-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Fügen von zumindest zwei Aluminiumbauteilen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
-
Aus Korrosionsschutzgründen werden Aluminiumbauteile häufig eloxiert, beispielsweise indem durch Elektrolyse an jeweiligen Oberflächen der Aluminiumbauteile eine anodische Oxidation hervorgerufen wird. Die dadurch hergestellte, dichte Oxid-Schutzschicht an den Aluminiumbauteilen erschwert das Verschweißen der Aluminiumbauteile miteinander oder macht je nach Schweißverfahren ein Verschweißen der Aluminiumbauteile unmöglich. Derartige Oxidschichten, welche üblicherweise eine Dicke im Mikrometerbereich aufweisen, fungieren zudem auch als elektrischer Isolator, sodass derartig beschichtete Bauteile unter anderem nicht mittels Metall-Inert-Gas-Schweißverfahren oder Metall-Aktivgas-Schweißverfahren gefügt werden können.
-
Um dennoch eine ausreichende Schweißbarkeit derart oxidierter Aluminiumbauteile ermöglichen zu können, kann beispielsweise nur eine partielle Beschichtung durchgeführt werden, sodass die Oxidschichten im Schweißbereich ausgespart werden. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, derartig künstlich hergestellte Oxidschichten durch mechanische Verfahren partiell wieder zu entfernen. Beide Lösungsansätze sind sehr teuer, insbesondere ist eine nachfolgende Bearbeitung immer auch zusätzlich mit einem relativ großen Zeitaufwand verbunden.
-
Die
DE 44 46560 C1 zeigt ein gattungsgemäßes Verfahren zum thermischen Fügen von zumindest zwei Aluminiumbauteilen, bei welchem die Aluminiumbauteile mittels einer Laservorrichtung unter Ausbildung einer Schweißnaht miteinander gefügt werden. Dabei erfolgt die Vorbehandlung jeweiliger Oxidschichten an den Aluminiumbauteilen mittels eines Lichtbogens. Dies macht die dabei eingesetzte Schweißvorrichtung relativ aufwendig und teuer.
-
Die
DE 10 2014 107 693 A1 zeigt ein Widerstandspunktschweißverfahren, bei welchem zumindest an einer Stoßfläche eines Aluminiumbauteils eine Oxidschicht durch eine besser schweißbare Schutzschicht ausgetauscht wird.
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum thermischen Fügen von zumindest zwei Aluminiumbauteilen bereitzustellen, mittels welchen eine Oxidschicht aufweisende Aluminiumbauteile auf besonders einfache Weise thermisch miteinander gefügt werden können.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum thermischen Fügen von zumindest zwei Aluminiumbauteilen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Um ein thermisches Fügen von zumindest zwei eine Oxidschicht aufweisenden Aluminiumbauteilen auf vereinfachte Weise zu ermöglichen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest eine im Bereich der herzustellenden Schweißnaht vorhandene Oxidschicht an wenigstens einem der beidem Aluminiumbauteile mittels der Laservorrichtung zumindest teilweise entfernt wird. Vorzugsweise wird dabei mittels der Laservorrichtung ein Laserstrahl mit einer sehr hohen Leistungsintensität verwendet, sodass eine oder beide Oxidschichten an den zu fügenden Aluminiumbauteilen aufgebrochen werden. In einem derartigen Fall können das Aufbrechen der Oxidschichten und das eigentlichen Fügen im Wesentlichen gleichzeitig erfolgen.
-
Erfindungsgemäß wird also mit anderen Worten eine Vorbehandlung der zu fügenden Aluminiumbauteile mittels eines Laserstrahls vorgeschlagen, welcher bestehende Oxidschichten an den Aluminiumbauteilen zumindest im Bereich der herzustellenden Schweißnaht entfernt beziehungsweise aufbricht. Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass ein Laserschweißverfahren auch bei Aluminiumbauteilen mit Oxidschichten angewendet werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere dann, wenn keine besonders hohen Anforderungen an die Optik der herzustellenden Schweißnaht gestellt werden.
-
Für den Fall, dass optisch ansprechendere Schweißnähte mit einer geringen Porosität hergestellt werden sollen, ist es vorzugsweise vorgesehen, dass vor dem Fügen mittels der Laservorrichtung mehrere einzelne Laserpulse erzeugt werden, mittels welchen die Oxidschicht entfernt wird. Mit anderen Worten kann also eine integrierte, reinigende Operation mittels einzelner Laserpulse vor dem eigentlichen Fügevorgang durchgeführt werden, bei welchem die Oxidschicht an zumindest einem der Aluminiumbauteile oder auch an beiden Aluminiumbauteilen aufgesprengt wird.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die beiden Aluminiumbauteile mittels einer Kehl-, Bördel- oder I-Naht miteinander gefügt werden. Je nach Geometrie der zu fügenden Aluminiumbauteile und je nach an die Fügeverbindung gestellten Anforderungen kann somit eine geeignete Nahtgeometrie gewählt werden.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass mittels der Laservorrichtung zum Fügen der Aluminiumbauteile ein Laserstrahl mit einem Fokusdurchmesser von 0,3 mm erzeugt wird. Dadurch können besonders gute Fügeergebnisse erzielt werden. Andere Strahldurchmesser sind je nach Anwendungsfall aber ebenfalls möglich.
-
Schließlich ist es gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass an beiden Aluminiumbauteilen vor dem thermischen Fügen mittels einer anodischen Oxidation jeweilige Oxidschichten hergestellt werden, welche danach im Bereich der herzustellenden Schweißnaht mittels der Laservorrichtung zumindest teilweise entfernt werden. Vorzugsweise erfolgt das Herstellen der Oxidschichten durch ein Eloxal-Verfahren, bei welchem im Gegensatz zu galvanischen Überzugsverfahren die Oxidschutzschichten nicht auf den Aluminiumbauteilen niedergeschlagen, sondern durch Umwandlung der obersten Metallschicht in ein Oxid gebildet werden. Dadurch kann eine 5 bis 25 μm dünne Schicht erzielt werden, die tiefere Schichten der Aluminiumbauteile solange vor Korrosion schützt, wie keine Lücken, beispielsweise durch mechanische Beschädigung, in diesen Schichten entstehen.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
-
Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung von zwei Aluminiumblechen, welche mittels einer Laservorrichtung unter Ausbildung einer Schweißnaht miteinander gefügt werden;
-
2 eine schematische Darstellung von einem der beiden Aluminiumbleche, wobei vor dem Fügen mittels der Laservorrichtung mehrere einzelne Laserpulse erzeugt werden, mittels welchen eine Oxidschicht an dem Aluminiumblech entfernt wird; und in
-
3 einen Querschliff durch eine laserstrahlgeschweißte Überlappverbindung der beiden Aluminiumbleche.
-
In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
-
Zwei Aluminiumbauteile in Form von eloxierten Aluminiumbleche 10, 12 sind in einer schematischen Perspektivansicht in 1 gezeigt. Mittels einer schematisch angedeuteten Laservorrichtung 14 wird ein Laserstrahl 16 erzeugt. Mittels des Laserstrahls 16 werden die beiden Aluminiumbleche 10, 12 unter Ausbildung einer Schweißnaht 18 miteinander gefügt.
-
Aus Korrosionsschutzgründen sind die beiden Aluminiumbleche 10, 12 eloxiert, weisen also eine dichte, durch anodische Oxidation erzeugte schützende Oxidschicht auf. Durch die hohe Leistungsintensität des Laserstrahlschweißens mittels der Laservorrichtung 14 ist ein thermisches Fügen der beiden eloxierten Aluminiumbleche 10, 12 ohne eine zusätzliche Bearbeitung der Aluminiumbleche 10, 12 möglich. Die Schichtdicken der Oxidschichten der beiden Aluminiumbleche 10, 12 können dabei im Mikrometerbereich variieren. Bei den Oxidschichten handelt es sich um Eloxalschichten, welche beispielsweise eine Dicke von 10 μm aufweisen können.
-
Die Leistungsintensität des Laserstrahls 16 wird vorzugsweise so hoch gewählt, dass die jeweiligen als Eloxalschichten ausgebildeten Oxidschichten an den Aluminiumbauteilen zumindest im Bereich der herzustellenden Schweißnaht 18 teilweise aufgesprengt beziehungsweise entfernt werden.
-
Falls optisch schönere Nähte mit einer geringen Porosität erzielt werden sollen, kann eine integrierte, reinigende Operation mittels einzelner Laserpulse dem eigentlichen Fügevorgang vorausgehen, um die jeweiligen Oxidschichten der Aluminiumbleche 10, 12 aufzusprengen.
-
In 2 ist das untere der beiden Aluminiumbleche 10, 12 in einer schematischen Perspektivansicht gezeigt. Mittels der hier nicht dargestellten Laservorrichtung 14 werden vor dem eigentlichen thermischen Fügen der beiden Aluminiumbauteile 10, 12 einzelne Laserpulse 20 erzeugt, sodass eine aufgebrochene Oxidschicht 22 an dem Aluminiumbauteil 12 erzeugt wird. In gleicher Weise kann auch mit dem hier nicht dargestellten oberen Aluminiumblech 10 verfahren werden.
-
In 3 sind die beiden miteinander gefügten Aluminiumbleche 10, 12 in einem Querschliff dargestellt. Wie zu erkennen, wurden die beiden Aluminiumbleche 10, 12 mittels einer Überlappverbindung miteinander gefügt. Ein Bereich 24 der durch Verschweißen der beiden Aluminiumbleche 10, 12 hergestellten Fügeverbindung ist nochmals in einer vergrößerten Ansicht gezeigt. In der vergrößerten Ansicht des Bereichs 24 sind die jeweiligen einzelnen Oxidschichten 26 zu erkennen, welche eine Dicke von 10 μm aufweisen. Des Weiteren sind auch noch die durchbrochenen Oxidschichten 22 zu erkennen, welche beispielsweise wie in 2 dargestellt, mittels der Laserpulse 20 aufgebrochen worden sein können. Der Durchmesser des Laserstrahls 16 wird während des Fügevorgangs im Fokus auf circa 0,3 mm eingestellt, wobei auch andere Strahldurchmesser möglich sind.
-
Das erläuterte Verfahren zum thermischen Fügen der beiden Aluminiumbleche 10, 12 kann auch bei anderen Bauteilverbindungen, also nicht nur bei Blechverbindungen, eingesetzt werden. Beispielsweise können in analoger Weise auch Bleche mit Gussbauteilen, zum Bespiel bei einer Federbeinaufnahmen, miteinander gefügt werden. Das Fügen von Blechen mit Blechen bietet sich insbesondere im Karosseriebau an.
-
Das erläuterte Fügeverfahren ist darüber hinaus automatisierbar, beispielsweise indem die Laservorrichtung 14 mittels eines Roboters geführt wird. Insbesondere ist es bei Anwendung des erläuterten Verfahrens nicht mehr notwendig, auf aufwendige Weise partielle Aussparungen im Bereich der Oxidschichten 26 vorzusehen oder aufwendige mechanische Nachbearbeitungen vorzunehmen, um die Oxidschichten 26 vor dem eigentlichen Fügen der beiden Aluminiumbleche 10, 12 zu entfernen. Darüber hinaus kann mittels des erläuterten Verfahrens eine hohe Prozessgeschwindigkeit und damit auch eine sehr niedrige Taktzeit realisiert werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 4446560 C1 [0004]
- DE 102014107693 A1 [0005]
