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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Oberflächenbereichen an Bauteilen, sowie ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem Bauteil, welches wenigstens einen derart erzeugten Oberflächenbereich aufweist.
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Werden Bauteile, insbesondere aus metallischen Werkstoffen oder auch aus Kunststoff, bereichsweise geschmolzen und wieder erstarren gelassen, beispielsweise bei einem Umschmelz- und/oder Schmelzfügeverfahren, insbesondere beim Tiefschweißen und ganz besonders beim Laser- oder auch beim Elektronenstrahl-Tiefschweißen – können ungleichmäßige Nahtüberhöhungen sowie die Ausbildung einer Nahtschuppung resultieren. Ursache hierfür sind physikalische Mechanismen in Kombination mit der Dynamik des Schmelz- beziehungsweise Schmelzfügeprozesses. Insbesondere tragen Schmelzbadströmungen und -schwingungen, gerade auch Wellenbildungen im Schmelzbad, sowie ein Nachfließen der Schmelze zu den hier genannten Problemen bei. Die Nahtschuppung erschwert eine visuelle oder automatisierte Beurteilung der Qualität der Umschmelzung oder Schweißung und wirkt bei Sichtnähten störend. Daher sind entsprechend bearbeitete Teile auch kaum im Außenhautbereich von Fahrzeugen einsetzbar. Es ist möglich, aufgeschmolzene und wieder erstarrte Oberflächenbereiche, beispielsweise Schweißnähte, nachträglich mittels Glättungsverfahren zu glätten, wobei insbesondere ein nachträgliches Aufschmelzen, beispielsweise mittels eines weiteren Laserstrahls, möglich ist. Insoweit geht beispielsweise aus der europäischen Patentanmeldung
EP 1 175 955 A2 ein Verfahren zur Schweißnahtglättung beim Strahlschweißen hervor, wobei eine im Tiefschweißmodus erzeugte Naht zumindest im Bereich ihrer Schweißnahtwurzel auf einer der Schweißstrahleinkopplung gegenüberliegenden Seite mithilfe eines Schmelzstrahls im Wärmeleitungsmodus geglättet wird. Bekannt sind auch Verfahren zur mechanischen Nachbearbeitung durch Schleifen und Polieren. Solche Nachbearbeitungsverfahren erfordern allgemein allerdings neben dem nötigen apparativen Aufwand auch zusätzliche Herstellungszeit.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen von Oberflächenbereichen an Bauteilen und ein Kraftfahrzeug mit einem Bauteil zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Erzeugen von Oberflächenbereichen an Bauteilen geschaffen wird, wobei wenigstens ein Oberflächenbereich aus zumindest teilweise geschmolzenem und wieder erstarrtem Material besteht, wobei vor dem Schmelzen von Material eine Oberfläche zumindest bereichsweise derart bearbeitet wird, dass die Oberfläche nach der Bearbeitung für das geschmolzene Material eine höhere Benetzbarkeit aufweist als vor der Bearbeitung, wobei Material der Oberfläche geschmolzen und wieder erstarren gelassen wird, oder wobei Material auf der Oberfläche geschmolzen und wieder erstarren gelassen wird, und wobei wenigstens ein Oberflächenbereich aus geschmolzenem und wieder erstarrtem Material an der Oberfläche oder auf der Oberfläche ausgebildet wird. Das Bearbeiten der Oberfläche derart, dass diese nach der Bearbeitung eine erhöhte Benetzbarkeit für das geschmolzene Material aufweist, führt zu einer veränderten Dynamik des Schmelzbadstroms. Durch das verbesserte Benetzungsverhalten fließt das geschmolzene Material an einer Schweißnahtfront insbesondere radial vom Schmelzbad ab, wobei diese Schmelzbadströmung das Aufhäufen von geschmolzenem Material im Prozessbereich reduziert. Hierdurch wird wiederum eine Überhöhung der Naht reduziert, und die Bildung von Nahtschuppen und eine ungleichmäßige Nahtüberhöhung kann zumindest weitestgehend, vorzugsweise vollständig vermieden werden. Das durch Abfließen von geschmolzenem Material flachere und kleinere Schmelzbadvolumen vermindert außerdem die Bildung von Schwingungen und/oder Wellen in dem Schmelzbad, die insbesondere für die Bildung von Nahtschuppen verantwortlich sind. Insgesamt kann im Rahmen des Verfahrens in relativ einfacher Weise ein aus geschmolzenem und wieder erstarrtem Material bestehender Oberflächenbereich gebildet werden, der eine sehr glatte Oberfläche mit geringer oder keiner Schuppung und/oder eine hohe Oberflächenqualität und hochwertige ästhetische Anmutung aufweist. Es ist möglich, dass im Rahmen des Verfahrens nur das Material der Oberfläche geschmolzen und wieder erstarren gelassen wird. In diesem Fall ist es insbesondere möglich, dass nur Material der Oberfläche geschmolzen und wieder erstarren gelassen wird, oder aber dass zusätzlich oder alternativ zu dem Schmelzen und erstarren lassen des Materials der Oberfläche ein weiteres Material auf die Oberfläche aufgebracht und insbesondere auf der Oberfläche geschmolzen oder – ganz oder teilweise – eingeschmolzen und wieder erstarren gelassen wird.
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Es ist beispielsweise möglich, dass Material zweier Fügeparter im Stoßbereich geschmolzen und wieder erstarren gelassen wird. Es können aber auch andere Bereiche des Bauteils vorbearbeitet und dann umgeschmolzen werden, insbesondere wenn es um eine Verbesserung der Oberflächenanmutung geht, beispielsweise zu Glättung rauer Oberflächen, wie sie in Gieß-, Zerspanungs- oder Umformprozessen entstehen. Auch ein Aufschmelzen zum Legieren und/oder Dispergieren ist möglich.
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Weiterhin ist es auch möglich, eine bereits bestehende Naht oder sonstige Oberfläche des Bauteils erfindungsgemäß vorzubearbeiten, beispielsweise durch Bearbeiten der Oberfläche neben der Naht, und dann die Naht oder sonstige Oberfläche vorzugsweise umzuschmelzen. Gegebenenfalls kann ein weiteres Material auf die Oberfläche aufgebracht und insbesondere auf der Oberfläche geschmolzen oder – ganz oder teilweise – eingeschmolzen und wieder erstarren gelassen werden. Dafür können beispielweise Schweißzusatzwerkstoffe oder Beschichtungswerkstoffe wie etwa Hartstoff- oder Gleitschichten eingesetzt werden.
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Alternativ ist es aber auch möglich, dass kein oder nur minimal Material der Oberfläche geschmolzen wird, sondern dass lediglich weiteres, beispielsweise von dem Material der Oberfläche verschiedenes und/oder zusätzlich zu dem Material der Oberfläche auf diese aufgebrachtes Material auf der Oberfläche geschmolzen und wieder erstarren gelassen wird. Das zusätzliche Material kann insbesondere ein Zusatzwerkstoff, beispielsweise ein Lot oder ein thermoplastischer Kunststoff sein.
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Zur Erzielung der obengenannten Glättung und/oder Qualitätsverbesserung wird vorzugsweise mindestens ein Bereich des mindestens einen Bauteils vor Erzeugen einer Schmelze an der Oberfläche vorbearbeitet in Form einer speziellen Strukturierung der Oberfläche. Dies kann vorlaufend zum Schmelzprozess oder separat vorher erfolgen.
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Durch die Bildung einer Schmelze wird zumindest ein Teil dieser so veränderten Oberflächen mit dem Schmelzgut bedeckt oder mit umgeschmolzen. Auf der erstarrten Schmelze bildet sich dann ein Oberflächenbereich des Bauteils mit den beschriebenen Vorteilen.
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Der Oberflächenbereich wird auf der Oberfläche ausgebildet. Es wird also zuerst die Oberfläche zumindest bereichsweise bearbeitet, und danach wird der Oberflächenbereich erzeugt, nämlich durch Schmelzen von Material der Oberfläche und/oder von auf die Oberfläche aufgebrachtem Material. Der Oberflächenbereich wird dann durch das geschmolzene und wieder erstarrte Material gebildet.
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Es ist möglich, dass das Verfahren an einem Bauteil angewendet wird, beispielsweise zum Schmelzen oder Umschmelzen, Legieren, Dispergieren und/oder anderen Bearbeitungsmethoden. Es ist auch möglich, dass das Verfahren an wenigstens zwei Unterbauteilen durchgeführt wird, die mittels Erzeugung der Oberflächenbereiche miteinander zu einem Bauteil gefügt werden, beispielsweise durch Schweißen oder Löten.
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Unter einer Benetzbarkeit wird hier generell die Eigenschaft einer Oberfläche verstanden, von einer Flüssigkeit benetzt zu werden. Dabei kommt es primär nicht auf den Benetzungsmechanismus an, vielmehr sind beispielsweise sowohl physiko-chemische Adhäsionsmechanismen durch Oberflächenwechselwirkungen als auch physikalische Kapillareffekte als Mechanismus für die Benetzung der Oberfläche möglich.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Oberfläche zumindest bereichsweise durch Aufrauen bearbeitet wird. Hierdurch kann die Benetzbarkeit der Oberfläche sowohl durch Veränderung der Oberflächenspannung als auch durch die Bereitstellung von Kapillarkräften für das geschmolzene Material erhöht werden.
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Zusätzlich oder alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass die Oberfläche zumindest bereichsweise durch Erzeugen von Vertiefungen und/oder Erhebungen bearbeitet wird. Auf diese Weise kann die Oberfläche definiert modifiziert werden, wobei insbesondere eine Oberflächentopographie derart verändert werden kann, dass die Benetzbarkeit der Oberfläche – insbesondere durch Veränderung der Oberflächenspannung und/oder durch die Bereitstellung von Kapillarkräften für das geschmolzene Material – erhöht wird.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Oberfläche strukturiert wird. Dabei weist eine strukturierte Oberfläche eine veränderte Oberflächentopographie und typischerweise eine erhöhte Rauigkeit auf, die letztlich zu einer erhöhten Benetzbarkeit durch das geschmolzene Material führt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Oberfläche dadurch bearbeitet wird, dass an der Oberfläche eine Mikrostruktur ausgebildet wird. Dies spricht insbesondere an, dass Strukturelemente der Oberfläche, beispielsweise Vertiefungen und/oder Erhebungen – eine Größe, insbesondere eine Breite oder einen Durchmesser – auf der Mikrometer-Skala, insbesondere von einigen um bis einigen zehn um, aufweisen. Auf diese Weise kann die Rauigkeit der Oberfläche erhöht und/oder deren Topographie derart modifiziert werden, dass ihre Benetzbarkeit für das geschmolzene Material steigt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Oberfläche wenigstens bereichsweise mit einem Laser, insbesondere mit einem gepulsten Laser oder Pulslaser, bevorzugt mit einem Markierlaser, bearbeitet wird. Dies stellt eine ebenso einfache wie kostengünstige Ausgestaltung für die Bearbeitung der Oberfläche dar, wobei diese in einfacher Weise so modifiziert werden kann, dass ihre Rauigkeit und/oder ihre Oberflächentopographie derart verändert wird, dass ihre Benetzbarkeit für das geschmolzene Material erhöht wird.
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Zusätzlich oder alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass die Oberfläche zumindest bereichsweise mit einem mechanischen Verfahren bearbeitet wird. Dabei ist das mechanische Verfahren bevorzugt ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus einem Prägeverfahren, einem Walzen, einem Nadeln, und einem Rändeln. Mithilfe solcher mechanischer Verfahren kann ebenfalls in einfacher und günstiger Weise eine entsprechende Oberflächenmodifikation erreicht werden.
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Zusätzlich oder alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass die Oberfläche zumindest bereichsweise mittels eines Elektronenstrahls oder durch Erodieren bearbeitet wird. Auch auf diese Weise kann die Oberfläche sehr schnell und/oder oxidfrei beziehungsweise sehr exakt in entsprechender Weise bearbeitet werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, die Bereiche, die später per Umschmelzen, Auftragschweißen oder Beschichten geglättet werden sollen, vor dem schmelzenden Prozess in der genannten Art zu strukturieren. Dabei kann die strukturierte Fläche auch größer als der zu bearbeitende Bereich sein.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Oberfläche – insbesondere für Schweiß- oder Lötnähte – in einem Bereich bearbeitet wird, der eine Breite von einigen 0,1 mm bis mehreren Millimetern, vorzugsweise von wenigstens 0,1 mm bis höchstens 10 mm, vorzugsweise von wenigstens 0,2 mm bis höchstens 3 mm, vorzugsweise von wenigstens 0,3 mm bis 2 mm, aufweist. Dabei kann diese Breite insbesondere der Breite der späteren Schweiß- oder Lötnaht entsprechen, wobei es ausreicht, die Oberfläche in dem entsprechenden Breitenbereich, in welchem dann auch die Schweiß- oder Lötnahtnaht erzeugt wird, vor dem Schmelzen von Material vorzubehandeln. Ist die genaue Lage der späteren Naht z. B. durch Bauteil- oder Fügetoleranzen nicht bekannt, kann auch ein größerer Bereich vorbehandelt werden, in dem die Naht liegen kann.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Material durch Schweißen geschmolzen wird. Das Verfahren eignet sich besonders zum Glätten von Schweißnähten beim Fügen von Unterbauteilen zu einem Bauteil durch Schweißen. Dabei wirken sich die bereits beschriebenen Mechanismen vorteilhaft auf das Schweißbad aus. Das Schweißen erfolgt bevorzugt durch einen Elektronenstrahl, als MIG-Schweißen, als MAG-Schweißen, als Plasmaschweißen, oder als Hybridschweißen aus wenigstens zwei der zuvor genannten Schweißarten. Besonders bevorzugt wird das Material durch Laserschweißen geschmolzen, insbesondere durch Laser-Tiefschweißen. Bei Materialien, die auch beim Wärmeleitungschweißen zur Schuppung neigen, kann das Verfahren ebenfalls hilfreich sein. Das Material kann demnach auch durch Wärmeleitungsschweißen geschmolzen werden.
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Dabei wird besonders eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei welcher eine Oberfläche zumindest bereichsweise unterhalb einer künftigen Schweißnaht mit einer Mikrostruktur versehen wird. Infolge der Vorbehandlung wird die Schmelzbadströmung beeinflusst, und die Oberflächenspannung der Schweißnaht wird reduziert, sodass eine glattere Schweißnaht erzielt wird. Hierdurch können derart geschweißte Bleche als Außenhautbauteile für Fahrzeuge verwendet werden, da sie auch im Fügebereich hohe optische Ansprüche erfüllen und gegebenenfalls die Gefahr von Lackfehlern und/oder Korrosion vermindert wird.
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Es ist aber auch eine Ausführungsform des Verfahrens möglich, bei welcher das Material durch Löten geschmolzen wird. Auch hierbei verwirklichen sich in besonderer Weise die Vorteile des Verfahrens.
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Wird das Material durch Schweißen geschmolzen, kann dies mit oder ohne einen Zusatzwerkstoff-Auftrag erfolgen. Das heißt es ist möglich, nur das Material der Oberfläche selbst aufzuschmelzen, oder aber einen Zusatzwerkstoff beim Schweißen einzubringen.
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Das Material kann gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens nach dem Strukturieren auch durch lokales oder flächiges Auf- oder Umschmelzen, Legieren und/oder Dispergieren aufgeschmolzen werden.
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Bei jeder dieser Ausgestaltungen des Verfahrens verwirklichen sich die bereits genannten Vorteile.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die bearbeitete Oberfläche wenigstens ein Material aufweist, das ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Stahl, Edelstahl, Gußeisen oder Stahlguß, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, Kupfer oder einer Kupferlegierung, Titan oder einer Titanlegierung, Bronze, Messing, und einem Kunststoff, insbesondere einem thermoplastischen Kunststoff. Kombinationen der genannten Materialien sind möglich. Insbesondere sind Legierungen der hier genannten Metalle untereinander und/oder mit wenigstens einem weiteren Metall möglich.
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Insbesondere zeigt sich gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung Folgendes: Aktuell werden zur Vermeidung oder Verringerung von Schuppungen auf einer geschmolzenen Oberfläche v. a. Prozessgase und/oder Zusatzwerkstoffe eingesetzt, die beispielsweise eine Änderung der Viskosität in der Schmelze bewirken. Dies erzeugt zusätzlich Kosten und Aufwand zur Zuführung dieser Hilfsstoffe. Durch das obengenannte Verfahren kann das ganz oder teilweise reduziert werden.
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Wird die Breite der Modifikation vor dem Bearbeiten kleiner oder gleich der geschmolzenen Zone gewählt, ist die Oberflächenmodifikation bei Bedarf nicht mehr ersichtlich. Die wirkenden Mechanismen Oberflächenspannung und Kapillareffekt führen zu einer Änderung der Nahtausbildung sowie Vermeidung von Unebenheiten und Nahtschuppung. Die Mechanismen wirken jedoch nur im Randbereich des Schmelzfügeprozesses, weshalb die Stabilität des Prozesses nicht beeinflusst wird.
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Im Karosseriebau wird es dadurch möglich, Aluminium und unter Umständen auch Stahlbauteile in Außenhautqualität zu verschweißen und damit möglicherweise höhere Festigkeiten und/oder andere Bauteilgeometrien zu realisieren, wobei insbesondere gegebenenfalls auf Düsen für Gase und/oder Zusatzwerkstoffe verzichtet werden kann, was die Zugänglichkeit verbessert und die Richtungsabhängigkeit durch die Düse vermeidet.
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Bei einem Lötprozess besteht gegebenenfalls die Möglichkeit, aufwändige Nacharbeiten mittels Bürsten und/oder Schleifen zu vermeiden.
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In Zusammenhang mit dem Verfahren ergeben sich weitere Vorteile: Durch das vorgelagerte Oberflächenmodifizieren insbesondere durch Strahlquelleneinwirkung an der Oberfläche kann gegebenenfalls der zu fügende Prozessbereich gleichzeitig von Verschmutzungen befreit werden. Des Weiteren muss keine Änderung von Prozessparametern, Legierungszusammensetzungen oder Prozessgasen vorgenommen werden. Die Einkopplung der Energie von Strahlquellen wird nicht negativ von der Oberflächenmodifikation beeinflusst, teilweise sogar etwas begünstigt, insbesondere bei kritischen Werkstoffen wie beispielsweise Kupfer. Ferner bildet sich eine identische Nahtgeometrie, insbesondere eine identische Tiefe und Form der Naht, entlang von deren Erstreckung aus. Durch eine Fügenaht ohne Nahtschuppung kann gegebenenfalls eine Verbesserung der Dauerschwingfestigkeit sowie eine Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit erreicht werden.
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Die Oberflächen können visuell oder sensorisch einfacher und prozesssicher geprüft werden, weil störende Reflektionen und Schattenbildungen an der Schuppung reduziert werden. Nahtfehler werden besser erkannt.
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Nacharbeiten zur Erzeugung von Sichtnähten oder notwendige Glättungen aus anderen Gründen können gegebenenfalls entfallen oder signifikant reduziert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Außenhautbauteil für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, geschaffen wird. Dabei verwirklichen sich in besonderer Weise die Vorteile des Verfahrens, weil die Oberflächenbereiche eine erhöhte ästhetische Qualität und Glätte aufweisen, sodass sie hohe optische Ansprüche erfüllen können. Im Rahmen des Verfahrens erzeugte Bauteile mit solchen Oberflächenbereichen sind daher vorzugsweise ohne weitere Nachbearbeitung der Oberflächenbereiche als Außenhautbauteile einsetzbar.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Kraftfahrzeug geschaffen wird, welches wenigstens ein Bauteil aufweist, das seinerseits wenigstens einen Oberflächenbereich aufweist, der durch eine der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens erzeugt ist. Dabei verwirklichen sich in Zusammenhang mit dem Kraftfahrzeug die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
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Das wenigstens eine Bauteil des Kraftfahrzeugs ist bevorzugt ein Außenhautbauteil.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung der Erzeugung eines Oberflächenbereichs gemäß dem Stand der Technik;
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2 eine schematische, erste Darstellung der Funktionsweise einer Ausführungsform des Verfahrens;
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3 eine schematische zweite Darstellung der Funktionsweise der Ausführungsform des Verfahrens gemäß 2, und
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4 eine dritte schematische Darstellung der Funktionsweise der Ausführungsform des Verfahrens gemäß den 2 und 3.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Erzeugung von Oberflächenbereichen an einem Bauteil 1 gemäß dem Stand der Technik. Es wird seitlich auf das Bauteil geblickt, und man erkennt die bei Tiefschweißnähten übliche Nahtüberhöhung einer Schweißnaht 9 nach dem Schweißen. Dabei wird hier beispielhaft ein Laserschweißverfahren, insbesondere ein Laser-Tiefschweißen, dargestellt, wobei ein Laserstrahl 3 in 1 von links nach rechts entlang einer Oberfläche 5 des Bauteils 1 verlagert wird, wobei der Laserstrahl 3 Material an der Oberfläche 5 bereichsweise aufschmilzt, wonach das Material wieder erstarrt. Dabei wird ein Oberflächenbereich 7, nämlich die Oberfläche der Schweißnaht 9, aus geschmolzenem und wieder erstarrtem Material ausgebildet.
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Dabei bilden sich typische Schweißschuppungen und -strukturen aus, welche aufgrund der Schmelzbadströmungen und -schwingungen sowie eines Nachfließens der Schmelze entstehen. Grundsätzlich entsteht eine solche Nahtschuppung durch Wellen- und Pegelstandsänderungen am Ende des Schmelzbades. Wesentliche Einflussfaktoren auf die Ausbildung der Schweißnaht 9 sind die Schmelzbadströmungen, die Temperaturverteilung und Viskosität der Schmelze, sowie die Grenzflächenenergie zwischen den Phasen fest/flüssig beziehungsweise flüssig/gasförmig. Schmelzbadbewegungen werden unter anderen durch Bewegungen aufgrund eines Temperaturgefälles zwischen einer Schmelzlinie im Randbereich (Schmelztemperatur) und einer Dampfkapillare (Verdampfungstemperatur) erzeugt. Dieser Temperaturunterschied induziert auch einen Gradienten der temperaturabhängigen Oberflächenspannung. Das Bestreben eines Systems, welches stets den Zustand kleinster potentieller Energie anzunehmen versucht, zeigt sich bei Flüssigkeiten. So fließt ein Fluid stets in Bereiche, wo die höchste Oberflächenspannung vorliegt. Dies führt in Kombination des Temperaturgefälles zu einer Schmelzbadbewegung. Die Position der kleinsten potentiellen Energie wird entscheidend von der Größe der Oberflächenspannung beeinflusst. Durch die Benetzbarkeit einer Oberfläche und die Oberflächenspannung wird zugleich die Ausbildung einer Nahtüberhöhung bestimmt. Entscheidend ist ferner auch eine Kapillarwirkung der Oberfläche 5.
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Geschmolzene Metalle, insbesondere Aluminium, besitzen eine relativ geringe Oberflächenspannung in der flüssigen Phase. Falls kein oberflächenaktives Prozessgas oder eine binäre Legierung, bestehend aus Aluminium und Eisen, verwendet wird, entsteht ein Schweißprozess mit negativem Temperaturkoeffizient. Dies bedeutet, dass im Randbereich des Schmelzbades die höchste Oberflächenspannung bedingt durch die geringste Temperatur vorherrscht, wobei ein Schmelzbadstrom radial von der Dampfkapillare zum Schmelzbadrand resultiert. Gleichzeitig erzeugt die Dynamik des Schweißprozesses eine Wellenbildung sowie eine Pegelstandsänderung innerhalb des Schmelzbades.
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In 1 ist klar erkennbar, dass das Schmelzbad hinter der Dampfkapillare, die im Bereich der Einwirkung des Laserstrahls 3 ausgebildet ist, in einem ersten Bereich A abkühlt, wodurch die Oberflächenspannung ansteigt. Durch die bereits erläuterten Pegelstandsänderungen und Wellen im Schmelzbad löst sich in unregelmäßigen Abständen Schmelze ab und erstarrt, wobei die typische Nahtschuppung sowie auch unregelmäßige Nahtüberhöhungen entstehen, die in einem zweiten Bereich B erkennbar sind.
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2 zeigt eine weitere schematische Darstellung der Vorgänge beim Laser-Tiefschweißen. Dabei ist hier der Bereich eines sogenannten Keyholes, in welchem die Dampfkapillare ausgebildet ist, mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind im Übrigen mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Die mit C bezeichnete Schmelze um das Keyhole 11 umfließt die Kapillare, welche an der Schmelzfront bei dem Bezugszeichen 13 aufgeschmolzen wird. Hinter der Kapillare fließt die Schmelze zusammen. Im Randbereich A des Schmelzbads erstarrt die Schmelze früher als in der Nahtmitte, weshalb ein mehr oder weniger spitz auslaufendes Schmelzbad – wie dargestellt – hinter der Kapillare entsteht. Durch Wellenbildung, Zusammenbrechen oder Pulsieren der Dampfkapillare und dadurch resultierende Pegelstandsänderungen erstarrt das spitz auslaufende Schmelzbad nicht mit gleich großem Schmelzvolumen, sondern in verschiedenen Abständen mit verschiedenen Mengen an geschmolzenem Material. Hierdurch resultiert die spitz zulaufende Nahtschuppung mit verschiedener Höhe auf der Schweißnaht 9, wobei die hierdurch entstehende Nahtschuppung in dem zweiten Bereich B erkennbar ist.
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Mithilfe einer gezielten Vorbearbeitung der Oberfläche 5, wobei deren für das Verfahren interessierender Bereich hier schraffiert gekennzeichnet ist, kann die Oberflächenspannung des Schmelzbads im Randbereich der Schweißnahtfront nochmals erhöht werden. Wie bereits erwähnt, verursacht eine lokal höhere Oberflächenspannung eine Schmelzbadströmung und eine glattere Oberfläche. Dabei ist ein beeinflussbarer Randbereich 13 der Schweißnaht 9 beziehungsweise des Schmelzbads hier ebenfalls schraffiert dargestellt.
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Die Oberfläche 5 wird also vor dem Schmelzen von Material zumindest bereichsweise derart bearbeitet, dass sie nach der Bearbeitung für das geschmolzene Material eine höhere Benetzbarkeit aufweist als vor der Bearbeitung. Die Oberflächenmodifikation der Oberfläche 5 durch die Bearbeitung wirkt sich auf den Randbereich der Schmelzbadfront aus, wodurch in dem Randbereich 13 die Oberflächenspannung erhöht wird. Dadurch entsteht eine Schmelzbadströmung in Schweißrichtung, in den Figuren also insbesondere nach rechts.
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Diese Schmelzbadströmung ist insbesondere in 3 dargestellt. Das geschmolzene Material an der Schweißnahtfront fließt durch das verbesserte Benetzungsverhalten der Oberfläche 5 radial von dem Schmelzbad in die Bereiche der modifizierten Oberfläche 5 ab, was hier durch Pfeile dargestellt ist. Diese Schmelzbadströmung reduziert das Aufhäufen von geschmolzenem Material im Prozessbereich. Dadurch kann eine Überhöhung der Schweißnaht 9 reduziert sowie die Bildung von Nahtschuppen und einer ungleichmäßigen Nahtüberhöhung vermieden werden. Im Übrigen sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
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In dem zweiten Bereich B ist schematisch durch fehlende diagonale Linien angedeutet, dass die Nahtschuppung durch die Oberflächenmodifikation der Oberfläche 5 reduziert wird.
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In 4 ist dargestellt, dass die ungleichmäßigen Nahtüberhöhungen reduziert werden können. Dabei entspricht die Ansicht von 4 insbesondere der Ansicht von 1, wobei die in 1 gegebene Hüllkurve des Oberflächenbereichs 7 hier durch eine gestrichelte Linie L dargestellt ist. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
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Es zeigt sich, dass sich sowohl die erhöhte Oberflächenspannung im Randbereich des Schmelzbads als auch die geringere Schmelzbadüberhöhung – insbesondere auch in einem mit D gekennzeichneten, dritten Bereich – positiv auf die Schweißnahtoberfläche der Schweißnaht 9 auswirkt. Weiter vermindert das flachere und kleinere Schmelzbadvolumen die Bildung von Schwingungen und/oder Wellen, die für die Bildung der Nahtschuppung verantwortlich sind. Gleichzeitig wird das Anhäufen von Schmelze reduziert. Es ist deutlich erkennbar, dass in allen Bereichen A, B und D die Nahtüberhöhungen der Schweißnaht 9 durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zum Stand der Technik gemäß 1 – hier dargestellt durch die gestrichelte Linie L – reduziert sind.
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Neben der vorgestellten Möglichkeit zur Reduzierung der Nahtschuppung und Überhöhung kann mittels gezielter Modifikation einzelner Bereiche die Schweißnaht 9 lokal beeinflusst werden. So kann durch eine gerichtete Modifikation die Schweißnahtoberfläche in einem gewissen Rahmen in Höhe, Breite sowie Form beeinflusst werden. Wird die Modifikation beispielsweise durch einen Markierlaser erzeugt, können die Strukturen auch in Mustern, in Linien oder dergleichen angeordnet werden, um den Effekt der Änderung der Oberflächenspannung in bestimmte Richtungen zu lenken oder lokal zu verstärken oder zu vermindern.
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Im Rahmen des Verfahrens wird hier letztlich der Oberflächenbereich 7 mit einer deutlich höheren Glätte und optischen Qualität erzeugt, als dies gemäß dem Stand der Technik möglich ist.
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Die Oberfläche 5 wird vorzugsweise zumindest bereichsweise durch Aufrauen, durch Erzeugung von Vertiefungen und/oder Erhebungen, und/oder durch Strukturieren modifiziert. Dabei wird besonders bevorzugt eine Mikrostruktur ausgebildet. Es ist möglich, dass die Oberfläche 5 wenigstens bereichsweise mit einem Laser, insbesondere einem Pulslaser, bevorzugt einem Markierlaser, oder mit einem mechanischen Verfahren, beispielsweise einem Prägeverfahren, Walzen, Nadeln oder Rändeln, bearbeitet wird. Auch eine Bearbeitung mittels Elektronenstrahl oder durch Erodieren ist möglich.
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Dazu ist vorgesehen, dass die Oberfläche für Schweiß- oder Lötnähte in einem Bereich bearbeitet wird, der eine Breite von einigen 0,1 mm bis mehreren Millimetern, vorzugsweise von wenigstens 0,1 mm bis höchstens 10 mm, vorzugsweise von wenigstens 0,2 mm bis höchstens 3 mm, vorzugsweise von wenigstens 0,3 mm bis höchstens 2 mm, aufweist. Dabei kann diese Breite insbesondere der Breite der späteren Schweiß- oder Lötnaht entsprechen, wobei es ausreicht, die Oberfläche in dem entsprechenden Breitenbereich, in welchem dann auch die Schweiß- oder Lötnahtnaht erzeugt wird, vor dem Schmelzen von Material vorzubehandeln. Ist die genaue Lage der späteren Naht z. B. durch Bauteil- oder Fügetoleranzen nicht bekannt, kann auch ein größerer Bereich vorbehandelt werden, in dem die Naht liegen kann.
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Für eine reine Glättung von Oberflächen, gegebenenfalls kombiniert mit einem Auftragen oder Einlegieren oder -disgergieren, können auch größere Bereiche bearbeitet werden Die bearbeitete Oberfläche weist bevorzugt wenigstens ein Material auf, das ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Stahl, Edelstahl, Gußeisen oder Stahlguß, Aluminium, Kupfer, Titan, Bronze, Messing, und einem Kunststoff, insbesondere einem thermoplastischen Kunststoff. Kombinationen dieser Materialien sowie Legierungen der genannten Materialien untereinander und/oder mit anderen Materialien sind möglich.
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Im Rahmen des Verfahrens wird bevorzugt ein Außenhautbauteil für ein Fahrzeug hergestellt, insbesondere ist das Bauteil 1 als Außenhautbauteil für ein Fahrzeug ausgebildet.
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Insgesamt zeigt sich, dass mithilfe des Verfahrens in relativ einfacher Weise ein glatter Oberflächenbereich 7 aus zumindest teilweise geschmolzenem und wieder erstarrtem Material gebildet werden kann, wobei insbesondere eine Laserschweißnaht von möglichst hoher Qualität erzeugbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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