DE102016008395B3

DE102016008395B3 - Verfahren zum Verschweißen artungleicher metallischer Fügepartner

Info

Publication number: DE102016008395B3
Application number: DE102016008395.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kempen; Rabea-Philine Knuth; Henning Gleich; Katharina Heynert
Original assignee: Inpro Innovationsgesellschaft fuer Fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH
Current assignee: Inpro Innovationsgesellschaft fuer Fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH
Priority date: 2016-07-09
Filing date: 2016-07-09
Publication date: 2017-12-07
Anticipated expiration: 2036-07-10

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verschweißen artungleicher metallischer Fügepartner (3; 4), mit folgenden Verfahrensschritten: – Bereitstellen eines ersten Fügepartners (3) aus einem ersten metallischen Werkstoff, – Bereitstellen eines zweiten Fügepartners (4) aus einem zweiten metallischen Werkstoff, – Applizieren zumindest eines Klebstoffs auf mindestens eine Kontaktfläche (10) zumindest eines der beiden artungleichen metallischen Fügepartner (3; 4) vor dem Verschweißen der beiden artungleichen metallischen Fügepartner (3; 4), – dann Zusammenführen der beiden artungleichen metallischen Fügepartner (3; 4), wobei diese an der mindestens einen Kontaktfläche (10) mittels des mindestens einen auf letzterer applizierten Klebstoffs (11) miteinander verpresst werden, und – anschließend Führen eines Energiestrahls (5) hoher Leistung mit hoher Bahngeschwindigkeit vB über den ersten Fügepartner (3) mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner (3; 4), wobei der erste und der zweite Fügepartners (3; 4) miteinander verschweißt werden, indem eine Vielzahl punktueller Verschweißungen der beiden artungleichen metallischen Fügepartner (3; 4) in mindestens einem klebstofffreien Bereich (12) der Kontaktfläche (10) erzeugt wird, wobei jeweils der metallische erste Fügepartner (3) mit höherem Schmelzpunkt nur punktuell durchgeschmolzen wird, die Schmelze des metallischen ersten Fügepartners (3) mit höherem Schmelzpunkt tropfenartig in dem zweiten metallischen Fügepartner (4) eingebettet wird und dabei die Schmelzen der beiden metallischen Fügepartner (3; 4) nur zu einem geringen Anteil durchmischt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen artungleicher metallischer Fügepartner.
Aus der DE 10 2004 009 651 B4 ist ein Verfahren zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner, insbesondere von Aluminium-Kupfer-Verbindungsstellen bekannt, bei dem zwischen einem Fügepartner aus einem ersten metallischen Werkstoff und einem anderen Fügepartner aus einem zweiten metallischen Werkstoff eine Lage eines Schweißzusatzwerkstoffes aus einem dritten metallischen Werkstoff vorgesehen wird und die beiden Fügepartner unter Einbindung des Schweißzusatzstoffes mit Hilfe eines Energiestrahls, vorzugsweise eines Laserstrahls verschweißt werden. Hierbei werden die flächigen Fügepartner und die Zusatzwerkstoff-Lage mittels des Energiestrahls stumpf an ihren freiliegenden Randkanten miteinander verschweißt, wobei der Energiestrahl gegenüber der Fügeflächenebene zwischen den Fügepartnern versetzt in Richtung zu dem niedriger schmelzenden Fügepartner hin appliziert wird.
Weiterhin ist aus der DE 10 2010 039 893 A1 ein Verfahren zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner bekannt, bei dem zunächst ein erster Fügepartner aus einem ersten metallischen Werkstoff und ein zweiter Fügepartner aus einem zweiten metallischen Werkstoff bereitgestellt werden. Darauf erfolgt ein Verschweißen des ersten Fügepartner und des zweiten Fügepartners mit Hilfe eines Laserstrahls hoher Leistung, der über die beiden Fügepartner geführt wird. Dabei werden mehrere punktuelle Verschweißungen der beiden Fügepartner erzeugt, indem der erste Fügepartner nur punktuell durchgeschmolzen und die Schmelze des ersten Fügepartners tropfenförmig in dem zweiten Fügepartner eingebettet wird. Ein Applizieren von Klebstoff vor dem Verschweißen der beiden Fügepartner auf zumindest einer Kontaktfläche letzterer ist hier nicht vorgesehen.
Ferner ist in der EP 1 974 849 A1 ein Verfahren zum Verschweißen zweier Fügepartner aus Stahl oder Aluminium beschrieben, bei dem vor dem Verschweißen auf mindestens eine Kontaktfläche der Fügepartner Klebstoff appliziert wird, worauf die Fügepartner zusammengeführt und aneinander gepresst werden. Anschließend wird eine Vielzahl von punktuellen Verschweißungen der beiden Fügepartner mittels eines Laserstrahls in einem Bereich, in welchem sich Klebstoff befindet, erzeugt.
Zudem ist aus der EP 1 779 962 A1 ein Verfahren zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner mittels eines Laserstrahls hoher Leistung bekannt, bei dem der Laserstrahl ebenfalls auf den Fügepartner mit dem niedrigerem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner gerichtet wird.
Aus der DE 10 2008 027 164 A1 geht schließlich ein Verfahren zum Verschweißen zweier Fügepartner als bekannt hervor, bei dem eine Vielzahl von punktuellen Verschweißungen zweier Fügepartner mittels eines Laserstrahls in einem klebstofffreien Bereich erzeugt wird, wobei es sich jedoch nicht um artungleiche Fügepartner handelt.
Thermisches Fügen von Stahl-Aluminium-Verbindungen mittels Lichtbogen- oder Laser-Schweißverfahren unter Verwendung von Aluminium-Zusatzstoffen ist dem Fachmann als sog. Schweiß-Löten geläufig. Hierbei wird am Fügepartner aus der niedrig schmelzenden Aluminiumlegierung eine Schweißverbindung erzeugt, während am Fügepartner aus dem höher schmelzenden, nicht schmelzflüssigen Stahl eine Lötverbindung entsteht, deren Bindungsfestigkeit durch den Benetzungsgrad und die Benetzungsfläche des Lotes an der Stahloberfläche bestimmt wird. Adhäsionskräfte bilden sich zwischen Lot und Stahloberfläche. Durch elektrostatische und Diffusionsvorgänge erfolgt im Grenzflächenbereich ein makroskopischer Stoff- und Ladungsausgleich.
Ein Problem ist bislang, dass beim Schweißen von Fügepartnern aus artungleichen Werkstoffen während des Abkühlens der Schmelze beider Werkstoffe im Grenzflächenbereich intermetallische Phasensäume entstehen, die Gefügeausbildungen mit hohem Sprödbruchverhalten darstellen und die die Bindungseigenschaften der beiden artungleichen Werkstoffe zu Nichte machen.
Bei der Bildung einer Legierung ist zwischen homogener und heterogener Legierungsbildung zu unterscheiden. Bei einer homogenen Legierungsbildung werden die Atome der zugegebenen Komponenten substitutionell oder interstitiell in dem Kristallgitter der anderen Komponente gelöst. Ein homogener Mischkristall ist gegeben, wenn in diesem die Atome statistisch verteilt vorliegen. In einem Kristallgitter können nur solche Fremdatome interstitiell eingebaut werden, die sehr viel kleiner sind als die des Matrixgitters. So können z. B. Eisen und Aluminium nicht interstitiell in einander gelöst werden.
Nach den Regeln von Hume-Rothery kann eine vollständige substitutionelle Mischkristallbildung nur erfolgen, wenn

– der Unterschied der Atomradien der beteiligten Komponenten nicht mehr als 15% beträgt,
– der Unterschied der Elektronennegativität klein ist,
– die Valenzelektronenzahlen ähnlich sind,
– die Komponenten im flüssigen Zustand vollständig ineinander mischbar sind,
– der Gittertyp der Komponenten der gleiche ist.

Wird nur eine diese Regeln verletzt, so hat das eine sehr eingeschränkte Löslichkeit der beiden Komponenten ineinander zur Folge und ist in vielen Fällen mit der Bildung intermetallischer Phasen verbunden. Im Fall von Eisen-Aluminium-Verbindungen kommt es über eine weite Spanne an Zusammensetzungen zu einer Bildung von intermetallischen Phasen, die hart und spröde sind.
Auch bei Fügeprozessen von Stahl-Aluminiumlegierung-Verbindungen mittels Laser kommt es zur Bildung von harten und spröden intermetallischen Phasen, die die mechanischen Eigenschaften der Fügezone der Fügepartner negativ beeinflussen. Eine Reduzierung der sich an der Grenzfläche zur Aluminiumlegierung ausbildenden intermetallischen Grenzschicht wirkt sich positiv auf die mechanischen Eigenschaften der Fügeverbindung der beiden Fügepartner aus.
Z. B. hat Aluminium einen Schmelzpunkt von 660°C, während Eisen erst bei 1539°C flüssig wird. Die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium ist etwa drei Mal so groß, wie die von Stahl und der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient von Aluminium ist um den Faktor zwei größer als der von Stahl. Hierdurch entstehen beim Abkühlen nach dem Fügen von Stahl und Aluminiumlegierungen Spannungen in der Fügezone. Um letztere möglichst klein zu halten, ist für einen Fügeprozess mit möglichst geringer Wärmeeinbringung in die Fügezone der beiden Fügepartner zu sorgen.
Je geringer der Strahl-Durchmesser des Laserstrahls ist, der auf den Fügepartner mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner appliziert ist, umso höher ist bei konstanter Leistung die mittlere Leistungsdichte E in der bestrahlten Fläche, durch die der Laserschweißprozess maßgeblich beeinflusst wird. Die lokal eingestrahlte Leistungsdichte E_lokal ist von dem Strahlprofil des Lasers bzw. von der konkreten Leistungsdichteverteilung im Laserstrahl abhängig.
Zudem ist die flächenbezogene Energiedichte w das Integral der mittleren Leistungsdichte E abhängig von der Dauer der Laserstrahlapplikation (Bestrahlungszeit) t. Somit ist:
w = Integral E(t [Ws/m² = J/m²], wobei E(t) auch eine ortsabhängige Funktion ist.
Die mittlere Leistungsdichte E in der bestrahlten Zone und der Absorptionsgrad des bestrahlten Materials bestimmen, welche physikalische Wechselwirkung zwischen dem applizierten Laserstrahl und dem beaufschlagten Fügepartner eintritt. Bei geringen mittleren Leistungsdichten E (z. B. im Bereich von etwa 10³ bis 10⁴ W/cm² für Stahl) wird das Material des beaufschlagten Fügepartners lediglich erwärmt. Bei mittleren Leistungsdichten E (für Stahl in der Größenordnung von 10⁴ bis < 10⁶ W/cm²) kommt es
zum Aufschmelzen der Oberfläche des beaufschlagten Fügepartners. Beim Überschreiten eines Grenzwertes der mittleren Leistungsdichte E in der bestrahlten Zone (von etwa 10⁶ W/cm² für Stahl) verdampft das Material des beaufschlagten Fügepartners beim Auftreffen des Laserstrahls auf diesen. In Abhängigkeit von der mittleren Leistungsdichte E des Laserstrahls auf dem beaufschlagten Fügepartner wird daher zwischen einem sogenannten Wärmeleitschweißen und einem Tiefschweißen unterschieden.
Bei thermischen Fügeverfahren wie Schweißen und Löten ist zudem das Problem der Kontaktkorrosion zu beachten. Sobald Feuchtigkeit in Form von Wasser oder feuchter Luft in die Fügeverbindung eindringt, bilden die beiden elektrisch leitend verbundenen Metalle mit unterschiedlichen elektrochemischen Potenzialen ein Korrosionselement, wodurch die Betriebsfestigkeit z. B. eines Kfz-Bauteils herabgesetzt wird. Dies muss insbesondere im Nassbereich einer Kfz-Karosserie verhindert werden, um die kalkulierte Lebensdauer des Kfz's einzuhalten. Anzustreben ist daher, die beiden Fügepartner z. B. eines Stahl-Aluminium Verbundes sicher von Stoffen, die als Elektrolyt fungieren können, zu trennen und voneinander zu isolieren. Hierfür kommen nur elektrisch nicht leitende Materialien in Frage, und zwar Isolatoren mit hohem spezifischem elektrischen Widerstand, die primär aus technischen Keramiken, Ölen, Glas oder Kunststoffe wie Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere hergestellt werden.
Herkömmlich sind beim Fügen der Fügepartner wie z. B. von Blechteilen mittels Klebung zum Fixieren der zu verbindenden Blechteile gegeneinander aufwendige Halterungen oder Schweißfixierungen erforderlich.
Schweißfixierungen dieser Art für Klebungen im Automobilbau werden herkömmlich z. B. für Stahl-Stahl Verbindungen mittels Widerstandspunktschweißen eingesetzt. Hingegen existieren für St/Al-Verbindungen keine Widerstandspunktschweißverfahren, um Klebungen von z. B. Kfz-Bauteilen schweißmäßig zu fixieren, bis die Klebungen z. B. erst nach einer KTL-Lackierung der gefügten Kfz-Karosserie in einem Trocknungsofen warm ausgehärtet werden.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, beim Schweißen von artungleichen metallischen Fügepartnern wie z. B. von St/Al-Flanschen für Klebungen letzterer ein effektives schweißmäßiges Fixieren zu ermöglichen, bis die Klebungen der artungleichen metallischen Fügepartner warm ausgehärtet werden, wie z. B. nach einer KTL-Lackierung der gefügten Kfz-Bauteile in einem Trocknungsofen. Ein derartiges Schweißfixieren von Klebungen artungleicher metallischer Fügepartner soll möglichst mit einer Pre-Prozess-Abdichtung der herzustellenden Fügeverbindung kombiniert werden. Zudem soll beim Abkühlen der Schmelzen der beiden artungleichen Werkstoffe in deren Grenzflächenbereich ein Wachstum von kritischen intermetallischen Phasen, die Gefügeausbildungen mit hohem Sprödbruchverhalten darstellen, weitgehend vermieden werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zum Verschweißen artungleicher metallischer Fügepartner zur Verfügung zu stellen, das den zuvor aufgezeigten Anforderungen in flexibler Weise gerecht wird. Zudem soll die Notwendigkeit des Einsatzes von Schweißzusatzwerkstoffen vermieden und für einen definierten zeitbegrenzten Wärmeeintrag über den gesamten Schweißnahtverlauf gesorgt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner mit folgenden Verfahrensschritten.

– Bereitstellen eines ersten Fügepartners aus einem ersten metallischen Werkstoff,
– Bereitstellen eines zweiten Fügepartners aus einem zweiten metallischen Werkstoff,
– Applizieren zumindest eines Klebstoffs auf mindestens eine Kontaktfläche zumindest eines der beiden artungleichen metallischen Fügepartner vor dem Verschweißen der beiden artungleichen metallischen Fügepartner miteinander,
– dann Zusammenführen der beiden artungleichen metallischen Fügepartner, wobei diese an der mindestens einen Kontaktfläche mittels des mindestens einen auf letzterer applizierten Klebstoffs miteinander verpresst werden, und
– anschließend Führen eines Energiestrahls hoher Leistung mit hoher Bahngeschwindigkeit v_B über den ersten Fügepartner mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner, wobei
– der erste und der zweite Fügepartners miteinander verschweißt werden, indem eine Vielzahl punktueller Verschweißungen der beiden artungleichen metallischen Fügepartner in mindestens einem klebstofffreien Bereich der Kontaktfläche erzeugt wird, wobei jeweils der metallische erste Fügepartner mit höherem Schmelzpunkt nur punktuell durchgeschmolzen wird, die Schmelze des metallischen ersten Fügepartners mit höherem Schmelzpunkt tropfenartig in dem zweiten metallischen Fügepartner eingebettet wird und dabei die Schmelzen der beiden metallischen Fügepartner nur zu einem geringen Anteil durchmischt werden.

Bevorzugt wird der Klebstoff auf die mindestens eine Kontaktfläche zumindest des einen der beiden artungleichen metallischen Fügepartner derart appliziert, dass auf der mindestens einen Kontaktfläche innerhalb eines Bereiches mit appliziertem Klebstoff eine Vielzahl klebstofffreier Bereiche, die jeweils eine thermische Fügezone bilden, in Schweißrichtung S in einem definierten Abstand d₁ zueinander und in Reihe angeordnet gebildet werden.
Vorteilhafterweise werden die klebstofffreien Bereiche, die jeweils eine thermische Fügezone bilden, auf der Kontaktfläche eines metallischen Flanschteils innerhalb des Bereiches mit appliziertem Klebstoff gebildet, der eine der Breite B des Flansches entsprechende Breite aufweist.
Vorteilhafterweise kann Klebstoff auf die Kontaktflache des metallischen ersten Flanschteils mit höherem Schmelzpunkt wie eines Flanschteils aus Stahl appliziert werden derart, dass sowohl mindestens jeweils zwei Bereiche mit appliziertem Klebstoff, die in einem definierten Abstand d₂ zueinander und in Schweißrichtung S reihenmäßig angeordnet werden und zwischen denen jeweils ein im gleichen Abstand zu letzteren angeordneter und sich in Schweißrichtung S erstreckender klebstofffreier Bereich vorgesehen wird, als auch zwei durchgängige Klebstoffstreifen gebildet werden, die in Schweißrichtung S jeweils im gleichen Abstand zu einer der zugeordneten Längsseiten der zwei Bereiche mit appliziertem Klebstoff verlaufen, wobei beim druckmäßigen Verkleben der beiden artungleichen metallischen Flanschteile in deren Verbindungsbereich eine Schweißnahtabdichtung hergestellt wird, die einen verbesserten Korrosionsschutz der Schweißnaht der beiden artungleichen metallischen Flanschteile gewährleistet.
Sowohl die mindestens jeweils zwei Bereiche mit appliziertem Klebstoff der Kontaktfläche eines metallischen Flanschteils als auch die beiden durchgängigen Klebstoffstreifen auf der Kontaktfläche des einen metallischen Flanschteils können jeweils geometrisch und flächenmäßig identisch ausgebildet werden.
Bevorzugt erfolgt die Applikation des Klebstoffs auf die mindestens zwei mit Klebstoff zu versehenen Bereiche der Kontaktfläche des metallischen Flanschteils zugleich mit der Applikation der auf die Kontaktfläche des metallischen Flanschteils zu applizierenden beiden durchgängigen Klebstoffstreifen (Klebstoffraupen) mittels einer entsprechend dreifach unterteilten Düse (Multi-Düse).
Von Wichtigkeit ist, dass kein Klebstoff in den klebstofffreien Bereich des Verbindungsbereichs der beiden artungleichen Fügepartner eindringen kann, da der Klebstoff beim Fixieren (Heften) letzterer durch den Wärmeeintrag verdampfen bzw. sich zersetzen kann, wodurch die Anbindung der Laserstrahl-Fügenaht negativ beeinflusst und die Verbundfestigkeit herabgesetzt werden kann.
Vorzugsweise wird die Dicke der Schicht des zu applizierenden Klebstoffs – die Dicke der Klebstoffraupen – gezielt eingestellt, indem dem zu applizierenden Klebstoff z. B. Glaskugeln mit vorbestimmten Durchmesser beigemengt werden, die beim druckmäßigen Fügen der beiden artungleichen metallischen Fügepartner als Abstandshalter dienen, oder diese Abstandshalter z. B. in Form von Noppen (z. B. Lasernoppen) auf mindestens einem der zu fügenden Blechteile aufgebracht werden.
Als Klebstoffe können kalt- und/oder warmhärtende Klebstoffe und Dichtklebstoffe und/oder Klebstoffe in 1K- und/oder 2K-Formulierung verwendet werden.
Bevorzugt wird die mindestens eine mit dem Klebstoff erzeugte Klebung wie insbesondere einer 1k-wärmeaushärtenden Klebung der beiden zusammengepressten artungleichen metallischen Fügepartner wie der Teile eines St/Al-Flansches im Bereich deren mindestens einer Kontaktfläche mittels der Vielzahl der punktuellen Verschweißungen der beiden artungleichen metallischen Flanschteile in mindestens einem klebstofffreien Bereich der Kontaktfläche der artungleichen metallischen Flanschteile fixiert (geheftet) und der Klebstoff der Klebung anschließend ausgehärtet.
Die Aushärtung des 1k-wärmeaushärtenden Klebstoffs der Klebung der beiden zusammengepressten artungleichen metallischen Flanschteile kann nach deren Fixieren (Heften) miteinander innerhalb des mindestens einen klebstofffreien Bereichs und nach einem anschließenden KTL-Tauchbad letzterer in einem KTL-Trocknungsofen erfolgen.
Die verwendeten Klebstoffe und Dichtklebstoffe und die verwendeten Fügepartner aus artungleichen Metallen können chemisch kompatibel sein. Es können mindestens zwei unterschiedliche Klebstoffe mit folgenden stofflichen Merkmalen Verwendung:

– Pastös oder thixotrop.
– Viskosität im Bereich von 10³ mPas bis 1,5 × 10⁶ mPas.
– Haftung und thermische Ausdehnung bezüglich des benachbarten Klebstoffes derart optimiert, dass diese beim Aufbau chemischer Bindungen der beiden benachbarten Klebstoffe kompatibel sind.
– Haftung und thermische Ausdehnung bezüglich der artungleichen metallischen Fügepartner und des benachbarten Klebstoffes derart optimiert, dass die beiden artungleichen metallischen Fügepartner und der benachbarte Klebstoff beim Aufbau chemischer Bindungen kompatibel sind.

Es können kalt- und/oder warmhärtende Klebstoffe und/oder Dichtklebstoffe wie Silikone, Polyurethane, auch silanmodifizierte Epoxide und/oder Acrylate, auch strahlhärtbare in 1K- und 2K-Formulierung, deren stoffliche Merkmale dem Fachmann geläufig sind, zum Einsatz kommen.
Das erfindungsgemäße Verfahren bedingt eine signifikante Qualitätssteigerung des Eigenschaftsprofils der Schweißung der artungleichen metallischen Fügepartner, eine Steigerung der Lebensdauer der Schweißnaht der beiden artungleichen metallischen Fügepartner, eine Reduzierung der Prozesszeit und der Fertigungstiefe und einen optimierten Schutz gegenüber einem Einwirken äußerer Medien auf die Festigkeit der Bereiche mit applizierten Klebstoff, deren Verbundfestigkeit zugleich gesteigert wird. Durch den Einsatz unterschiedlicher Klebstoffe und Dichtklebstoffe ist deren asymmetrische Verteilung bei Optimierung der Schutzfunktion für den inneren und äußeren Bereich der Klebfügeverbindung, die als Fixierung aber z. B. auch als Festigkeitsnaht umgesetzt werden kann, realisierbar. Der Problematik der Kontakt-Korrosion wird effektiv vorgebeugt, indem kein Elektrolyt in den thermisch gefügten Bereich der beiden artungleichen metallischen Fügepartner vordringen kann. Zudem kann durch den Einsatz verschiedener Haftvermittler die Haftung des Klebstoffes an den artungleichen metallischen Fügepartnern optimiert und ein flexibles Fixieren bzw. Heften der beiden artungleichen metallischen Fügepartner erreicht werden.
Die punktuelle Verschweißung der beiden artungleichen metallischen Fügepartner erfolgt geeigneterweise durch eine periodische Modulation der durch den Energiestrahl auf dem ersten Fügepartner mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner applizierten flächenbezogenen Energiedichte w.
Bevorzugt erfolgt die periodische Modulation der flächenbezogenen Energiedichte w durch eine periodische Bewegungssteuerung des Energiestrahls zum Verschweißen der beiden artungleichen metallischen Fügepartner, wobei auf dem ersten Fügepartner mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner ein stetes Verändern der Bahngeschwindigkeit v_B des Energiestrahls bei konstanter Leistung des letzteren erzeugt wird.
Vorzugsweise erfolgt zum Verschweißen der beiden artungleichen metallischen Fügepartner die periodische Modulation der flächenbezogenen Energiedichte w, die in einer periodischen Variation der Einschweißtiefe resultiert, durch eine inkonstante Bahngeschwindigkeit v_B des Energiestrahls, erzeugt durch eine nichtlineare Bewegungssteuerung, wobei die mittlere Leistungsdichte auf dem ersten Fügepartner mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner zu jedem Zeitpunkt des Schweißprozesses konstant gehalten wird.
Alternativ kann die periodische Variation der Einschweißtiefe zum Verschweißen der beiden artungleichen metallischen Fügepartner auch erfolgen, indem eine periodische Veränderung der mittleren Leistungsdichte des Laserstrahls auf dem ersten Fügepartner mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner durch Leistungsvariation bei konstanter Bahngeschwindigkeit v_B des Energiestrahls erreicht wird.
Darüber hinaus kann eine periodische Variation der Einschweißtiefe zum Verschweißen der beiden artungleichen metallischen Fügepartner auch erfolgen, indem eine inkonstante Bahngeschwindigkeit v_B des Energiestrahls mit einer periodischen Veränderung der mittleren Leistungsdichte des Laserstrahls auf dem ersten Fügepartner mit höherem Schmelzpunkt kombiniert wird.
Der periodisch gesteuerte Bewegungsablauf des Energiestrahls kann wellenförmig oder sinusförmig erzeugt werden. Es erfolgen nur an den Umkehrpunkten des wellen- oder sinusförmigen Bewegungsablaufs so hohe, definierte, zeitbegrenzte Wärmeeinträge, dass über den gesamten Schweißnahtverlauf periodisch nur an diesen ein punktuelles Durchschmelzen des ersten Fügepartners mit höherem Schmelzpunkt und die Erzeugung einer Schweißung der beiden artungleichen Fügepartner erfolgt, wobei die Schmelze des ersten Fügepartners mit höherem Schmelzpunkt tropfenartig im zweiten Fügepartner eingebettet wird und die Schmelzen der beiden metallischen Fügepartner nur zu einem geringen Anteil durchmischt werden.
Die Schweißverbindungen in Form einer parabolischen Tropfengeometrie des ersten Fügepartners eingebettet im zweiten Fügepartner können im Wärmeleitschweißverfahren oder durch Tiefschweißen hergestellt werden.
Bevorzugt werden die beiden Fügepartner aus einem Stahl einerseits und einer Aluminiumlegierung andererseits gewählt und als Energiestrahl ein Laserstrahl, bevorzugt eines CW-Lasers, verwendet.
Die Schweißverbindungen zwischen dem ersten und zweiten Fügepartner können zum Beispiel erzeugt werden, indem der Laserstrahl mit einer einstellbaren konstanten Vorschubgeschwindigkeit v in eine Richtung x, die die Schweißrichtung darstellt, über verstellbare Spiegel abgelenkt (Remote-Prozess), oder die Optik des Laserstrahlaustritts in diese Richtung verfahren wird, während zur selben Zeit eine periodische Pendelbewegung desselben Laserstrahls in eine Richtung y transversal oszillierend zur Schweißrichtung erstere Bewegung über dem mit Energie zu beaufschlagenden Fügepartner überlagert. Letztere Bewegung, die transversal oszillierend zur Schweißrichtung in y-Richtung als eine Pendelbewegung mit einer Frequenz f erfolgt, kann zum Beispiel durch Ablenkung des Laserstrahls über verstellbare Spiegel (Remote-Prozess) oder durch eine Exzenterwelle, an der die in x-Richtung verfahrbare Optik des CW-Lasers gelagert ist, erfolgen. Auf dem beaufschlagten ersten Fügepartner mit höherem Schmelzpunkt ergibt sich nach dem Superpositionsprinzip eine zweidimensionale Bewegungsüberlagerung in x- und in y-Richtung, die resultierend eine periodisch oszillierende wellenförmige Bewegung des auftreffenden Laserstrahls abbildet. Durch den Anteil der Pendelbewegung ist die Geschwindigkeit des Laserstrahls auf der Oberfläche des zu beaufschlagenden ersten Fügepartners mit höherer Schmelztemperatur der beiden artungleichen metallischen Fügepartner nicht konstant, sondern besitzt ihre Maxima an den Wendepunkten und ihre Minima an den Umkehrpunkten der periodischen, wellen- oder sinusförmigen Schweißnaht.
Bevorzugt wird die Vorschubgeschwindigkeit v in Schweißrichtung mit einem Wert von v = 30 mm/s gewählt und diese durch eine Pendelbewegung transversal oszillierend zur Schweißrichtung in mit einer Frequenz von 30 Hz und Amplitude von 1 mm überlagert.
In den Umkehrpunkten der wellenförmigen oszillierenden Bewegung ist der flächenbezogene Energiedichteeintrag somit erhöht und durch die damit verbundene höhere Einschweißtiefe wird in jedem Umkehrpunkt der periodischen Bewegung des Laserstrahls eine punktuelle Schweißverbindung des ersten Fügepartners und des zweiten Fügepartners gebildet.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht definierte, zeitbegrenzte Wärmeeinträge an den Umkehrpunkten des wellen- oder sinusförmigen Bewegungsablaufs über den gesamten Schweißnahtverlauf verbunden mit einer geringen Durchmischung der Schmelzen der artungleichen Fügepartner und einer rapiden Wärmeableitung in deren Fügestelle während des Abkühlungsprozesses der Schmelzen der beiden Werkstoffe. Hierdurch wird eine Begrenzung des Wachstums der Ausbildung von möglichen kritischen intermetallischen Phasen mit hohem Sprödbruchverhalten erreicht.
Die flächenbezogene Energiedichte w als Integral der mittleren Leistungsdichte E des auf dem ersten Fügepartner mit der höheren Schmelztemperatur der beiden artungleichen metallischen Fügepartner applizierten Laserstrahls ist abhängig von der Dauer der Laserstrahlapplikation (Bestrahlungszeit) t, wobei E(t) auch eine ortsabhängige Funktion ist. Genutzt werden kann die Nichtlinearität einer periodischen Bewegung des Laserstrahls und die damit verbundene inkonstante Bahngeschwindigkeit v_B des Laserstrahls, um die in den ersten Fügepartner mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner eingebrachte Energie periodisch zu variieren. Diese ist an den Umkehrpunkten z. B. eines wellen- oder sinusförmigen Bewegungsablaufes des CW-Laserstahls mit konstanter Leistung höher als während des restlichen Schweißprozesses. Es erfolgt somit ein Aufschmelzen des vom CW-Laserstrahl beaufschlagten ersten Fügepartners mit höherem Schmelzpunkt, wie z. B. eines Stahlblechs, mit periodisch unterschiedlicher Schmelzbadtiefe. An den Punkten der höchsten Energieeinbringung in die Fügestelle, d. h., an den Umkehrpunkten des periodischen Bewegungsablaufes des CW-Laserstrahls, erfolgt ein punktuelles Durchschmelzen des ersten Fügepartners mit höherem Schmelzpunkt, z. B. eines Stahlblechs, der beiden artungleichen metallischen Fügepartner und die Erzeugung einer Schweißung letzterer, wobei die Schmelze des Fügepartners mit höherem Schmelzpunkt tropfenartig im zweiten Fügepartner eingebettet wird und die Schmelzen der beiden metallischen Fügepartner nur zu einem geringen Anteil durchmischt werden.
Durch die periodische Modulation der applizierten Energiemenge pro Flächeneinheit wird eine Stabilisierung eines instabilen Schweißprozesses gewährleistet. Da infolge der periodisch angeordneten Schweißpunkte der beiden artungleichen metallischen Fügepartner keine durchgängige lineare Schweißnaht entsteht, wird ein mögliches Wachsen von Rissen bei der möglichen Entstehung spröder intermetallischer Phasen unterbrochen.
Die Notwendigkeit des Einsatzes von Schweißzusatzstoffen ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht gegeben. Zudem wird beim Abkühlen der Schmelze der beiden artungleichen Werkstoffe ein Wachstum von kritischen intermetallischen Phasen, die Gefügeausbildungen mit hohem Sprödbruchverhalten darstellen, weitgehend vermieden. Durch die Überlagerung einer Vorschubbewegung mit der Geschwindigkeit v mit einer Pendelbewegung mit der Frequenz f weist der Laserstrahl auf der Oberfläche des beaufschlagten Fügepartners eine nicht gleichförmige Bahngeschwindigkeit v_B auf. Bei einer geringen Bahngeschwindigkeit v_B des auf der Oberfläche des ersten Fügepartners mit höherem Schmelzpunkt der beiden Fügepartner applizierten Laserstrahls wird mehr Energie pro Flächeneinheit eingebracht als bei einer hohen Bahngeschwindigkeit v_B. Die Bahngeschwindigkeit v_B des Laserstrahls ist inkonstant und an den Umkehrpunkten der wellenförmigen Bewegung des Laserstrahls am geringsten. Dies hat eine höhere flächenbezogene Energiedichte w und damit eine größere Wärmeeinbringung verbunden mit einer tieferen Einschweißung an diesen Stellen zur Folge, sodass nur an diesen Punkten eine Verschweißung der artungleichen Fügepartner erzeugt wird.
Bei Bereitstellung von artungleichen metallischen Fügepartnern aus einem Stahl einerseits und einer Aluminiumlegierung anderseits begünstigt die hohe Wärmleitfähigkeit der Aluminiumlegierung und die tropfenförmige Ausbildung jedes Schweißpunktes eine schnelle Erstarrung der Schmelze in der Fügezone der beiden artungleichen metallischen Fügepartner. Zudem findet durch die punktuelle Verschweißung nur eine geringe Durchmischung der beiden ungleichen Werkstoffe statt. Folglich bilden sich im Übergangsbereich zur Aluminiumlegierung spröde und harte aluminiumreiche intermetallische Phasen nur in sehr geringem Maße aus, wie durch Aufnahmen mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM-Aufnahmen), und Energie dispersive Röntgenspektroskopie (EDX) an den beiden verschweißten artungleichen metallischen Fügepartnern belegt ist.
Die Erfindung wird nunmehr unter Bezug auf die Zeichnungen erläutert. In diesen sind:
1 eine schematische Draufsicht auf eine Kontaktfläche eines der artungleichen metallischen Fügepartner wie eines Flanschteils, aus der der Verfahrensschritt einer Fixierung der beiden artungleichen metallische Fügepartner gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahrens hervorgeht,
2 eine schematische Draufsicht auf die Kontaktfläche eines der beiden artungleichen Fügepartner wie des Flanschteils, aus der zusätzlich zu dem Verfahrensschritt einer Vorfixierung der beiden artungleichen Fügepartner ein Pre-Prozesschritt gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Schweißnahtabdichtung für einen verbesserten Korrosionsschutz hervorgeht,
3 eine schematische Darstellung der Erzeugung eines auf die Oberfläche eines Fügepartners applizierten Laserstrahls,
4 eine schematische Darstellung des Bewegungsablaufs des Laserstrahls,
5a eine Darstellung der Oberfläche der Schweißnaht der beiden verschweißten artungleichen metallischen Fügepartner,
5b eine Darstellung der Bruchfläche der Schweißnaht seitens des ersten Fügepartners mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner,
5c eine Darstellung der Bruchfläche der Schweißnaht seitens des Fügepartners mit niedrigerem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner und
6 ein Diagramm, das schematisch die flächenbezogene Energiedichte w auf dem vom Laserstrahl beaufschlagten ersten Fügepartner mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner zeigt.
Aus 1, die schematisch eine Draufsicht auf eine Kontaktfläche 10 eines der artungleichen metallischen Fügepartner wie eines metallischen Flanschteils 13 oder 14 zeigt, geht eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hervor, bei der vor dem Verschweißen der beiden artungleichen metallischer Fügepartner wie z. B. der beiden Flanschteile 13; 14 eines St/Al-Flansches zumindest ein Klebstoff 11 auf mindestens eine Kontaktfläche 10 zumindest des Flanschteils 13 der beiden artungleichen metallischen Flanschteile 13; 14 appliziert wird.
Wie aus 1 ersichtlich ist, erfolgt hier das Applizieren des Klebstoffs 11 auf die Kontaktfläche 10 des Flanschteils 13 der beiden artungleichen metallischen Flanschteile 13; 14 derart, dass auf der Kontaktfläche 10 innerhalb eines Bereiches 15 mit appliziertem Klebstoff 11 eine Vielzahl – z. B. zwei – klebstofffreie Bereiche 12, die jeweils eine thermische Fügezone bilden, in Schweißrichtung S in einem definierten Abstand d, zueinander und in Reihe angeordnet gebildet werden.
Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, weist der Bereich 15 mit appliziertem Klebstoff 11 auf der Kontaktfläche 10, der die klebstofffreien Bereiche 12 umgibt, die jeweils eine thermische Fügezone bilden und in Schweißrichtung S in einem definierten Abstand d₁ zueinander und in Reihe angeordnet sind, eine der Breite B des metallischen Flanschteils 13 entsprechende Breite auf.
Nach dem Applizieren des Klebstoffs 11 auf der Kontaktfläche 10 des metallischen Flanschteils 13 werden die beiden artungleichen metallischen Flanschteile 13; 14 zusammengeführt, wobei diese im Bereich 15 mit appliziertem Klebstoff 11 der Kontaktfläche 10 miteinander verpresst werden.
Anschließend wird eine Vielzahl punktueller Verschweißungen der beiden artungleichen metallischen Flanschteile 13; 14 in den in 1 gezeigten, jeweils eine thermische Fügezone bildenden klebstofffreien Bereich 12 der Kontaktfläche 10 erzeugt, indem jeweils der metallische Flanschteil 13 mit höherem Schmelzpunkt nur punktuell durchgeschmolzen wird, die Schmelze des metallischen Fügepartners 13 mit höherem Schmelzpunkt tropfenartig in dem zweiten metallischen Fügepartner 14 eingebettet wird und dabei die Schmelzen der beiden artungleichen metallischen Flanschteile 13; 14 nur zu einem geringen Anteil durchmischt werden.
Aus 2, die eine schematische Draufsicht auf die Kontaktfläche 10 eines der beiden artungleichen metallischen Flanschteil 13; 14 zeigt, geht eine zweite Ausführungsform des Verfahrens hervor, bei der die Herstellung einer Schweißnahtabdichtung für einen verbesserten Korrosionsschutz gegeben ist.
Hierzu wird, wie 2 verdeutlicht, der Klebstoff 11 auf die Kontaktfläche 10 des metallischen Flanschteils 13 mit höherem Schmelzpunkt wie z. B. eines Flanschteil 13. aus Stahl appliziert derart, dass sowohl mindestens jeweils zwei Bereiche 15 mit appliziertem Klebstoff 11, die in einem definierten Abstand d₂ zueinander und in Schweißrichtung S reihenmäßig angeordnet werden und zwischen denen jeweils ein im gleichen Abstand zu letzteren angeordneter und sich in Schweißrichtung S erstreckender klebstofffreier Bereich 12 vorgesehen wird, als auch zwei durchgängige Klebstoffstreifen 16 gebildet werden, die in Schweißrichtung S jeweils im gleichen Abstand zu einer der zugeordneten Längsseiten 17 der zwei Bereiche 15 mit appliziertem Klebstoff 11 verlaufen.
Anschließend werden die beiden artungleichen metallischen Flanschteile 13 und 14 zusammengeführt, verpresst und in den klebstofffreien Bereichen 12 verschweißt. Zugleich wird in dem Verbindungsbereich der beiden artungleichen metallischen Flanschteile 13; 14 eine Schweißnahtabdichtung hergestellt, die einen verbesserten Korrosionsschutz für die zu bildenden Schweißnaht der beiden artungleichen metallischen Flanschteile 13; 14 gewährleistet.
Aus 2 ist ersichtlich, dass sowohl die mindestens jeweils zwei Bereiche 15 mit appliziertem Klebstoff 11 der Kontaktfläche 10 des Flanschteils 13 als auch die beiden durchgängigen Klebstoffstreifen 16 auf der Kontaktfläche 10 des Flanschteils 13 jeweils geometrisch und flächenmäßig identisch ausgebildet werden können.
Entsprechend der ersten Ausführungsform des Verfahrens wird anschließend eine Vielzahl punktueller Verschweißungen der beiden artungleichen metallischen Flanschteile 13; 14 in dem in 2 gezeigten, eine thermische Fügezone bildenden klebstofffreien Bereich 12 der Kontaktfläche 10 erzeugt, indem jeweils der metallische Flanschteil 13 mit höherem Schmelzpunkt nur punktuell durchgeschmolzen wird, die Schmelze des metallischen Flanschteils 13 mit höherem Schmelzpunkt tropfenartig in dem zweiten metallischen Flanschteil 14 eingebettet wird und dabei die Schmelzen der beiden artungleichen metallischen Flanschteile 13; 14 nur zu einem geringen Anteil durchmischt werden.
Die Applikation des Klebstoffs 11 auf die mindestens zwei mit Klebstoff 11 zu versehenen Bereiche 12 des Flanschteils 13 kann zugleich mit der Applikation der beiden durchgängigen der Klebstoffstreifen 16 (Klebstoffraupen) auf der Kontaktfläche 10 des Flanschteils 13 mittels einer entsprechend dreifach unterteilten Düse (Multi-Düse) erfolgen.
Auch kann die Dicke der Schicht des zu applizierenden Klebstoffs 11 (der Klebstoffraupen) gezielt eingestellt werden, indem dem zu applizierenden Klebstoff 11 Glaskugeln mit vorbestimmten Durchmesser beigemengt werden, die beim druckmäßigen Fügen der beiden artungleichen metallischen Fügepartner als Abstandshalter dienen, oder diese Abstandshalter z. B. in Form von Noppen (z. B. Lasernoppen) auf mindestens einem der zu fügenden Blechteile aufgebracht werden, die beim Fügen der beiden artungleichen metallischen Flanschteile 13; 14 als Abstandshalter dienen.
Gemäß 3 kann die Optik eines CW-Faserlasers 1 an einem Vorschubantrieb gelagert sein, von dem die Optik des CW-Lasers 1 in x-Richtung mit einer einstellbaren konstanten Vorschubgeschwindigkeit v über den zu beaufschlagenden ersten Fügepartner 3 mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen Fügepartner 3; 4 hin zu verfahren und zugleich mittels der Exzenterwelle 2 in y-Richtung in eine Pendelbewegung mit einer Frequenz f zu versetzen ist.
Durch die Überlagerung der konstanten Vorschubgeschwindigkeit v in x-Richtung mit der Pendelbewegung in y-Richtung mit der Frequenz f führt der Laserstrahl 5 des CW-Lasers 1 eine resultierende periodische wellenförmige Bewegung 6 auf dem beaufschlagten ersten Fügepartner 3 mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner 3; 4 aus.
4 zeigt schematisch den mit nicht unterbrochener Strichführung gekennzeichneten Bewegungsablauf 6 des Laserstrahls 5 und strich-punktiert gekennzeichnet dessen lineare Vorschubbewegung. 4 verdeutlicht, dass die Schweißpunkte 7 an den senkrecht schraffiert gekennzeichneten Umkehrpunkten 8 liegen. An den Umkehrpunkten 8 des periodischen wellenförmigen Bewegungsablaufes 6 des Laserstrahls 5 ist die Geschwindigkeit der punktiert gekennzeichneten linearen vertikalen Bewegung des wellenförmigen Bewegungsablaufes 6 Null und an den gitterförmig gekennzeichneten Wendepunkten 9 des wellenförmigen Bewegungsablaufes 6 maximal.
Der verwendete CW-Laser 1 gibt seine Energie kontinuierlich ab, so dass die Leistungsdichte E des Laserstrahls 5 auf der Oberfläche des von diesem beaufschlagten ersten Fügepartners 3 mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner 3; 4 zu jedem Zeitpunkt des Schweißprozesses gleich groß ist.
5a zeigt die Oberfläche einer 15 mm langen Schweißnaht der beiden artungleichen metallischen Fügepartner 3; 4 aus Stahlblech einerseits und einem Aluminiumlegierungsblech andererseits bei einer Schweißrichtung gemäß Pfeil S in 5a. Das Stahlblech hat punktuelle Verschweißungen mit dem darunter liegenden Aluminiumlegierungsblech gebildet, wobei an den Umkehrpunkten 8 der wellenförmigen Bewegung 6 des Laserstrahls 5 eine erhöhte flächenbezogene Energiedichte w bei der Bildung des jeweiligen Schweißpunktes 7 gegeben ist.
Wie bereits ausgeführt, ist die flächenbezogene Energiedichte w das Integral der mittleren Leistungsdichte E(t) in Abhängigkeit von der Zeitdauer der Laserstahlapplikation (Bestrahlungszeit). Somit ist: w = Integral E(t) [Ws/m² = J/m²], wobei E(t) auch eine ortsabhängige Funktion ist.

E: = Leistungsdichte des Laserstrahls,
t: = Applikationszeit des Laserstrahls

Die 5b und 5c zeigen schematisch die Stahlblech-seitige Bruchfläche bzw. die Aluminiumlegierungsblech-seitige Bruchfläche einer Abscherung durch die Laserschweißnaht gemäß 5a entlang der Grenzfläche zur nicht aufgeschmolzenen Aluminiumlegierung. Aus den Darstellungen gemäß 5b und 5c geht deutlich die Ausbildung der zu einander im Abstand angeordneten punktuellen Schweißverbindungen 7 hervor, die jeweils an den Umkehrpunkten 8 des periodischen wellenförmigen Bewegungsablaufs 6 des auf das Stahlblech applizierten Laserstrahls 5 gebildet sind.
Die hohe Wärmeleitfähigkeit der Aluminiumlegierung und die tropfenförmige Ausbildung der Stahl-Schmelze eingebettet in der lokal aufgeschmolzenen Aluminiumlegierung am jeweiligen Schweißpunkt 7 sorgen für eine schnelle Erstarrung der Schmelzen, die sich nur in geringem Maße durchmischen. Dies hat zur Folge, dass sich im Übergangsbereich zur festen Aluminiumlegierung, wenn überhaupt, dann nur geringfügig aluminiumreiche intermetallische Phasen ausbilden, die hart und spröde sind.
6 zeigt in diagrammartiger Darstellung die von der Bestrahlungszeit t (s) des Laserstrahls 5 abhängige flächenbezogene Energiedichte w [J/m²], die das Integral der konstanten mittleren Leistungsdichte E [W/m²] über der Applikationszeit t ist.
Bezugszeichenliste

1: Optik des CW-Faserlasers, die mit einer konstanten, einstellbaren Vorschubgeschwindigkeit v in x-Richtung verfahren werden kann
2: Exzenterwelle, mit der die Optik mit einer Frequenz f in y-Richtung gependelt werden kann
3: erster Fügepartner mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner
4: zweiter Fügepartner mit niedrigerem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner
5: Laserstrahl
6: periodischer wellenförmiger Bewegungsablauf des Laserstrahls auf der Oberfläche des ersten Fügepartners mit höherem Schmelzpunkt
7: Scherbruchfläche einer punktuellen Verschweißung
8: Umkehrpunkt des periodischen wellenförmigen Bewegungsablaufes des Laserstrahls
9: Wendepunkt des periodischen wellenförmigen Bewegungsablaufes des Laserstrahls
10: Kontaktfläche
11: Klebstoff
12: klebstofffreier Bereich der Kontaktfläche
13: metallischer Flanschteil mit höherem Schmelzpunkt
14: metallischer Flanschteil mit niedrigerem Schmelzpunkt
15: Bereich mit appliziertem Klebstoff der Kontaktfläche
16: durchgängige Klebstoffstreifen (Klebstoffraupen)
17: Längsseiten eines Bereichs mit appliziertem Klebstoff
Pfeil S: Schweißrichtung
d₁: Abstand zwischen zwei klebstofffreien Bereichen
d₂: Abstand zwischen zwei Bereichen mit appliziertem Klebstoff
x: Richtung des Vorschubs der Optik des CW-Faserlasers
y: Richtung der Pendelbewegung der Optik des CW-Faserlasers
t: Bestrahlungszeit

Claims

Verfahren zum Verschweißen artungleicher metallischer Fügepartner mit folgenden Verfahrensschritten: – Bereitstellen eines ersten Fügepartners (3) aus einem ersten metallischen Werkstoff, – Bereitstellen eines zweiten Fügepartners (4) aus einem zweiten metallischen Werkstoff, – Applizieren zumindest eines Klebstoffs auf mindestens eine Kontaktfläche (10) zumindest eines der beiden artungleichen metallischen Fügepartner (3; 4) vor dem Verschweißen der beiden artungleichen metallischen Fügepartner (3; 4), – dann Zusammenführen der beiden artungleichen metallischen Fügepartner (3; 4), wobei diese an der mindestens einen Kontaktfläche (10) mittels des mindestens einen auf letzterer applizierten Klebstoffs (11) miteinander verpresst werden, und – anschließend Führen eines Energiestrahls (5) hoher Leistung mit hoher Bahngeschwindigkeit v_B über den ersten Fügepartner (3) mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner (3; 4), wobei der erste und der zweite Fügepartner (3; 4) miteinander verschweißt werden, indem eine Vielzahl punktueller Verschweißungen der beiden artungleichen metallischen Fügepartner (3; 4) in mindestens einem klebstofffreien Bereich (12) der Kontaktfläche (10) erzeugt wird, wobei jeweils der metallische erste Fügepartner (3) mit höherem Schmelzpunkt nur punktuell durchgeschmolzen wird, die Schmelze des metallischen ersten Fügepartners (3) mit höherem Schmelzpunkt tropfenartig in dem zweiten metallischen Fügepartner (4) eingebettet wird und dabei die Schmelzen der beiden metallischen Fügepartner (3; 4) nur zu einem geringen Anteil durchmischt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (11) auf die mindestens eine Kontaktfläche (10) zumindest des einen der beiden artungleichen metallischen Fügepartner (3; 4) derart appliziert wird, dass auf der mindestens einen Kontaktfläche (10) innerhalb eines Bereiches (15) mit appliziertem Klebstoff (11) eine Vielzahl klebstofffreier Bereiche (12), die jeweils eine thermische Fügezone bilden, in Schweißrichtung S in einem definierten Abstand d₁ zueinander und in Reihe angeordnet gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die klebstofffreien Bereiche (12), die jeweils eine thermische Fügezone bilden, auf der Kontaktfläche (10) eines metallischen Flanschteils (13) innerhalb des Bereiches (15) mit appliziertem Klebstoff (11) gebildet werden, der eine der Breite B des metallischen Flanschteils (13) entsprechende Breite aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (10) auf die Kontaktfläche (10) des metallischen ersten Fügepartners (3) mit höherem Schmelzpunkt wie eines Flanschteils (13) aus Stahl appliziert wird derart, dass sowohl mindestens jeweils zwei Bereiche (15) mit appliziertem Klebstoff (11), die in einem definierten Abstand d₂ zueinander und in Schweißrichtung S reihenmäßig angeordnet werden und zwischen denen jeweils ein im gleichen Abstand zu letzteren angeordneter und sich in Schweißrichtung S erstreckender klebstofffreier Bereich (12) vorgesehen wird, als auch zwei durchgängige Klebstoffstreifen (16) gebildet werden, die in Schweißrichtung S jeweils im gleichen Abstand zu einer der zugeordneten Längsseiten (17) der zwei Bereiche (15) mit appliziertem Klebstoff (11) verlaufen, wobei beim druckmäßigen Verpressen und Aushärten der Klebung der beiden artungleichen metallischen Flanschteile (13; 14) in deren Verbindungsbereich eine Schweißnahtabdichtung hergestellt wird, die einen verbesserten Korrosionsschutz der Schweißnaht der beiden artungleichen metallischen Flanschteile (13; 14) gewährleistet.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die mindestens jeweils zwei Bereiche (15) mit appliziertem Klebstoff (11) der Kontaktfläche (10) des metallischen Flanschteils (13) als auch die beiden durchgängigen Klebstoffstreifen (16) auf der Kontaktfläche (10) des metallischen Flanschteils (13) jeweils geometrisch und flächenmäßig identisch ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Applikation des Klebstoffs (11) auf die mindestens zwei mit Klebstoff zu versehenen Bereiche (15) der Kontaktfläche (10) des Flanschteils (13) zugleich mit der Applikation der auf der Kontaktfläche (10) des Flanschteils (13) zu erzeugenden beiden durchgängigen Klebstoffstreifen (16) mittels einer entsprechend dreifach unterteilten Düse erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Schicht des zu applizierenden Klebstoffs (11) gezielt eingestellt wird, indem dem zu applizierenden Klebstoff (11) Glaskugeln mit vorbestimmten Durchmesser beigemengt werden, die beim druckmäßigen Fügen der beiden artungleichen metallischen Fügepartner als Abstandshalter dienen, oder diese Abstandshalter auf mindestens einem der zu fügenden Blechteile aufgebracht werden, die beim Fügen der beiden artungleichen metallischen Fügepartner (3; 4) als Abstandshalter dienen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter, die auf mindestens einem der zu fügenden Blechteile aufgebracht werden, in Form von Noppen ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Noppen Lasernoppen vorgesehen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Klebstoff (11) kalt- und/oder warmhärtende Klebstoffe und Dichtklebstoffe und/oder ein- und/oder zweikomponentige Klebstoffe verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine mit dem Klebstoff (11) erzeugte Klebung der beiden zusammengepressten artungleichen metallischen Fügepartner (3; 4) im Bereich deren mindestens einer Kontaktfläche (10) mittels der Vielzahl der punktuellen Verschweißungen der beiden artungleichen metallischen Flanschteile (13; 14) in mindestens einem klebstofffreien Bereich (12) der Kontaktfläche (10) fixiert und anschließend der Klebstoff (11) der Klebung ausgehärtet werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden zusammengepressten artungleichen metallischen Fügepartner von Teilen (13; 14) eines St/Al-Flansches gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine mit Klebstoff (11) erzeugte Klebung der beiden zusammengepressten artungleichen metallischen Fügepartner (3; 4) von einer 1k wärmeaushärtenden Klebung gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushärtung des 1k-wärmeaushärtenden Klebstoffs (11) der 1k wärmeaushärtenden Klebung der beiden zusammengepressten artungleichen metallischen Flanschteile (13; 14) nach deren Fixieren miteinander innerhalb des mindestens einen klebstofffreien Bereiches und nach anschließendem KTL-Tauchbad letzterer in einem KTL-Trocknungsofen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die punktuelle Verschweißung der beiden artungleichen metallischen Fügepartner (3; 4) durch eine periodische Modulation der durch den Energiestrahl (5) auf dem ersten Fügepartner (3) mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner (3; 4) applizierten flächenbezogenen Energiedichte w erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Modulation der flächenbezogenen Energiedichte w durch eine periodische Bewegungssteuerung des Energiestrahls (5) zum Verschweißen der beiden artungleichen metallischen Fügepartner (3; 4) erfolgt, wobei auf dem ersten Fügepartner (3) mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner (3; 4) ein stetes Verändern der Bahngeschwindigkeit v_B des Energiestrahls (5) bei konstanter Leistung des letzteren erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Modulation der flächenbezogenen Energiedichte w erfolgt, indem eine periodische Veränderung der mittleren Leistungsdichte des Energiestrahls (5) auf dem ersten Fügepartner (3) mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner (3; 4) durch Variieren der Leistung des Energiestrahls (5) bei konstanter Bahngeschwindigkeit v_B des letzteren bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Modulation der flächenbezogenen Energiedichte w erfolgt, indem bei inkonstanter Bahngeschwindigkeit v_B des Energiestrahls (5) die mittlere Leistungsdichte des Energiestrahls (5) auf dem ersten Fügepartner (3) mit höherem Schmelzpunkt periodisch verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsablauf (6) des periodisch gesteuerten Energiestrahls (5) auf der Oberfläche des ersten Fügepartners (3) mit höherem Schmelzpunkt periodisch wellenförmig erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass an den Umkehrpunkten (8) des periodisch wellenförmigen Bewegungsablaufs (6) des Energiestrahls (5) erhöhte, zeitbegrenzte Wärmeeinträge erfolgen, die an den Umkehrpunkten (8) zu der punktuellen Verschweißung der beiden artungleichen metallischen Fügepartner (3; 4) führen.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die punktuellen Verschweißungen zwischen dem ersten und zweiten Fügepartner (3; 4) erzeugt werden, indem die Optik (1) eines CW-Faserlasers in eine Richtung x mit einer einstellbaren konstanten Vorschubgeschwindigkeit v bewegt wird, während die Optik (1) des CW-Faserlasers gleichzeitig in eine Richtung y oszillierend transversal zur Schweißrichtung gependelt wird, wobei sich nach dem Superpositionsprinzip eine zweidimensionale Bewegungsüberlagerung in y- und x-Richtung einstellt, die resultierend eine periodisch oszillierende transversale Schwingungsgeometrie auf der Oberfläche des ersten Fügepartners (3) mit höherem Schmelzpunkt in Schweißrichtung abbildet, in den Umkehrpunkten (8) der oszillierenden Bewegungen der Energiedichteeintrag sich damit erhöht und durch das damit verbundene Durchschmelzen des ersten Fügepartners (3) mit höherem Schmelzpunkt die punktuellen Verschweißungen der beiden artungleichen Fügepartner (3; 4) gebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Fügepartner (3; 4) aus Stahl einerseits und Aluminiumlegierung andererseits gewählt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiestrahl (5) ein Laserstrahl verwendet wird.