech 2) abgeschmolzenen Aluminium besitzen sollte. Mit ausreichender Festigkeit und Temperaturstabilität der Hybridverbindung bieten sich aufgrund der guten Benetzbarkeit zur Verbindung von Stahl mit Aluminium die Basiselemente Aluminium, Zink, Zinn oder Kupfer als stahlseitige Beschichtungswerkstoffe an. Die Anbindung des Beschichtungswerkstoffs an den Stahl-Grundwerkstoff erfolgt durch thermisches Spritzen, indem die in den Plasmastrahl 11 eingeblasenen Metallpulverpartikel 10 aufgeschmolzen und anschließend mit hoher Geschwindigkeit auf die Stahloberfläche geschleudert werden, um dort durch mechanische Verklammerung haften zu bleiben. Die Stahloberfläche wird somit beim thermischen Spritzprozess – genauso wie beim nachfolgenden thermischen Fügeprozess – nicht angeschmolzen und nur in geringem Maße thermisch belastet.
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Spritzprozessbedingt können sich bei der in den 1 und 2 dargestellten Anordnung der Fügepartner 1, 2 Anteile des verspritzten Beschichtungswerkstoffs auch an der stirnkantenseitigen Fügefläche 4 des Fügepartners 2 aus Aluminium ablagern. Solche Ablagerungen sind jedoch der Festigkeit der Schweißlötverbindung nicht abträglich, da die Ablagerungen beim thermischen Fügeprozess abschmelzen, in der Schmelze gelöst werden und die Eigenschaften der entstehenden Verbindung somit nur unwesentlich beeinflussen.
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Der MSG-Brenner 6 nach 4 ist mit der Brennereinheit 7 zum thermischen Spritzen steuerungstechnisch so gekoppelt, dass der Lichtbogen 14 zum Starten des Löt-/SQchweißlötprozesses gezündet wird, sobald der MSG-Brenner 6 die beschichtete Fläche 3 erreicht, und dass der Lichtbogen 14 zum Stoppen des Löt-/Schweißlötprozesses gelöscht wird, sobald der MSG-Brenner 6 die beschichtete Fläche 3 verlässt. So wird gewährleistet, dass keine Fügestellen auftreten, in denen der Lichtbogen 14 direkt auf die unbeschichtete Stahloberfläche trifft. Ein solches Auftreffen des Lichtbogens 14 auf die Stahloberfläche ist nicht erwünscht, da dies ein geringes Aufschmelzen des Stahls bedingen würde und sich hierbei aus der flüssigen Phase der Metalle Eisen und Aluminium eine intermetallische Phase bildet, die zu einer unzulässigen Versprödung der Fügezone führt. Ebenso ändern sich nachteilhafterweise die Nahtgeometrie und die Nahtfestigkeit, wenn der Zusatzwerkstoff-Massentransfer des MSG-Prozesses über unbeschichtete Flächen geführt wird.
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Die metallische Beschichtung 5 wird während des thermischen Fügevorgangs ganz oder teilweise in die Schmelze 21 des Zusatzwerkstoffs (Material der abschmelzenden Drahtelektrode 13) gelöst. Dabei ist der Beschichtungswerkstoff (zum Beispiel Aluminium, Zink, Zinn, Kupfer oder deren Legierungen) so gewählt, dass er eine ausreichende Mischkristalllöslichkeit mit dem Zusatzwerkstoff (zum Beispiel Zink- oder Aluminiumbasislot) besitzt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Fügen zweier Fügepartner 1, 2 können gemäß den vorbeschriebenen 1 und 2 vorteilhaft für eine Kehlnaht 12 an einem Überlappstoß angewendet werden. Für die Mischbauweise Stahl-Aluminium sind jedoch auch andere Fügegeometrien, zum Beispiel Kehlnaht am Bördelstoß, Kehlnaht am T-Stoß, I-Naht am Stumpfstoß ... geeignet.
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Der Brenner 16 kann möglichst kompakt konstruiert sein, indem die beiden Brennereinheiten 7, 6 zum thermischen Spritzen und thermischen Fügen (zum Beispiel Löten oder Schweißlöten) in Fügerichtung 8 nur geringfügig örtlich zueinander versetzt sind. Die Brennereinheit zum thermischen Spritzen (zum Beispiel Plasmaspritzbrenner 7 gemäß 3) muss in Fügerichtung 8 lediglich so weit vor der Brennereinheit zum thermischen Fügen (zum Beispiel MSG-Brenner 6 gemäß 4) angeordnet werden, dass der Spritzstrahl (zum Beispiel Plasmastrahl 11) beim thermischen Spritzen und der Energiestrahl (zum Beispiel Lichtbogen 14) beim thermischen Fügen nicht miteinander kollidieren.
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Vorteilhafterweise können mit dem thermischen Spritzverfahren extrem dichte und gleichzeitig sehr dünne metallische Beschichtungen 5 (mit Schichtdicken von unter 100 μm) auf die Fügefläche 3 des zu lötenden Fügepartners 1 (Stahl) der Materialkombination oder auf die Fügeflächen 3, 4 beider Fügepartner 1, 2 (Stahl und Aluminium) aufgetragen werden. Die aufgetragenen Schichten 5 bewirken eine Steigerung des Benetzungsverhaltens beim Löten/Schweißlöten von Materialkombinationen (Stahl/Aluminium) im Vergleich zu nicht vorbeschichteten Flächen und somit eine Festigkeitssteigerung solcher Verbindungen.
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Demzufolge kann aufgrund des vorlaufenden Beschichtungsprozesses und der aufgetragenen Beschichtung 5 durch ein thermisches Fügeverfahren (zum Beispiel durch einen MSG-Prozess) eine stoffschlüssige/metallurgische Verbindung hoher Festigkeit zwischen Fügepartnern 1, 2 aus artverschiedenen metallischen Werkstoffen, wie beispielsweise Aluminium und Stahl, hergestellt werden. Dazu ist kein Einsatz von Flussmitteln und/oder von vorbeschichteten (zum Beispiel feuerverzinkten oder elektrolytisch verzinkten) Stahlblechen notwendig.
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Zudem können beide Verfahrensschritte (Beschichten durch thermisches Spritzverfahren und Verbinden durch thermisches Fügeverfahren) gleichzeitig durch in Fügerichtung 8 zueinander örtlich versetzte Brennereinheiten 6, 7 ausgeführt werden, ohne dass eine zwischenzeitliche Manipulation der Fügepartner 1, 2 erforderlich ist. Dies führt zu einer höheren Prozesssicherheit und Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens im Vergleich zu konventionellen Fügeverfahren. Zur weiteren Wirtschaftlichkeitssteigerung des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens trägt bei, dass die hergestellten Bauteile nicht nach dem Fügen noch einem zusätzlichen Reinigungsprozess unterzogen werden müssen, um sie von korrosiven Flussmittelrückständen zu befreien.
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Auch ist bedingt durch die sehr dünnen Schichtdicken, die sich mittels thermischen Spritzverfahren realisieren lassen, nur ein verhältnismäßig geringer zusätzlicher Material- und damit Kosteneinsatz erforderlich. Auf zusätzliche Verbindungselemente (zum Beispiel sprengplattierte Stahl-Aluminium-Verbundplattenstreifen) kann gänzlich verzichtet werden.
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Zudem ist das erfindungsgemäße Fügeverfahren leicht zu automatisieren, beispielsweise indem ein modifizierter Brenner 16 mit einer Brennereinheit 7 zum thermischen Spritzen und einer Brennereinheit 6 zum thermischen Fügen in bestehende Schweißanlagen (zum Beispiel zum MSG-Schweißen) integriert wird. Da eine sehr kleine Schichtdicke (< 100 μm) der thermisch gespritzten Beschichtung 5 bereits für eine ausreichende Benetzung sorgt, wird die beim thermischen Fügeprozess (zum Beispiel beim MSG-Prozess) maximal erreichbare Fügegeschwindigkeit von dem in Fügerichtung 8 vorlaufenden thermischen Spritzprozess nicht oder nur unwesentlich reduziert. Schließlich kann, beispielsweise durch Änderung der Position des modifizierten Brenners 16 oder der darin angeordneten Brennereinheiten 7, 6 zum thermischen Spritzen und thermischen Fügen, das erfindungsgemäße Verfahren einfach und flexibel an verschiedene Stoßarten (Bördelstoß, Überlappstoß, Stumpfstoß, T-Stoß ...) angepasst werden.
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Das erfindungsgemäße Fügeverfahren und die erfindungsgemäße Fügevorrichtung können in allen Bereichen der Industrie eingesetzt werden, in denen Verbundbauteile aus metallischen Fügepartnern 1, 2 (wie zum Beispiel Stahl und Aluminium) hochfest verbunden werden müssen. Insbesondere im Bereich der Automobilindustrie, wo aus Gründen der Gewichtsersparnis ein zunehmender Trend zu Hybridbauteilen aus Aluminium und Stahl festzustellen ist, können das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders vorteilhaft eingesetzt werden.
