DE102015121064B3 - Joining by fusion bath displacement - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Fügen von Fügepartnern artungleicher Zusammensetzung, umfassend: – Anordnen eines ersten Fügepartners in mechanischem Kontakt mit einem zweiten Fügepartner; – Applizieren eines ersten Laserstrahls durch eine Ausnehmung im ersten Fügepartner auf einen ersten Oberflächenbereich des zweiten Fügepartners; – Laserinduziertes Erzeugen einer Schmelze zwischen dem ersten Oberflächenbereich und einem dem ersten Oberflächenbereich gegenüber liegenden zweiten Oberflächenbereich des zweiten Fügepartners, wobei der erste Oberflächenbereich zumindest abschnittsweise zu der Schmelze aufgeschmolzen wird; – Bewegen der Schmelze zumindest in einen Abschnitt der Ausnehmung und Halten der Schmelze zumindest teilweise innerhalb der Ausnehmung; – Erstarren der Schmelze, wodurch die beiden Fügepartner über die in der Ausnehmung erstarrte Schmelze miteinander verankert werden.A method of joining joining partners of dissimilar composition, comprising: arranging a first joining partner in mechanical contact with a second joining partner; - Applying a first laser beam through a recess in the first joining partner on a first surface region of the second joining partner; Laser-induced generation of a melt between the first surface region and a second surface region of the second joining partner lying opposite the first surface region, wherein the first surface region is melted at least in sections into the melt; - Moving the melt at least in a portion of the recess and holding the melt at least partially within the recess; - Solidification of the melt, whereby the two joining partners are anchored to each other via the solidified in the recess melt.
Description
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Maschinenbaus und betrifft Fügetechniken für metallische Werkstoffe, insbesondere das Fügen von artungleichen Materialien in einer Überlapp-Anordnung. The invention is in the field of mechanical engineering and relates to joining techniques for metallic materials, in particular the joining of dissimilar materials in an overlap arrangement.
Eine Vielzahl technischer Konstruktionen erfordert ein Verbinden von artungleichen Materialien, um unterschiedliche Materialeigenschaften (z. B. Gewicht, Festigkeit, Duktilität, Wärmeleitfähigkeit) miteinander kombinieren zu können. Die Druckschrift
Vor diesem Hintergrund wird ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und die Verwendung des beschriebenen Verfahrens gemäß Anspruch 16 vorgeschlagen. Against this background, a method according to
Gemäß einem ersten Aspekt wird somit ein Fügeverfahren für Fügepartner aus artungleichen Materialien vorgeschlagen, das die folgenden Schritte umfasst:
- – Anordnen eines ersten Fügepartners in mechanischem Kontakt mit einem zweiten Fügepartner;
- – Applizieren eines ersten Laserstrahls durch eine Ausnehmung im ersten Fügepartner auf einen ersten Oberflächenbereich des zweiten Fügepartners;
- – Laserinduziertes Erzeugen einer Schmelze zwischen dem ersten Oberflächenbereich und einem dem ersten Oberflächenbereich gegenüber liegenden zweiten Oberflächenbereich des zweiten Fügepartners, wobei der erste Oberflächenbereich des zweiten Fügepartners zumindest abschnittsweise zu der Schmelze aufgeschmolzen wird;
- – Bewegen der Schmelze zumindest in einen Abschnitt der Ausnehmung und Halten der Schmelze zumindest teilweise innerhalb der Ausnehmung;
- – Abkühlen und/oder Erstarren der Schmelze, wodurch die beiden Fügepartner über die in der Ausnehmung erstarrte Schmelze miteinander verankert werden.
- Arranging a first joining partner in mechanical contact with a second joining partner;
- - Applying a first laser beam through a recess in the first joining partner on a first surface region of the second joining partner;
- Laser-induced generation of a melt between the first surface region and a second surface region of the second joining partner lying opposite the first surface region, the first surface region of the second joining partner being melted at least in sections into the melt;
- - Moving the melt at least in a portion of the recess and holding the melt at least partially within the recess;
- - Cooling and / or solidification of the melt, whereby the two joining partners are anchored to each other via the solidified in the recess melt.
So erfolgt das Fügen der beiden Fügepartner hauptsächlich über das bei einer niedrigeren Temperatur als jenes des ersten Fügepartners schmelzende Material des zweiten Fügepartners. Durch eine Ausnehmung im ersten Fügepartner hindurch mittels Laser aufgeschmolzenes Material des zweiten Fügepartners wird in die Ausnehmung des ersten Fügepartners hinein bewegt und erstarrt dort. Umschließt das erstarrte Material dabei zumindest teilweise eine Hinterschneidung oder einen Rand der Ausnehmung im ersten Fügepartner, so resultiert eine mechanische Verankerung. Alternativ oder zusätzlich und unabhängig vom so erreichbaren Formschluss kann (material- und prozessabhängig) ein Stoffschluss ausgebildet werden. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist die mit nur wenigen Verfahrensschritten erreichte Ausbildung einer zuverlässigen Fügeverbindung. Das Bewegen der Schmelze erfolgt vorteilhaft unter Einwirkung einer extern steuerbaren Kraft, die unmittelbar auf das aufgeschmolzene Material einwirkt. Diese Kraft kann beispielsweise eine Druckkraft eines Gases bzw. eine Druckkraft der umgebenden Atmosphäre bei Anliegen eines Unterdruckes auf der gegenüberliegenden Seite der miteinander in mechanischen Kontakt gebrachten Fügepartner sein. Ebenso können Zentrifugalkräfte genutzt werden, beispielsweise wenn ein Laserspot korrespondierend mit einem in mechanischem Kontakt stehenden und kontinuierlich bewegtem Materialverbund wandert, und die vom Laserspot erzeugte Schmelze beim Lauf der beiden Fügepartner über eine Umlenkwalze in eine oder mehrere Ausnehmung(en) im äußeren (oberen) Fügepartner geschleudert wird und darin durch den abrupten Wärmeentzug bei Kontakt mit der Wandung der Ausnehmung erstarrt. Wie nachfolgend noch ausführlicher beschrieben, kann aber auch eine elektromagnetisch induzierte Kraft zur gerichteten Bewegung der Schmelze eingesetzt werden. Thus, the joining of the two joining partners takes place mainly via the material of the second joining partner which melts at a lower temperature than that of the first joining partner. Through a recess in the first joining partner by means of laser melted material of the second joining partner is moved into the recess of the first joining partner and solidifies there. If the solidified material at least partially encloses an undercut or an edge of the recess in the first joining partner, this results in a mechanical anchoring. Alternatively or additionally, and independently of the thus achievable form-fitting, a material bond can be formed (depending on the material and the process). An advantage of this embodiment is achieved with only a few process steps training a reliable joint connection. The movement of the melt is advantageously carried out under the action of an externally controllable force, which acts directly on the molten material. This force can, for example, be a compressive force of a gas or a compressive force of the surrounding atmosphere when a negative pressure is applied to the opposite side of the joining partners brought into mechanical contact with one another. Likewise, centrifugal forces can be used, for example if a laser spot moves in a corresponding manner with a mechanically contacted and continuously moved material composite, and the melt produced by the laser spot as the two joining partners pass through a deflection roller into one or more recesses in the outer (upper) Joining partner is thrown and solidified therein by the abrupt withdrawal of heat on contact with the wall of the recess. As described in more detail below, but also an electromagnetically induced force for directional movement of the melt can be used.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Bewegen und/oder Halten nämlich ein Erzeugen eines Wirbelstroms in der Schmelze, wobei die Schmelze zumindest teilweise in die Ausnehmung bewegt wird und in der Ausnehmung gehalten wird. Namely, according to a preferred embodiment, the moving and / or holding comprises generating an eddy current in the melt, wherein the melt is at least partially moved into the recess and held in the recess.
Vorteilhafterweise kann das Erzeugen des Wirbelstroms berührungslos erfolgen und erfordert lediglich zur temporären Fixierung der beiden Fügepartner einen geringen Kraftaufwand. Die beiden Fügepartner müssen während des Fügevorganges lediglich kurzzeitig zueinander lagestabilisiert und in mechanischem Kontakt miteinander gehalten werden. Besonders kennzeichnend für die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des vorgeschlagenen Verfahrens ist somit die im Unterschied zu anderen Techniken – abgesehen vom Kontakt der Fügepartner zueinander – berührungslos vollzogene Ausbildung der Fügezone. Advantageously, the generation of the eddy current can be done without contact and only requires a temporary effort to fix the two joining partners with little effort. The two joining partners must be stabilized during the joining process only briefly to each other and kept in mechanical contact with each other. Particularly characteristic of the above-described embodiments of the proposed method is thus in contrast to other techniques - apart from the contact of the joining partners to each other - performed without contact training of the joining zone.
Gemäß einer typischen Ausführungsform erfolgt das Erzeugen des Wirbelstroms in der Schmelze mittels einer in die Nähe des zweiten Oberflächenbereichs des zweiten Fügepartners platzierten elektrischen Spule und/oder eines mit der Spule assoziierten Polschuhs. According to a typical embodiment, the eddy current is generated in the melt by means of an electrical coil placed in the vicinity of the second surface region of the second joining partner and / or a pole shoe associated with the coil.
Vorteile der Verwendung einer Spule und/oder eines mit der Spule assoziierten ferromagnetischen Formkörpers, beispielsweise eines ferromagnetischen Spulen-Kerns, Polschuhs oder mehrerer Polschuhe ergeben sich aus der Fokussierung des mit der Spule erzeugbaren Magnetfeldes. Durch geeignete Auslegung von Polschuhen kann die auf die Schmelze einwirkende Kraft so verteilt werden, dass die Ausnehmung weitestgehend gleichmäßig mit der Schmelze gefüllt wird. Advantages of using a coil and / or associated with the coil ferromagnetic molding, such as a ferromagnetic coil core, pole piece or more pole pieces resulting from the focusing of the magnetic field generated by the coil. By suitable design of pole shoes, the force acting on the melt force can be distributed so that the recess is largely uniformly filled with the melt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Spule elektrisch so angesteuert, dass ein oszillierendes Magnetfeld erzeugt wird und eine zumindest teilweise in Richtung der Ausnehmung gerichtete Lorentz-Kraft die Schmelze zumindest teilweise in die Ausnehmung bewegt und/oder darin hält. According to a further embodiment, the coil is electrically driven such that an oscillating magnetic field is generated and a Lorentz force directed at least partially in the direction of the recess at least partially moves the melt into the recess and / or holds it therein.
Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich mit der vergleichsweise leicht steuerbaren Stärke der auf die Schmelze einwirkenden Kraft und des somit steuerbaren Volumens der Schmelze, die in der Ausnehmung gehalten und dort zum Erstarren gebracht werden kann. Advantages of this embodiment result from the relatively easily controllable strength of the force acting on the melt and the thus controllable volume of the melt, which can be held in the recess and solidified there.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegt eine Dichte des erzeugten magnetischen Flusses im Bereich von 1 mT bis 1 T, insbesondere zwischen 50 mT und 750 mT, beispielsweise zwischen 100 mT und 500 mT. According to a further embodiment, a density of the generated magnetic flux is in the range of 1 mT to 1 T, in particular between 50 mT and 750 mT, for example between 100 mT and 500 mT.
Vorteile dieser Ausführungsform liegen darin, dass magnetische Flussdichten in dieser Größenordnung mit üblichen Spulensystemen und Materialien erreichbar, und/oder reproduzierbar einstellbar sind. Advantages of this embodiment are that magnetic flux densities of this order of magnitude can be achieved with conventional coil systems and materials, and / or are reproducibly adjustable.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt die Frequenz des oszillierenden Magnetfeldes weniger als 5 kHz für Materialstärken des aufschmelzenden Fügepartners unterhalb von etwa 5 mm und weniger als 1 kHz für Materialstärken des aufschmelzenden Fügepartners größer als etwa 5 mm. Bekanntermaßen verhält sich die Eindringtiefe eines Wechselfeldes umgekehrt proportional zur Frequenz des Wechselfeldes. Für höhere Eindringtiefen (resp. Materialstärken) werden gegenüber dünneren Materialien also vergleichsweise niedrigere Frequenzen bevorzugt. Bevorzugt beträgt die Frequenz des oszillierenden Magnetfeldes für Materialstärken des niederschmelzenden Verbundpartners von 5 mm oder unterhalb von 5 mm zwischen 60 Hz und 1 MHz, insbesondere 100 Hz bis 10 kHz, bevorzugt zwischen 500 Hz und 5 kHz oder weniger als 5 kHz und weniger als 1 kHz für Materialstärken > 5 mm, insbesondere weniger als 750 Hz. According to a further embodiment, the frequency of the oscillating magnetic field is less than 5 kHz for material thicknesses of the melting joining partner below about 5 mm and less than 1 kHz for material thicknesses of the melting joining partner greater than about 5 mm. As is known, the penetration depth of an alternating field behaves inversely proportional to the frequency of the alternating field. For higher penetration depths (or material thicknesses), relatively lower frequencies are preferred over thinner materials. The frequency of the oscillating magnetic field for material thicknesses of the low-melting composite partner of 5 mm or below 5 mm is preferably between 60 Hz and 1 MHz, in particular 100 Hz to 10 kHz, preferably between 500 Hz and 5 kHz or less than 5 kHz and less than 1 kHz for material thicknesses> 5 mm, in particular less than 750 Hz.
Vorteile dieser Ausführungsform liegen somit darin begründet, dass die Eindringtiefe des oszillierenden Magnetfeldes über die Frequenz des induzierenden elektrischen Wechselfeldes jeweils an die Materialstärke des aufzuschmelzenden Fügepartners anpassbar ist, sodass eine Erwärmung des die Ausnehmung aufweisenden Fügepartners (der typischerweise der obere Fügepartner ist) vermieden wird. Advantages of this embodiment are therefore based on the fact that the penetration depth of the oscillating magnetic field over the frequency of the alternating electric field is adaptable to the material thickness of the joining partner to be melted, so that a heating of the joining partner having the recess (which is typically the upper joining partner) is avoided.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform geht dem Applizieren des ersten Laserstrahls durch die Ausnehmung im ersten Fügepartner ein Erzeugen der Ausnehmung selbst mit demselben Laserstrahl, mit einem anderen Laserstrahl oder mit einem Elektronenstrahl voraus. Laserstrahl(en) und Elektronenstrahl können kontinuierlich oder diskontinuierlich, bzw. gepulst angewendet werden. According to a further embodiment, the application of the first laser beam through the recess in the first joining partner precedes the production of the recess itself with the same laser beam, with another laser beam or with an electron beam. Laser beam (s) and electron beam can be applied continuously or discontinuously, or pulsed.
Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich mit der erweiterten Prozessfreiheit. Beispielsweise kann ein vor, parallel zum Fügen oder anschließend daran – beispielsweise für den Materialzuschnitt – eingesetzter Laser teilweise zum Ausbilden der Fügeverbindung eingesetzt werden. Die Kombination von Lasern unterschiedlicher Leistung(sdichte) erweitert die Palette der als erste und zweite Fügepartner verwendbaren Materialien. Der Einsatz eines Elektronenstrahls ermöglicht es auf Grund der Wirkung des niederschmelzenden zweiten Fügepartners als Unterlagematerial, im höherschmelzenden ersten Fügepartner präzise Durchgangsbohrungen vorteilhafter Geometrie zu erzeugen. Zudem entfällt die Notwendigkeit einer exakten Detektion der Lage einer bereits vorliegenden Ausformung, solange zwischen einem ersten und einem zweiten Lasereinsatz die Fügepartner in Relation zueinander nicht bewegt werden. Advantages of this embodiment arise with the extended process freedom. For example, a laser which is used in parallel to the joining or subsequently to it - for example for the cutting of the material - can be used partially to form the joint connection. The combination of lasers of different power (density) extends the range of materials that can be used as first and second joining partners. The use of an electron beam makes it possible, due to the action of the low-melting second joining partner as a base material, to produce precise through-holes of advantageous geometry in the higher-melting first joining partner. In addition, eliminates the need for accurate detection of Position of an already existing shaping, as long as between a first and a second laser use the joining partners are not moved in relation to each other.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Ausnehmung einen in Richtung zum zweiten Fügepartner hin verringerten Durchmesser und/oder eine Hinterschneidung auf. According to a further embodiment, the recess has a diameter which is reduced in the direction of the second joining partner and / or an undercut.
Vorteile ergeben sich mit dem verbesserten Formschluss und der erreichten mechanischen Verankerung der beiden Fügepartner miteinander. Advantages arise with the improved positive locking and the achieved mechanical anchoring of the two joining partners with each other.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine bevorzugte Temperatur der Schmelze beim Bewegen über eine eingebrachte Leistung des ersten oder des zweiten Lasers und/oder durch die Stärke des induzierten Wirbelstroms eingestellt und/oder aufrechterhalten. According to a further embodiment, a preferred melt temperature is set and / or maintained when moving over an applied power of the first or second laser and / or by the strength of the induced eddy current.
Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich mit einer verbesserten Temperaturführung in der Schmelze, woraus eine verminderte Sprödigkeit der erstarrten Schmelze und so eine gesteigerte Festigkeit der erzielten Fügeverbindung erwächst. Advantages of this embodiment are obtained with an improved temperature control in the melt, resulting in a reduced brittleness of the solidified melt and thus increased strength of the achieved joining connection.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Halten und/oder gezielte Erstarren der Schmelze ein zeitlich abgestimmtes Steuern einer Laserleistung (bzw. der Leistung eines Elektronenstrahls, wenn ein solcher zum Herstellen der Schmelze eingesetzt wird) und/oder eines zum Erzeugen des Wirbelstroms genutzten elektrischen Signals. According to a further embodiment, the holding and / or targeted solidification of the melt comprises a timed control of a laser power (or the power of an electron beam when such is used to produce the melt) and / or an electrical signal used to generate the eddy current.
Vorteile ergeben sich mit einer möglichen Energieeinsparung, indem die Energieeinbringung auf die notwendige Zeit zur Erzeugung der Fügeverbindung begrenzt bleibt. Zudem kann eine somit definierte Abkühlkurve das Erstarrungsverhalten vorteilhaft beeinflussen, indem die Ausbildung von Schrumpfspannungen reduziert und Rissbildungen vermieden werden. Advantages arise with a possible energy saving by the energy input remains limited to the time required to produce the joint connection. In addition, a cooling curve thus defined can advantageously influence the solidification behavior by reducing the formation of shrinkage stresses and avoiding formation of cracks.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Volumen der in die Ausnehmung bewegten Schmelze in einem erstarrten Zustand kleiner als ein Volumen der Ausnehmung selbst. Mit anderen Worten, die erstarrte Schmelze füllt die Ausnehmung nicht vollständig aus. According to a further embodiment, a volume of the melt moved into the recess in a solidified state is smaller than a volume of the recess itself. In other words, the solidified melt does not completely fill the recess.
Vorteile ergeben sich daraus, dass eine insgesamt für das Betreiben zumindest eines Lasers und zumindest einer Spule aufgewendete elektrische Leistung minimiert werden kann und dabei trotzdem eine zuverlässige Fügeverbindung erzielbar ist. Advantages result from the fact that a total of for the operation of at least one laser and at least one coil spent electrical power can be minimized and still a reliable joint connection can be achieved.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Ausnehmung im ersten, z.B. höherschmelzenden oder schwierig spanabhebend zu bohrenden Fügepartner durch Bohren erzeugt und umfasst somit ein kreisrundes durchgängiges Loch, beispielsweise eine Bohrung. According to another embodiment, the recess in the first, e.g. higher-melting or difficult to be machined to be drilled joint partner produced by drilling and thus includes a circular through-hole, such as a hole.
Typischerweise ist eine Bohrung leichter herstellbar, als eine ggf. aufwendig zu fräsende Ausnehmung mit einer komplexeren Kontur, die unterschiedliche Krümmungsradien aufweist. Typically, a bore is easier to produce than a possibly consuming to be milled recess with a complex contour having different radii of curvature.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der erste Fügepartner ein Material, welches bei einer höheren Temperatur schmilzt (welches höherschmelzend ist), als ein vom zweiten Fügepartner umfasstes Material. According to a further embodiment, the first joining partner comprises a material which melts at a higher temperature (which is higher melting) than a material covered by the second joining partner.
Gerade für das Fügen derart unterschiedlicher Materialien ist das hier vorgeschlagene Fügeverfahren auf Grund kurzer Prozesszeiten und hoher Betriebsfestigkeit attraktiv. Ein verfahrensgemäß erzeugtes Bauteil wird durch eine Kombination von Stoffschluss und Formschluss an diskreten Abschnitten stabilisiert. Hierbei ist die besagte Kombination von Stoffschluss und Formschluss durch die zuvor beschriebene Einbringung einer Schmelze eines Abschnitts des niedrigerschmelzenden Fügepartners in eine Ausnehmung des höherschmelzenden Fügepartners und das Erstarren der Schmelze in der Ausnehmung verwirklicht. Vorteilhaft kann auf zusätzliche Bauteile oder Hilfsmittel – wie Schrauben und Nieten – sowie auf den Einsatz entsprechender Werkzeuge bzw. weiterer Arbeitsschritte verzichtet werden. Insgesamt ergibt sich so eine vergleichsweise geringere Masse und eine kürzere Fertigungszeit des Bauteils. Especially for the joining of such different materials, the joining method proposed here is attractive due to short process times and high durability. A component produced according to the method is stabilized by a combination of material bond and positive connection at discrete sections. In this case, the said combination of material bond and positive connection is realized by the previously described introduction of a melt of a portion of the lower melting joining partner into a recess of the higher melting joint partner and the solidification of the melt in the recess. Advantageously, can be dispensed with additional components or tools - such as screws and rivets - as well as the use of appropriate tools or other steps. Overall, this results in a comparatively lower mass and a shorter production time of the component.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der erste Fügepartner
einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff, einen Stahl, Titan, eine Titanlegierung oder eine Keramik und der zweite Fügepartner umfasst ein Leichtmetall, eine Leichtmetalllegierung, ein Polymer oder ein Polymercomposit, insbesondere ein mit Kohlenstoff- oder Metallpartikeln gefülltes Polymer. Werden die eingangs genannten nicht-magnetischen Kräfte zur Bewegung der Schmelze genutzt, lassen sich selbstredend auch ungefüllte (reine) Kunststoffe in geschmolzenem Zustand, z.B. durch Gaseinwirkung, in die Ausnehmung drängen. According to a further embodiment, the first joining partner comprises
a carbon fiber reinforced plastic, a steel, titanium, a titanium alloy or a ceramic and the second joining partner comprises a light metal, a light metal alloy, a polymer or a polymer composite, in particular a polymer filled with carbon or metal particles. Be the beginning Of course, unfilled (pure) plastics in the molten state, eg due to the action of gas, can be forced into the recess.
Vorteilhaft ist die Verwendung des vorgeschlagenen Fügeverfahrens gerade für Kombinationen artungleicher Materialien, da auf den Einsatz zusätzlicher Hilfsmittel, wie z.B. die Verwendung von Unterlegscheiben auf der Seite des weicheren Materials, verzichtet werden kann. Derartige Unterlegscheiben (O-Ringe) gelten für die bisher gebräuchlichen Schraub- oder Nietverbindungen typischerweise als unerlässlich. It is advantageous to use the proposed joining method especially for combinations of dissimilar materials, since the use of additional aids, such as, for example, the use of washers on the side of the softer material can be dispensed with. Such washers (O-rings) are typically indispensable for the hitherto conventional screw or rivet connections.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist zumindest einer der beiden Fügepartner ein Blech. According to a further embodiment of the method, at least one of the two joining partners is a metal sheet.
Gerade bei der Verwendung von Blechen, beispielsweise im Fahrzeugbau allgemein (Flugzeugbau, KFZ-Bau, Schiffbau ...), im Maschinen- und Anlagenbau oder in der technischen Gebäudeausrüstung sind Bleche zu Zwecken einer Schall- oder Wärmedämmung typischerweise großflächig mit einem artungleichen Material versehen. Da in den besagten Einsatzgebieten gerade eine Leichtbauweise energetische Vorteile bietet, ist die Verwendung des Verfahrens zum beschriebenen Zweck, bzw. die Verwendung der verfahrensgemäß zugänglichen Bauteile von ökonomischem Vorteil. Especially when using sheet metal, for example in vehicle construction in general (aircraft, automotive construction, shipbuilding ...), in mechanical and plant engineering or in the technical building equipment sheets for purposes of sound or thermal insulation are typically provided over a large area with a dissimilar material , Since lightweight construction offers energetic advantages in said fields of application, the use of the method for the purpose described, or the use of the components accessible according to the method, is of economic advantage.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Verwendung des zuvor beschriebenen Verfahrens zur Herstellung eines Verbundbleches umfassend eine der Kombinationen Aluminium/Stahl, Titan/Aluminium, Titan/Kupfer, Stahl/Kupfer, Wolfram/Kupfer vorgeschlagen. According to a further aspect, the use of the method described above for producing a composite metal sheet comprising one of the combinations aluminum / steel, titanium / aluminum, titanium / copper, steel / copper, tungsten / copper is proposed.
Spezifische Vorteile dieser Verwendung erwachsen mit dem jeweiligen Einsatzgebiet der benannten Materialpaarungen und umfassen typischerweise eine reduzierte Masse, geringere Fertigungszeit und hohe Zuverlässigkeit. Specific advantages of this use accrue with the particular application of the named material pairings and typically include reduced mass, reduced manufacturing time, and high reliability.
Die beschriebenen Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden. The described embodiments can be combined with each other as desired.
Die Verbindung von artungleichen Materialien wird derzeitig in der industriellen Anwendung durch nicht-schmelzende Fügeverfahren geleistet. Im Wesentlichen sind in der industriellen Praxis hierbei die Fügeverfahren Kleben, mechanisches Fügen (Clinchen, Nieten, Schrauben; auch in Kombination mit Kleben), sowie Löten gebräuchlich [1]. Bei Lötprozessen besteht die Herausforderung insbesondere darin, die Energiezufuhr soweit zu kontrollieren, dass ein Aufwachsen von intermetallischen Phasen weitestgehend vermieden wird. Insbesondere für die Kombination der Fügepartner Aluminium und Stahl wurden hierzu Verfahrensansätze vorgeschlagen, die auf einem einseitigen Aufschmelzen des Aluminiums und der Zuhilfenahme von Zusatzwerkstoffen zur Benetzung der Stahlseite basieren. Dabei wird vorgeschlagen, Hybridprozesse wie, z.B. die gemeinsame Verwendung von Laserstrahl und MIG-Brenner [2] oder eine Kombination aus kontinuierlichem und gepulstem Laserstrahl [3] zu nutzen. Hierbei steht „MIG“ für „Metallschweißen mit inerten Gasen“. The connection of dissimilar materials is currently done in industrial application by non-melting joining methods. Essentially, in industrial practice, the joining methods gluing, mechanical joining (clinching, riveting, screwing, also in combination with gluing), as well as soldering are common [1]. In soldering processes, the challenge is, in particular, to control the energy input to the extent that the growth of intermetallic phases is largely avoided. In particular for the combination of the joining partners aluminum and steel method approaches have been proposed for this, which are based on a one-sided melting of the aluminum and the use of additional materials for wetting the steel side. It is proposed to use hybrid processes such as, e.g. to use the common use of laser beam and MIG torch [2] or a combination of continuous and pulsed laser beam [3]. Here "MIG" stands for "metal welding with inert gases".
Im Gegensatz zu vorbekannten Verfahren bietet das vorgeschlagene Verfahren eine für bestimmte Anwendungen unmittelbar hinreichende oder unmittelbar völlig ausreichende Festigkeit ohne dabei auf umfängliche Vorbereitungsschritte angewiesen zu sein. Vorteilhaft ist das hier vorgeschlagene Verfahren somit zeit- und kostensparend. Mit den benannten Vorteilen schafft es den Zugang zur industriellen Praxis ohne prozesstechnische Einschränkungen. Im Gegensatz zu Klebeverbindungen, die erst nach einer längeren Wartezeit aushärten und typischerweise auch erst mit dem vollständigen Aushärten belastbar sind, ist hierbei unmittelbar mit dem Herstellen der Schweißverbindung eine weitere Verarbeitung oder auch die Endanwendung möglich. Zusätzliche mechanische Fügeverfahren sind nicht erforderlich. Während Klebeverbindungen aufwändig in der Anwendung sind und durch Alterungseffekte geschwächt werden können, liefert das vorgeschlagene Verfahren in typischerweise nur einem Schritt einen Materialverbund dauerhafter Stabilität. In contrast to previously known methods, the proposed method provides for certain applications immediately sufficient or immediately completely sufficient strength without having to rely on extensive preparation steps. Advantageously, the method proposed here is thus time and cost saving. With the stated advantages, it provides access to industrial practice without any procedural restrictions. In contrast to adhesive bonds, which harden only after a long waiting time and are typically only able to be loaded with complete curing, further processing or also the end application is possible here directly with the production of the welded connection. Additional mechanical joining methods are not required. While adhesive bonds are cumbersome to use and may be weakened by aging effects, the proposed process typically provides a composite of durable stability in only one step.
Während mechanische Verbindungen teure Fügeelemente, wie Schrauben oder Nieten und angepasste Vorbearbeitungen (z.B. Bohren) oder hohe Applikationskräfte (z.B. beim Nieten) erfordern, die wiederum Stütz- und Haltevorrichtungen notwendig machen – kommt das vorgeschlagene Verfahren ohne diesen zusätzlichen Aufwand aus. Zudem können sogar hochfeste oder spröde Materialien (z. B. pressgehärtete Bor-Mangan-Stähle) ohne weiteres gefügt werden, wenn die Ausformung durch einen Laserprozess erzeugt wird. Die erhaltenen Verbünde sind insgesamt leichter, da keine Fügeelemente erforderlich sind, die sonst das Gewicht der Konstruktion erhöhen. Im Gegensatz zu den bisher lediglich im Labormaßstab angewandten Verfahren des Lötens mit partiellem Aufschmelzens oder des Einschweißens eines Bimetallstreifens, die beide keinen Eingang in die industrielle Anwendung gefunden haben, ist im Falle des vorgeschlagenen Verfahrens die unmittelbare Anwendung in der industriellen Praxis bzw. in der Großproduktion möglich. While mechanical connections require expensive joining elements, such as screws or rivets, and adapted pre-machining (e.g., drilling) or high application forces (e.g., riveting), which in turn require support and retention devices, the proposed method does not require this extra effort. In addition, even high strength or brittle materials (eg, press-hardened boron-manganese steels) can be easily joined if the molding is produced by a laser process. The resulting composites are lighter overall, since no joining elements are required, which would otherwise increase the weight of the construction. In contrast to the previously used only on a laboratory scale method of soldering with partial melting or welding a bimetallic strip, both of which have not found an industrial application in the case of the proposed method is the immediate application in industrial practice or in large-scale production possible.
Die Erfindung umfasst ein neuartiges Fügeverfahren, das in der Lage ist, artungleiche Verbindungen, insbesondere zwischen einem hochschmelzenden und einen niederschmelzenden Material in Überlappanordnung miteinander zu fügen, indem der niederschmelzende Fügepartner über eine Ausnehmung im hochschmelzenden Fügepartner mit jenem verschränkt wird. Dabei wird die Ausbildung von intermetallischer Phasen in der Fügezone weitestgehend vermieden, da lediglich der niederschmelzende Fügepartner die Schmelze bildet, mit der die Ausnehmung gefüllt wird. Hierbei ist es zweitrangig, ob die Ausnehmung im höherschmelzenden (oben angeordneten) Fügepartner bereits vor dem in-Kontakt-bringen der beiden Fügepartner vorhanden war oder unmittelbar mittels Laserbohren erzeugt wird. Die Anwesenheit von intermetallischen Phasen in einer Fügezone birgt, z.B. auf Grund abweichenden thermomechanischen Verhaltens und der Ausbildung von Rissspitzen, Risiken hinsichtlich der Zuverlässigkeit der die intermetallische Phase umfassenden Fügezone. The invention comprises a novel joining method which is able to overlap non-identical compounds, in particular between a high-melting and a low-melting material, by virtue of the low-melting joining partner being entangled with the latter via a recess in the high-melting joining partner. The formation of intermetallic phases in the joining zone is largely avoided, since only the low-melting joining partner forms the melt, with which the recess is filled. In this case, it is secondary whether the recess was already present in the higher melting (arranged above) joining partner before contacting the two joining partners or is produced directly by means of laser drilling. The presence of intermetallic phases in a joining zone, for example because of deviating thermo-mechanical behavior and the formation of cracking peaks, involves risks with regard to the reliability of the joining zone comprising the intermetallic phase.
Bekanntermaßen wird beim Laserbohren Material geschmolzen und durch Verdampfen aus der entstehenden Bohrung getrieben. Die hierbei ausgebildete Ausnehmung kann – in Abhängigkeit von einem steten Verweilen des Laserstrahls oder einer Bahn, entlang welcher dieser geführt wird – eine beliebige Kontur aufweisen. Die Ausnehmung kann z.B. eine kreisrunde Bohrung oder ein länglicher Schlitz sein oder eine polygonale Form aufweisen. Das Einbringen derartiger durchgehenden Ausnehmungen wird nachfolgend vereinfachend als Bohren bezeichnet. Das höherschmelzende Material leistet im Wesentlichen keinen Beitrag zu einer erst nach dem Bohren unterhalb der Bohrung/Ausnehmung im niederschmelzenden Material ausgebildeten Schmelze. Die mit dem Erstarren der in die Bohrung gepressten Schmelze erzielte Fügung basiert auf einer Kombination von Formschluss und Stoffschluss. As is known, in laser drilling, material is melted and forced out of the resulting bore by evaporation. The recess formed in this case can have an arbitrary contour, depending on whether the laser beam or a path along which it is guided, is continuously maintained. The recess may e.g. a circular bore or an elongated slot or have a polygonal shape. The introduction of such continuous recesses is hereinafter referred to simplifying as drilling. The higher-melting material makes essentially no contribution to a melt formed after drilling below the bore / recess in the low-melting material. The joint achieved with the solidification of the melt pressed into the bore is based on a combination of form-fit and material bond.
Das neuartige Fügeverfahren ist geeignet für Überlappverbindungen zweier Fügepartner, z.B. aus unterschiedlichen Metallen, bei der der unten liegende Fügepartner den niedrigeren Schmelzpunkt aufweist (z. B. Aluminium bei einer Stahl-Aluminium-Anordnung). Das Verfahren basiert also auf der Einbringung einer Ausnehmung, insbesondere einer Durchgangsöffnung, beispielsweise einer Bohrung in den oben liegenden Fügepartner (entweder auf dem Wege eines Vorbearbeitungsschrittes oder mittels Laserstrahl, unmittelbar vor dem Aufschmelzen) und einer anschließenden Erwärmung des unten liegenden Fügepartners mittels Laser durch diese Ausnehmung (z.B. Bohrung) hindurch. Dabei wird der untere Fügepartner aufgeschmolzen. Durch eine geeignete Wahl der Prozessparameter Laserintensität und Einstrahldauer kann das Volumen und die Ausdehnung des Schmelzbades gesteuert werden und eine Überhitzung vermieden werden, so dass der obere Fügepartner selbst nicht oder nur partiell geschmolzen wird. Die Ausbildung intermetallischer Phasen wird hierdurch weitestgehend vermieden. The novel joining method is suitable for lap joints of two joining partners, e.g. of different metals, in which the joint partner below has the lower melting point (eg aluminum in a steel-aluminum arrangement). The method is thus based on the introduction of a recess, in particular a through-hole, for example a hole in the upper joint partner (either by way of Vorbearbeitungsschrittes or laser beam, immediately before melting) and a subsequent heating of the underlying joining partner by means of laser through them Recess (eg bore) through. In this case, the lower joining partner is melted. By a suitable choice of the process parameters laser intensity and Einstrahldauer the volume and expansion of the molten bath can be controlled and overheating be avoided, so that the upper joining partner itself is not or only partially melted. The formation of intermetallic phases is thereby largely avoided.
Anschließend wird das Schmelzbad durch eine unterhalb der Fügeverbindung angeordneten Elektromagneten mit einem wechselnden (oszillierenden) Magnetfeld beaufschlagt, das zur Induktion von Wirbelströmen im Material führt. Die erzeugten Wirbelströme bewirken innerhalb des wechselnden Magnetfeldes die Entstehung von Lorentzkräften. Die Fügung entsteht nun dadurch, dass diese Kräfte die Schmelze gegen die Schwerkraft nach oben in die Durchgangsöffnung drücken und so die zuvor eingebrachte Ausnehmung (z.B. eine Bohrung) mit der Schmelze zumindest teilweise gefüllt wird. Das Maß der Volumenverdrängung kann dabei durch die Frequenz des Magnetfeldes und dessen Stärke beeinflusst werden. Eine für das Verfahren bevorzugte magnetische Flussdichte liegt im Bereich von 1 mT bis 1 T, insbesondere zwischen 10 mT und 750 mT, bevorzugt zwischen 10 mT und 500 mT, beispielsweise zwischen 50 mT und 500 mT. Subsequently, the molten bath is subjected to an alternating (oscillating) magnetic field by means of an electromagnet arranged below the joining connection, which leads to the induction of eddy currents in the material. The generated eddy currents cause the formation of Lorentz forces within the changing magnetic field. The joint now results from these forces pushing the melt upwards against the force of gravity into the passage opening, thus at least partially filling the previously introduced recess (for example a bore) with the melt. The degree of volume displacement can be influenced by the frequency of the magnetic field and its strength. A preferred magnetic flux density for the process is in the range of 1 mT to 1 T, in particular between 10 mT and 750 mT, preferably between 10 mT and 500 mT, for example between 50 mT and 500 mT.
Eine bevorzugte Frequenz beträgt zwischen 60 Hz und 1 MHz, insbesondere 100 Hz bis 10 kHz, bevorzugt zwischen 500 Hz und 5 kHz. Die jeweils bevorzugte Frequenz ist von den jeweiligen Gegebenheiten, insbesondere von der Materialstärke der Fügepartner abhängig. So liegt die bevorzugte Frequenz für Materialstärken der Fügepartner < 5 mm unterhalb von 10 kHz und beträgt typischerweise weniger als 5 kHz. Für Materialstärken der Fügepartner (Bleche) oberhalb von 5 mm beträgt die Frequenz des zur Schmelzbadverdrängung eingesetzten Magnetfeldes typischerweise weniger als 1 kHz. A preferred frequency is between 60 Hz and 1 MHz, in particular 100 Hz to 10 kHz, preferably between 500 Hz and 5 kHz. The respectively preferred frequency depends on the particular circumstances, in particular on the material thickness of the joining partners. Thus, the preferred frequency for material thicknesses of the joining partners is <5 mm below 10 kHz and is typically less than 5 kHz. For material thicknesses of the joining partners (sheets) above 5 mm, the frequency of the magnetic field used for the molten bath displacement is typically less than 1 kHz.
Zusätzlich kann die Laserleistung während der Schmelzbadverdrängung angepasst werden, um eine Überhitzung oder Verdampfung des Schmelzbades zu verhindern. Geeignete Laser sind kommerziell verfügbar, und beispielsweise ausgewählt unter einem CO2-Laser, einem Festkörperlaser (der Bauformen Scheibe, Faser, Stab) sowie einem Diodenlaser. Typische industriell verfügbare Laser erreichen Leistungen von 500 W bis 100 kW, können kontinuierlich (im CW-Modus) oder gepulst, beispielsweise bis 20 kHz betrieben werden. Für die elektromagnetische Verdrängung der Schmelze ist es vorteilhaft, wenn die Schmelze bis auf den Grund des unteren Fügepartners reicht, bei dickeren Materialstärken (Metallen) kann hierzu vorteilhaft ein Tiefschweißeffekt genutzt werden, was für eine Energiedichte ca. ab 105 W/cm2 der Fall ist. Die im konkreten Anwendungsfall benötigte Leistung hängt jedoch von vielen Parametern ab (Material, Materialstärke, Wärmeleitfähigkeit, Durchmesser der Ausformung und damit Schmelzbadvolumen etc.). Vorteilhaft wird deshalb die Leistung und/oder eine Pulsfrequenz des Lasers und/oder eine Expositionsdauer der Oberfläche des zweiten Fügepartners gegenüber der Laserenergie so gesteuert, dass ein Schmelzbad der entsprechenden Ausdehnung erzeugt wird. Eine mittlere Leistung des eingesetzten Lasers beträgt zumindest 100 W, beispielsweise 200 W, bevorzugt 1 kW. Diese und höhere Leistungen im kW-Bereich erlauben in Kombination mit einem gepulsten Betrieb vorteilhaft kurze Prozesszeiten, sodass innerhalb von 1 Sekunde mehrere, bevorzugt 2, weiter bevorzugt mindestens 5 Fügeverbindungen unter Verwendung nur eines Lasers ausgebildet werden. In addition, the laser power can be adjusted during the molten bath displacement to prevent overheating or evaporation of the molten bath. Suitable lasers are commercially available, and for example selected from a CO 2 laser, a solid-state laser (disk, fiber, rod designs) and a diode laser. Typical industrially available lasers reach powers of 500 W to 100 kW, can be operated continuously (in CW mode) or pulsed, for example up to 20 kHz. For the electromagnetic displacement of the melt, it is advantageous if the melt to the bottom of the lower joining partner sufficient for thicker material thickness (metals) may thereto advantageously be used a deep welding effect, what for an energy density approximately from 10 5 W / cm 2 Case is. However, the power required in the specific application depends on many parameters (material, material thickness, thermal conductivity, diameter of the molding and thus melt pool volume, etc.). The advantage is therefore the Power and / or a pulse rate of the laser and / or an exposure time of the surface of the second joining partner to the laser energy controlled so that a molten pool of the corresponding extent is generated. An average power of the laser used is at least 100 W, for example 200 W, preferably 1 kW. These and higher powers in the kW range, in combination with pulsed operation, advantageously permit short process times, so that within one second several, preferably two, more preferably at least five joints are formed using only one laser.
Wird die Zufuhr von Energie durch den Laserstrahl beendet, erstarrt die Schmelze, wobei durch eine geeignete zeitliche Reduktion der Laserleistung Einfluss auf das Erstarrungsverhalten genommen werden kann. Das Magnetfeld wirkt weiterhin auf die Schmelze, um auch bei der Einsetzten der temperaturbedingten Volumenschrumpfung die in die Fügezone gedrückte Schmelze in der Fügezone zu halten und Rissbildungen zu vermeiden. Durch die erstarrte Schmelze wird eine Fügung sowohl durch mechanischen Formschluss als auch durch eine metallurgische Haftung an der Grenzfläche der artungleichen Materialien der einander überlappenden Fügepartner erzeugt. Der Formschluss kann dabei durch eine konische Ausführung der Bohrung im höherschmelzenden (oberen) Fügepartner gefördert werden. If the supply of energy is terminated by the laser beam, the melt solidifies, whereby a suitable time reduction of the laser power can influence the solidification behavior. The magnetic field continues to act on the melt in order to keep the melt pressed into the joining zone in the joining zone even when the temperature-induced volume shrinkage is used, and to prevent the formation of cracks. Due to the solidified melt, a joint is produced both by mechanical positive engagement and by a metallurgical adhesion at the interface of the artificially similar materials of the overlapping joining partners. The positive connection can be promoted by a conical design of the hole in the higher melting (upper) joint partner.
Eine konische Form der Ausnehmung, beispielsweise eine konische Bohrung, d.h. eine Verengung der Bohrung im oberen Fügepartner zum unteren Fügepartner hin, kann entweder mittels bekannter spanabhebender Verfahren oder mittels geeigneten Laserbohrtechniken (z.B. Perkussionsbohren, Wendelbohren) erzielt werden und ist für beide hier beschriebenen Verfahrensvarianten a) und b) vorteilhaft. Ebenso ist das Einbringen der Ausnehmung durch Stanzen möglich. Eine Hinterschneidung führt zur zuverlässigen Verankerung der erstarrten Schmelze in der Ausnehmung. A conical shape of the recess, for example a conical bore, i. A narrowing of the bore in the upper joining partner to the lower joining partner can be achieved either by known cutting methods or by suitable laser drilling techniques (for example percussion drilling, helical drilling) and is advantageous for both method variants a) and b) described here. Likewise, the introduction of the recess by punching is possible. An undercut leads to the reliable anchoring of the solidified melt in the recess.
Wie bereits eingangs geschildert, kommen zum gerichteten Bewegen des Schmelzbades unterschiedliche Kräfte in Betracht. Die vorstehend beschriebene elektromagnetische Schmelzbadverdrängung stellt eine prominente Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens dar. Ebenso kann bei geeigneter Anordnung der Fügepartner eine Verdrängung des Schmelzbades des zweiten Fügepartners in die Ausnehmung im ersten Fügepartner beispielsweise unter Einfluss einer Zentrifugalkraft erfolgen. As already mentioned, different forces come into consideration for directionally moving the molten bath. The above-described electromagnetic fusion bath displacement represents a prominent embodiment of the proposed method. Likewise, with a suitable arrangement of the joining partner a displacement of the molten bath of the second joining partner in the recess in the first joining partner, for example, under the influence of a centrifugal force.
Für eine Abschätzung, ob die in einer Bohrung erzeugte Schmelze allein unter Wirkung ihres eigenen Gewichts gegen die Oberflächenspannung und die Kapillarkraft die Bohrung verlassen kann, ist neben der Materialdichte und dem Schmelzbaddurchmesser auch die Materialstärke und damit der hydrostatische Druck in der Schmelze zu berücksichtigen. Für den hypothetischen Fall der Nutzung der Gravitationskraft zur Bewegung der Schmelze eines Fügepartners in eine (dann) darunter angeordnete Ausnehmung des anderen Fügepartners kann der gerade noch gegen die Gravitationskraft zu haltende Schmelzbaddurchmesser für Aluminium als niederschmelzender („zweiter“) Fügepartner grob wie folgt abgeschätzt werden:
Für die benannten Materialstärken der Fügepartner im Überlappungsbereich würde ein jeweils größerer Schmelzbaddurchmesser zum „Absacken“ der Schmelze in Gravitationsrichtung in eine unter dem schmelzenden Fügepartner angeordnete Ausnehmung im anderen Fügepartner führen. Diese Schmelzbaddurchmesser erfordern jedoch eine unvorteilhaft hohe Laserleistung. Das allein gravitationsbedingte Bewegen und dann rechtzeitig durch Erstarren gestoppte Ausfließen einer lokal erzeugten Schmelze in eine Ausnehmung des darunter angeordneten Fügepartners erscheint für die hier ins Auge gefassten Materialkombinationen und angesetzten Parameter deshalb nicht praktikabel. Ähnlich verhält es sich für den Fall des Fügens von Kunststoffen durch einseitiges Erzeugen einer Schmelzzone: Kunststoffe besitzen zwar eine deutlich geringere Oberflächenspannung, dafür aber wird deren Ausfließen auf Grund der deutlich höheren Viskosität behindert. Unter Verwendung des hier beschriebenen Prinzips der einseitig gerichteten Schmelzbadverdrängung kann eine unmittelbar auf die Schmelze einwirkende Kraft zur Herstellung einer Fügeverbindung genutzt werden. For the named material thicknesses of the joining partners in the overlapping area, a respective larger melt bath diameter for "sagging" of the melt in the direction of gravity would lead to a recess in the other joining partner arranged below the melting joining partner. However, these melt bath diameters require unfavorably high laser power. The only gravitational movement and then timely stopped by solidification outflow of a locally produced melt in a recess of the joining partner arranged underneath therefore not practical for the material combinations envisaged here and set parameters. The situation is similar in the case of the joining of plastics by one-sided generation of a melting zone: Although plastics have a significantly lower surface tension, but their flow is hindered due to the significantly higher viscosity. Using the principle of unidirectional molten bath displacement described herein, a force directly acting on the melt can be used to make a joint.
Erfindungsgemäß ist für den Anwendungsfall der Lorentzkraft als der auf die Schmelze einwirkenden Kraft eine Anordnung des niederschmelzenden Fügepartners unterhalb des höherschmelzenden Fügepartners, insbesondere unterhalb einer Ausnehmung im selbigen und im engen mechanischen Kontakt mit jenem vorgesehen. According to the invention, for the application of the Lorentz force as the force acting on the melt, an arrangement of the low-melting joining partner below the higher-melting joining partner, in particular below a recess in the same and in close mechanical contact with that provided.
Neben der Verwendung von Laser-Energie zum Aufschmelzen des niederschmelzenden Fügepartners kann dessen Schmelzbad alternativ auch durch einen Elektronenstrahl oder unter dessen Beteiligung erzeugt werden. Eine synchrone Verdrängung des Schmelzbades kann dann jedoch nur durch eine nicht-magnetische Kraft erfolgen, da sich eine unmittelbare Kombination von Magnetfeld und Elektronenstrahlbearbeitung aufgrund der gegenseitigen Beeinflussung ausschließt. Das schließt natürlich die Verwendung eines Elektronenstrahls zur Erzeugung der Ausnehmung ausdrücklich nicht aus, wie auch ein Elektronenstrahl gemeinsam (synchron), alternierend oder aufeinanderfolgend mit einem Laserstrahl eingesetzt werden kann, um zunächst eine Ausnehmung zu erzeugen und danach, durch die Ausnehmung hindurch, eine Schmelze zu erzeugen. In addition to the use of laser energy to melt the low-melting joining partner, its molten bath can alternatively also be generated by an electron beam or under its participation. However, a synchronous displacement of the molten bath can only be done by a non-magnetic force, since an immediate combination of magnetic field and electron beam processing precludes each other due to mutual interference. This of course does not preclude the use of an electron beam to produce the recess, as well as an electron beam can be used together (synchronously), alternately or sequentially with a laser beam to first create a recess and then, through the recess, a melt to create.
Die beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung. Die Elemente der Zeichnungen sind relativ zueinander und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechend ähnliche Teile. The accompanying drawings illustrate embodiments and, together with the description, serve to explain the principles of the invention. The elements of the drawings are relative to one another and not necessarily to scale. Like reference numerals designate corresponding parts accordingly.
Insbesondere zeigt
Der erste Fügepartner
Bevorzugt sind die beiden Fügepartner lösbar zueinander fixiert, beispielsweise durch eine Klemmvorrichtung (nicht gezeigt). Im ersten Verfahrensschritt / Teilbild A wird ein erster Oberflächenbereich
In einem das Fügen vorbereitenden Verfahrensschritt O werden der erste Fügepartner
Bei der Verbindung von flächigen Fügepartnern (z. B. Blechen, überlappenden Flanschen) kann durch Einbringung einer Vielzahl von Einzelfügeverbindungen und deren geeignete Anordnung eine hohe Gesamtbelastbarkeit des Verbundes erreicht werden. Auch bei einer nur teilweisen Füllung kann je nach Anforderungen eine ausreichend feste Verbindung erzeugt werden. Ein exaktes „Auffüllen“ der Ausformung ist prozesstechnisch aufwendiger. Vor diesem Hintergrund wird einer lediglich partiellen Auffüllung der Vorzug gegeben. Es wird ausdrücklich betont, dass das hier vorgeschlagene Fügeverfahren keine Stumpfstoßverbindung, also keine Schweißnaht erzeugt, sondern zur Ausbildung einer Fügezone bei Überlappanordnung von zumindest zwei artungleichen Materialien führt, umfassend eine stoff- und/oder formschlüssige Verbindung der beiden Fügepartner in der Fügezone. Hierbei ist es unerheblich, ob einer der beiden oder beide Fügepartner im Bereich der oder benachbart zur Fügezone zusätzlich gekröpft oder abgekantet sind. When joining flat joining partners (eg metal sheets, overlapping flanges), a high total loading capacity of the composite can be achieved by introducing a large number of individual joining joints and their suitable arrangement. Even with only partial filling can be produced depending on the requirements of a sufficiently strong connection. An exact "filling" of the shape is technically more complex. Against this background, preference is given to only partial replenishment. It is expressly emphasized that the joining method proposed here does not produce a butt joint, that is to say no weld, but leads to the formation of a joining zone in the case of overlapping arrangement of at least two materials of identical construction, comprising a material and / or positive connection of the two joining partners in the joining zone. It is irrelevant whether one of the two joining partners or in the region of or adjacent to the joining zone are additionally cranked or folded.
Alternativ kann die Verdrängung des aufgeschmolzenen Materials mittels eines Gas(strom)es mit Überdruck bzw. mittels Verdrängung durch Unterdruck erfolgen. Zum Verdrängen einer Kunststoffschmelze kann ein gerichteter Strahl eines Fluids mit hohem Siedepunkt verwendet werden. Alternatively, the displacement of the molten material by means of a gas (stream) it can be done with positive pressure or by displacement by negative pressure. For displacing a plastic melt, a directional jet of high boiling fluid may be used.
Gemäß typischen Ausführungsformen liegen für die hier beschriebenen sonstigen Parameter bevorzugte Materialstärken des aufschmelzenden („zweiten“) Fügepartners im Bereich von 0,5–20 mm, während die Materialstärke des nicht-schmelzenden (ersten) Fügepartners im Bereich von 0,5–10 mm liegt. According to typical embodiments, for the other parameters described here, preferred material thicknesses of the melting ("second") joining partner are in the range of 0.5-20 mm, while the material thickness of the non-melting (first) joining partner is in the range of 0.5-10 mm lies.
Kennzeichnend für das vorgeschlagene Verfahren ist mithin die Nutzung einer externen Kraft, beispielsweise eines magnetischen Feldes und die Ausnutzung schmelzbaddynamischer Effekte zur gezielten Verdrängung eines durch Laserstrahlung erzeugten Schmelzbades und das Herstellen einer Fügeverbindung durch Ausbilden einer form- und/oder stoffschlüssigen Verbindung, nach dem Erstarren einer Schmelze vornehmlich eines niederschmelzenden Fügepartners in einer Ausnehmung eines höherschmelzenden Fügepartners. Characteristic of the proposed method is therefore the use of an external force, such as a magnetic field and the utilization of molten bath dynamic effects for targeted displacement of a molten bath generated by laser radiation and producing a joint by forming a positive and / or cohesive connection, after the solidification of a Melt primarily a low-melting joining partner in a recess of a higher melting joint partner.
Vorteilhaft ist das Verfahren berührungsfrei und wirkt ohne große Kräfte auf die Fügepartner. Die Wirkung der genutzten Kräfte ist lokal begrenzt und ist effektiv nahezu unmittelbar auf die Schmelze beschränkt. Vorteilhaft gegenüber mechanischem Fügen werden keine Zusatzmaterialien oder Fügekomponenten benötigt. Gegenüber dem Kleben führt das vorgeschlagene Verfahren zu sofort haltbaren bzw. belastbaren Verbindungen und benötigt im Falle der gleichzeitigen Laserbohrung keinen Vorbearbeitungsschritt. Durch das Laserbohren können auch hoch- und höchstfeste Stähle durchdrungen werden, so dass auch diese Materialien gefügt werden können. Das stellt einen weiteren Vorteil gegenüber dem mechanischem Fügen dar. Ebenso wird beim Durchbohren des oberen Fügepartners eine etwaige Beschichtung (z. B. Verzinkung) des Materials mitabgetragen und damit eine Vermischung des Beschichtungsmaterials mit der Schmelze bzw. in der resultierenden Fügezone verhindert. Durch das nur einseitige Aufschmelzen des niederschmelzenden Fügepartners wird die Ausbildung intermetallischer Phasen vermieden. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber allen anderen Schmelzschweißverfahren dar. Des Weiteren ist ein Vermögen zur Spaltüberbrückung zu beobachten, was Lagetoleranzen der Fügepartner erlaubt. Zudem ist das Verfahren mit gleichzeitiger Einstellung der Bohrung positionsunabhängig und benötigt nicht, wie z.B. Lötverfahren, eine genaue Führung entlang des Fügestoßes. Durch die Steuerung der Stärke der magnetisch induzierten Wirbelströme bei gleichzeitiger Steuerung der zeitlichen Energieabgabe durch den Laser (zeitliche Pulsformung) ist es außerdem möglich, das Erstarrungsverhalten bzw. die Abkühlgeschwindigkeit des aufgeschmolzenen Fügepartners zu steuern und damit die Fügezoneneigenschaften hinsichtlich verminderter Restspannungen günstig zu beeinflussen. Advantageously, the method is non-contact and acts without great forces on the joining partners. The effect of the forces used is locally limited and is effectively almost directly limited to the melt. Advantageously compared to mechanical joining no additional materials or joining components are needed. Compared with gluing, the proposed method leads to immediately durable or load-bearing connections and, in the case of simultaneous laser drilling, does not require a pre-processing step. Laser drilling can also penetrate high-strength and ultra-high-strength steels so that these materials can also be joined. This represents a further advantage over mechanical joining. Likewise, when drilling through the upper joining partner, any coating (eg galvanizing) of the material is carried along, thus preventing mixing of the coating material with the melt or in the resulting joining zone. The only one-sided melting of the low-melting joining partner avoids the formation of intermetallic phases. This represents a significant advantage over all other fusion welding processes. Furthermore, a gap bridging capability can be observed, which permits positional tolerances of the joining partners. In addition, the method with simultaneous adjustment of the bore is position independent and does not require such as e.g. Soldering, a precise guide along the joint. By controlling the strength of the magnetically induced eddy currents with simultaneous control of the time energy output by the laser (temporal pulse shaping), it is also possible to control the solidification behavior or the cooling rate of the molten joining partner and thus favorably influence the joining zone properties with respect to reduced residual stresses.
Referenzen references
- [1] F. M. D. Wit, J. A. Poulis (2012) Joining technologies for automotive components, in: J. Rowe (Ed.) Advanced Materials in Automotive Engineering, Woodhead Publishing Ltd., ISBN/EAN: 9781845695613; pp. 315–329. [1] F.M. D. Wit, J.A. Poulis (2012) Joining technologies for automotive components, in: J. Rowe (Ed.) Advanced Materials in Automotive Engineering, Woodhead Publishing Ltd., ISBN / EAN: 9781845695613; pp. 315-329.
- [2] C. Thomy, A. Wirth, M. Kreimeyer, F. Wagner, F. Vollertsen (2007) Laser-MIG-Hybridfügen von Aluminium-Stahl Leichtbaustrukturen, Laser Technik Journal, 4: 36–40. [2] C. Thomy, A. Wirth, M. Kreimeyer, F. Wagner, F. Vollertsen (2007) Laser MIG Hybrid Joining of Aluminum-Steel Lightweight Structures, Laser Engineering Journal, 4: 36-40.
- [3] S. Frank (2015) Flux-free laser joining of aluminum and galvanized steel, J Mater Process Tech, 222: 365–372. [3] S. Frank (2015) Flux-free laser joining of aluminum and galvanized steel, J Mater Process Tech, 222: 365-372.
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