DE102016212622A1 - Method for joining components - Google Patents
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Abstract
Um bei einem Verfahren zum Fügen von Bauteilen die Lokalelementbildung, insbesondere die Korrosion, zu verringern oder zu vermeiden und um eine dauerhafte Fügeverbindung zwischen zwei Bauteilen aus beispielsweise Stahl und Aluminium bereitzustellen, welche nicht aufgrund der Eigenschaften eines Schweißzusatzwerkstoffes, wie beispielsweise eine Oxidationsempfindlichkeit oder eine Neigung zur Nachkristallisation, geschwächt wird, wird ein Verfahren zum Fügen von Bauteilen vorgeschlagen, wobei ein erstes Bauteil (10) und ein zweites Bauteil (12) bereitgestellt werden, wobei eine erste Fügefläche (11) des ersten Bauteils (10) und/oder eine zweite Fügefläche (13) des zweiten Bauteils (12) mit einem Oberflächenbearbeitungsverfahren strukturiert wird, wobei die erste Fügefläche (11) der zweiten Fügefläche (13) gegenüberliegend angeordnet wird, wobei eine Kunststofffolie (20) zwischen der ersten Fügefläche (11) und der zweiten Fügefläche (13) angeordnet wird, wobei die zwei Bauteile (10, 12) durch Einbringung von Wärme (W) in die Kunststofffolie (20), so dass die Kunststofffolie (20) aufschmilzt, miteinander verschweißt werden, und wobei die Kunststofffolie (20) einen thermoplastischen Kunststoff mit einer Glastemperatur von über 0°C umfasst.In order to reduce or avoid local element formation, particularly corrosion, in a method for joining components, and to provide a permanent joint between two structural members of, for example, steel and aluminum, which is not due to the properties of a filler metal such as oxidation sensitivity or tilt is weakened for recrystallization, a method for joining components is proposed, wherein a first component (10) and a second component (12) are provided, wherein a first joining surface (11) of the first component (10) and / or a second Joining surface (13) of the second component (12) is structured by a surface treatment method, wherein the first joining surface (11) of the second joining surface (13) is arranged opposite, wherein a plastic film (20) between the first joining surface (11) and the second joining surface (13) is arranged, the two Components (10, 12) by introducing heat (W) in the plastic film (20) so that the plastic film (20) melts, are welded together, and wherein the plastic film (20) is a thermoplastic material having a glass transition temperature above 0 ° C includes.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Bauteilen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The invention relates to a method for joining components according to the preamble of patent claim 1.
In vielen technischen Fachbereichen, insbesondere im Fahrzeugbau beziehungsweise im Karosseriebau, müssen Werkstoffe gefügt werden, welche aufgrund ihrer stark divergierenden physikalischen Eigenschaften nur sehr bedingt schweißtechnisch verbunden werden können. So sind zum Beispiel Aluminium und Stahl nur schwer miteinander zu verschweißen. Bei dem Stahlwerkstoff 22MnB5 kommt erschwerend hinzu, dass dieser im Rahmen des Korrosionsschutzes mit einer Aluminium-Silizium-Schicht (AlSi) versehen wird. Die endgültigen mechanischen Eigenschaften des Stahls werden durch den Prozess des Presshärtens eingestellt. Während dieses Prozesses wird auch die Beschaffenheit der AlSi-Schicht beeinflusst. Diese ändert während des Presshärtens ihre Farbe von silbrig glänzend auf ein mattes dunkelgrau. In diesem Zustand ist die Schicht sehr porös und spröde und trägt zu einer weiteren Beeinträchtigung der Schweißeignung bei. Dabei besteht die Gefahr des Abreißens der Aluminium-Silizium-Schicht.In many technical disciplines, in particular in vehicle construction or in body construction, materials must be joined which, due to their highly divergent physical properties, can only be connected with welding technology to a very limited extent. For example, aluminum and steel are difficult to weld together. The steel material 22MnB5 is made even more difficult by the fact that it is provided with an aluminum-silicon layer (AlSi) as part of the corrosion protection. The final mechanical properties of the steel are adjusted by the process of press hardening. During this process, the nature of the AlSi layer is also affected. This changes its color from silvery shiny to a matt dark gray during press hardening. In this state, the layer is very porous and brittle and contributes to a further impairment of the weldability. There is a risk of tearing off the aluminum-silicon layer.
Neben der Eigenschaft der Aluminium-Silizium-Schicht, auf pressgehärtetem 22MnB5 porös und spröde zu werden und somit zu einer Verschlechterung der Schweißeignung beizutragen, erschweren auch die unterschiedlichen Schmelztemperaturen zwischen Aluminium (660°C) und Stahl (mehr als 1.500°C) eine Verbindung dieser Werkstoffe durch thermische Fügeverfahren. Auch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Aluminium und Stahl erschweren die dauerhafte Stabilität einer Fügestelle zwischen diesen Materialien, insbesondere bei thermischer Beanspruchung. Als Folge dieser Eigenschaften können belastbare Fügeverbindungen zwischen Blechen aus diesen Werkstoffen nicht erzeugt werden. In addition to the property of the aluminum-silicon layer to become porous and brittle on press-hardened 22MnB5, thus contributing to a deterioration in weldability, the different melting temperatures between aluminum (660 ° C.) and steel (more than 1,500 ° C.) also make a compound difficult of these materials by thermal joining processes. Also, the different thermal expansion coefficients of aluminum and steel complicate the permanent stability of a joint between these materials, especially under thermal stress. As a result of these properties, resilient joining joints between sheets of these materials can not be produced.
Das Widerstandselementschweißen bietet die Möglichkeit, Aluminium und Stahl über ein Fügezusatzelement miteinander zu verbinden. Resistance element welding offers the possibility of connecting aluminum and steel via a joining attachment element.
In der
Aus der
Bei der Verwendung von Metallfolien als Fügezusatzelement beim Widerstandselementschweißen besteht die Gefahr der Bildung von spröden, intermetallischen Phasen zwischen dem Fügezusatzelement und dem Aluminiumblech. Außerdem kommt es bei einer metallischen Zwischenschicht zu einer Lokalelementbildung in Form von Korrosion. When using metal foils as joining additive element in resistance element welding, there is a danger of the formation of brittle, intermetallic phases between the joining additive element and the aluminum sheet. In addition, it comes in a metallic intermediate layer to a local element formation in the form of corrosion.
Polypropylen ist oxidationsempfindlich und neigt zur Nachkristallisation, wodurch sich ein aus Polypropylen gefertigter Schweißzusatzwerkstoff bzw. ein Fügezusatzelement aus Polypropylen nachträglich verziehen kann. Ein derartiges Verziehen der Polypropylenschicht schwächt die Fügeverbindung. Polypropylene is susceptible to oxidation and tends to recrystallize, as a result of which a filler material made of polypropylene or a joining additive made of polypropylene can be forgiven later. Such distortion of the polypropylene layer weakens the joint connection.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren zum Fügen von Bauteilen der eingangs genannten Art die Lokalelementbildung, insbesondere die Korrosion, zu verringern oder zu vermeiden und eine dauerhafte Fügeverbindung zwischen zwei Bauteilen aus beispielsweise Stahl und Aluminium bereitzustellen, welche nicht aufgrund der Eigenschaften eines Schweißzusatzwerkstoffes, wie beispielsweise eine Oxidationsempfindlichkeit oder eine Neigung zur Nachkristallisation, geschwächt wird.The invention has for its object to reduce in a method for joining components of the type mentioned the local element formation, especially corrosion, or to avoid and to provide a permanent joint connection between two components of, for example, steel and aluminum, which is not due to the properties of a Welding additive, such as an oxidation sensitivity or a tendency to post-crystallization, is weakened.
Diese Aufgabe wird durch die Bereitstellung eines Verfahrens zum Fügen von Bauteilen, wobei ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil bereitgestellt werden, wobei eine erste Fügefläche des ersten Bauteils und/oder eine zweite Fügefläche des zweiten Bauteils mit einem Oberflächenbearbeitungsverfahren strukturiert wird, wobei die erste Fügefläche der zweiten Fügefläche gegenüberliegend angeordnet wird, wobei eine Kunststofffolie zwischen der ersten Fügefläche und der zweiten Fügefläche angeordnet wird, wobei die zwei Bauteile durch Einbringung von Wärme in die Kunststofffolie, so dass die Kunststofffolie aufschmilzt, miteinander verschweißt werden, gelöst, wobei die Kunststofffolie einen thermoplastischen Kunststoff mit einer Glastemperatur von über 0°C umfasst. This object is achieved by providing a method for joining components, wherein a first component and a second component are provided, wherein a first joining surface of the first component and / or a second joining surface of the second component is structured with a surface treatment method, wherein the first joining surface the second joining surface is arranged opposite, wherein a plastic film between the first joining surface and the second joining surface is arranged, wherein the two components are welded together by introducing heat into the plastic film, so that the plastic film melts together, dissolved, wherein the plastic film is a thermoplastic Plastic with a glass transition temperature of over 0 ° C includes.
Die Glastemperatur ist die Erweichungstemperatur einer amorphen Polymermatrix eines Polymers. Die Glastemperatur ist daher nicht die Schmelztemperatur einer kristallinen Phase eines Polymers. Zwar hat jedes Polymer eine Glastemperatur, aber nicht alle Polymere weisen eine Schmelztemperatur auf. Die Glastemperatur von Polypropylen (PP) liegt bei ca. minus 30°C. The glass transition temperature is the softening temperature of an amorphous polymer matrix of a polymer. The glass transition temperature is therefore not the melting temperature of a crystalline phase of a polymer. Although each polymer has a glass transition temperature, not all polymers have a melting temperature. The glass transition temperature of polypropylene (PP) is about minus 30 ° C.
Die erste Fügefläche des ersten Bauteils und/oder die zweite Fügefläche des zweiten Bauteils, welche Teile oder Abschnitte der Oberflächen der zu fügenden Bauteile darstellen, werden mit einem geeigneten Verfahren, wie zum Beispiel Sandstrahlen, Saugstrahlen oder Laserstrukturierung, bevorzugt mit einer möglichst rauen Struktur versehen. Mittels des Oberflächenbearbeitungsverfahrens können zudem vorteilhafterweise Oberflächenzustände, wie beispielsweise Oxidschichten oder poröse Beschichtungen, die eine gute Verbindung behindern würden, abgetragen werden.The first joining surface of the first component and / or the second joining surface of the second component, which represent parts or portions of the surfaces of the components to be joined, are provided with a structure as rough as possible by a suitable method, such as sand blasting, suction blasting or laser structuring , By means of the surface processing method can also advantageously surface states, such as oxide layers or porous coatings, which would hinder a good connection, are removed.
Das erste Bauteil, welches beispielsweise ein Unterblech sein kann, wird bevorzugt so positioniert, dass sich die strukturierte erste Fügefläche an dessen Oberseite befindet. Das zweite Bauteil, beispielsweise ein Oberblech, wird bevorzugt so positioniert, dass sich die strukturierte Fügefläche an dessen Unterseite befindet. Eine Kunststofffolie, welche einen thermoplastischen Kunststoff umfasst oder aus einem thermoplastischen Kunststoff besteht, wird zwischen der ersten Fügefläche und der zweiten Fügefläche angeordnet, sodass die strukturierten Fügeflächen genau aufeinander liegen und nur durch die Kunststofffolie getrennt werden. Durch Einbringung von Wärme in die zu fügenden Bauteile, was beispielsweise mechanisch durch Rührreibschweißen oder durch konduktive oder induktive Verfahren geschehen kann, und aufgrund der Wärmeleitfähigkeit der Bauteile, beispielsweise der Metalle wie Stahl oder Aluminium, wird die Kunststofffolie erwärmt und aufgeschmolzen. Der aufgeschmolzene Kunststoff kann dann vorteilhafterweise in die Strukturierung der strukturierten ersten Fügefläche und/oder der strukturierten zweiten Fügefläche, also in die Oberflächenstrukturen der Fügeflächen der Bauteile, fließen. Bei Abkühlung härtet der Kunststoff der Kunststofffolie wieder aus und sorgt für eine Verbindung zwischen den Bauteilen bzw. Blechen. Der Kunststoff kann dabei bevorzugt in Hinterschneidungen in der Oberflächenstruktur der ersten Fügefläche beziehungsweise der zweiten Fügefläche hineinfließen. The first component, which may be, for example, a lower plate, is preferably positioned so that the structured first joining surface is located at its upper side. The second component, for example a top sheet, is preferably positioned so that the structured joining surface is located on its underside. A plastic film, which comprises a thermoplastic material or consists of a thermoplastic material, is arranged between the first joining surface and the second joining surface, so that the structured joining surfaces lie exactly on one another and are separated only by the plastic film. By introducing heat into the components to be joined, which can be done mechanically by friction stir welding or by conductive or inductive methods, for example, and due to the thermal conductivity of the components, such as metals such as steel or aluminum, the plastic film is heated and melted. The molten plastic can then advantageously flow into the structuring of the structured first joining surface and / or the structured second joining surface, that is to say into the surface structures of the joining surfaces of the components. Upon cooling, the plastic of the plastic film hardens again and ensures a connection between the components or sheets. The plastic can preferably flow into undercuts in the surface structure of the first joining surface or the second joining surface.
Durch die Verwendung eines thermoplastischen Kunststoff mit einer Glastemperatur von über 0°C wird zum einen eine Lokalelementbildung, wie Korrosion, vermieden, zum anderen weisen thermoplastische Kunststoffe mit einer Glastemperatur von über 0°C eine verringerte Oxidationsempfindlichkeit und eine geringere Neigung zur Nachkristallisation und damit zu einem Verziehen auf. The use of a thermoplastic material having a glass transition temperature above 0 ° C, on the one hand, a local element formation, such as corrosion, avoided, on the other hand have thermoplastic resins with a glass transition temperature above 0 ° C a reduced sensitivity to oxidation and a lower tendency to post-crystallization and thus a warp on.
Das Verfahren bietet den Vorteil, dass eine Fügeverbindung von unterschiedlichsten Werkstoffen möglich ist, insbesondere solange deren Wärmeleitfähigkeit ein Aufschmelzen des Kunststoffes zulässt. Die Eigenschaften der Fügeverbindung lassen sich durch Parameter wie beispielsweise den verwendeten Kunststoff oder die Art der Strukturierung beeinflussen. Die Verbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil wird mit Vorteil über die Kunststofffolie hergestellt, die Schweißneigung der zu fügenden Werkstoffe der Bauteile hat keinen Einfluss. Zudem können auch hochfeste Werkstoffe mit dem Verfahren vorteilhaft gefügt werden. Das Verfahren ist mit weiterem Vorteil insbesondere zur Anwendung im Mischbau geeignet. Die benötigten Temperaturen zum Aufschmelzen des Kunststoffes sind, abhängig vom Anwendungsfall, in vorteilhafter Weise sehr niedrig. Dies fördert die Ressourceneffizienz. The method has the advantage that a joint connection of different materials is possible, especially as long as their thermal conductivity allows melting of the plastic. The properties of the joint connection can be influenced by parameters such as the plastic used or the type of structuring. The connection between the first component and the second component is advantageously produced via the plastic film, the sweat tendency of the materials to be joined of the components has no influence. In addition, high-strength materials can be joined advantageously with the method. The method is with further advantage particularly suitable for use in mixed construction. The required temperatures for melting the plastic are, depending on the application, advantageously very low. This promotes resource efficiency.
Je nach der Art der Wärmeeinbringung in die Kunststofffolie ist das Verfahren auch bei einseitiger Zugänglichkeit der Fügestelle anwendbar. Es entstehen zudem vorteilhafterweise keine schädlichen Emissionen wie Rauch, Strahlung oder Lärm. Mit besonderem Vorteil wird ein verbesserter Korrosionsschutz bzw. ein günstigeres Korrosionsverhalten bereitgestellt, da unterschiedliche Metalle durch die Kunststofffolie elektrochemisch voneinander isoliert werden. Zudem ist vorteilhafterweise die geschaffene Fügestelle bzw. Fügeverbindung sehr gut auf Zug belastbar. Je nach Ausgestaltung des Verfahrens ist die geschaffene Fügestellung auch auf Schälung belastbar oder aber auf Schälung nicht besonders gut belastbar. Depending on the type of heat input into the plastic film, the method is also applicable to one-sided accessibility of the joint. In addition, there are advantageously no harmful emissions such as smoke, radiation or noise. With particular advantage, an improved corrosion protection or a more favorable corrosion behavior is provided, since different metals are electrochemically isolated from one another by the plastic film. In addition, advantageously, the created joint or joint connection is very well loaded on train. Depending on the embodiment of the method, the created joining position can also be loaded on peeling or can not be loaded particularly well on peeling.
Mittels des Verfahrens zum Fügen von Bauteilen können mit besonderem Vorteil schmale Flansche gefügt werden. Das Verfahren ist darüber hinaus vorteilhafterweise besonders flexibel, da die in die Kunststoff einzubringende Wärme über verschiedene Verfahren eingebracht werden kann. By means of the method for joining components, narrow flanges can be added with particular advantage. Moreover, the method is advantageously particularly flexible, since the heat to be introduced into the plastic can be introduced by various methods.
Ein Fügen von Werkstoffpaarungen ist vorteilhafterweise unabhängig von deren Verschweißbarkeit möglich, da die Werkstoffe nicht direkt miteinander in Kontakt kommen. Die Fügeverbindung kommt durch das Aufschmelzen der zwischen den zu fügenden Bauteilen, beispielsweise zwischen den zu fügenden Blechen, angeordneten Kunststofffolie zustande. A joining of material pairings is advantageously possible regardless of their weldability, since the materials do not come into direct contact with each other. The joint connection is achieved by the melting of the plastic film arranged between the components to be joined, for example, between the sheets to be joined.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass die Fügestelle für die zu schaffende Fügeverbindung bei entsprechendem Gegendruck einseitig zugänglich ist. Dies ist vorteilhaft insbesondere im Hinblick darauf, dass nur ein relativ kleiner apparativer Aufwand betrieben werden muss und im Gegensatz zum aus dem Stand der Technik bekannten Laserschweißen das Fügeverfahren auch für schwer zugängliche Fügestellen genutzt werden kann, insbesondere im Fahrzeugbau beziehungsweise im Karosseriebau. Another advantage of the method is that the joint is unilaterally accessible for the joint connection to be created with appropriate back pressure. This is advantageous in particular in view of the fact that only a relatively small expenditure on equipment must be operated and in contrast to the known from the prior art laser welding, the joining method can also be used for hard to reach joints, especially in vehicle or body construction.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der thermoplastische Kunststoff eine Glastemperatur von über 40°C, weiter bevorzugt von über 90°C, aufweist. It can preferably be provided that the thermoplastic material has a glass transition temperature of more than 40 ° C., more preferably of more than 90 ° C.
Durch die Verwendung vom thermoplastischen Kunststoff mit einer Glastemperatur von über 40°C beziehungsweise von über 90°C wird die geschaffene Fügeverbindung zwischen den Bauteilen vorteilhafterweise noch oxidationsunempfindlicher und es treten noch weniger Nachkristallisationsprozesse auf. By using the thermoplastic material having a glass transition temperature of more than 40 ° C. or more than 90 ° C., the joining joint created between the components is advantageously still less susceptible to oxidation and even fewer post-crystallization processes occur.
Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass der thermoplastische Kunststoff kein olefinischer Kunststoff, insbesondere kein Polypropylen ist. Furthermore, it is preferably provided that the thermoplastic material is not an olefinic plastic, in particular no polypropylene.
Olefinische Thermoplaste sind alle Polymere, deren Monomere nur aus einfachen Kohlenwasserstoffen mit Doppelbindungen bestehen. Zu den olefinischen Polymeren gehören beispielsweise Polypropylen und Polyethylen. Olefinic thermoplastics are all polymers whose monomers consist only of simple hydrocarbons with double bonds. The olefinic polymers include, for example, polypropylene and polyethylene.
Polypropylen mit einer Glastemperatur von minus 30°C weist eine hohe Oxidationsempfindlichkeit und eine hohe Neigung zur Nachkristallisation und damit zum Verziehen auf, was sich nachteilig auf die geschaffene Fügeverbindung auswirkt. Durch Ausschluss des Kunststoffes Polypropylen für das Verfahren kann vorteilhafterweise eine hohe Oxidationsunempfindlichkeit und eine geringe Nachkristallisationsneigung gewährleistet werden. Durch die Verwendung der nicht-olefinischen Thermoplaste wird somit eine besonders oxidationsunempfindliche und nur gering zur Nachkristallisation neigende Fügeverbindung erhalten. Polypropylene with a glass transition temperature of minus 30 ° C has a high sensitivity to oxidation and a high tendency for post-crystallization and thus warping, which adversely affects the created joint compound. By excluding the plastic polypropylene for the process can advantageously be ensured a high oxidation insensitivity and a low Nachkristallisationsneigung. By the use of non-olefinic thermoplastics thus a particularly oxidation insensitive and only slightly prone to Nachkristallisation joining compound is obtained.
Weiter kann bevorzugt vorgesehen sein, dass der thermoplastische Kunststoff ein amorpher thermoplastischer Kunststoff, insbesondere Polystyrol oder Polymethylmethacrylat oder Polyetherimid oder Polycarbonat oder amorphes Polyphenylensulfid oder amorphes Polyetheretherketon ist. Furthermore, it can preferably be provided that the thermoplastic is an amorphous thermoplastic, in particular polystyrene or polymethyl methacrylate or polyether imide or polycarbonate or amorphous polyphenylene sulfide or amorphous polyether ether ketone.
Versuche der Anmelderin haben gezeigt, dass amorphe thermoplastische Kunststoffe besonders für das Verfahren zum Fügen von Bauteilen geeignet sind und gute Ergebnisse in Bezug auf die Haftung erzielt werden können. Insbesondere amorphes Polyphenylensulfid, Polyetherimid und Polyetheretherketon sind besonders geeignet für das Verfahren zum Fügen von Bauteilen. Applicant's experiments have shown that amorphous thermoplastics are particularly suitable for the method of joining components and that good adhesion results can be achieved. In particular, amorphous polyphenylene sulfide, polyetherimide and polyetheretherketone are particularly suitable for the method of joining components.
Weitere bevorzugt geeignete thermoplastische Kunststoffe für die Kunststofffolie sind Polyethylenterephthalat oder Polyolefine beziehungsweise sonstige weniger oxidationsempfindliche und wenig hygroskopische Kunststoffe. Further preferred suitable thermoplastics for the plastic film are polyethylene terephthalate or polyolefins or other less oxidation-sensitive and less hygroscopic plastics.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Kunststofffolie einen thermoplastischen Kunststoff aufweist oder aus einem thermoplastischen Kunststoff besteht, welcher zwischen 40°C und 350°C, bevorzugt zwischen 100°C und 250°C, besonders bevorzugt zwischen 150°C und 200°C, erweicht beziehungsweise aufschmilzt und/oder welcher bei Raumtemperaturen nicht klebrig ist.It may preferably be provided that the plastic film comprises a thermoplastic or consists of a thermoplastic material which is between 40 ° C and 350 ° C, preferably between 100 ° C and 250 ° C, more preferably between 150 ° C and 200 ° C, softens or melts and / or which is not sticky at room temperatures.
Ferner kann bevorzugt vorgesehen sein, dass der thermoplastische Kunststoff wenig oxidationsempfindlich und/oder wenig hygroskopisch und/oder möglichst amorph und/oder möglichst kristallisationsgehindert ist. Furthermore, it can preferably be provided that the thermoplastic material is not very sensitive to oxidation and / or has little hygroscopicity and / or is as amorphous and / or crystallization-inhibited as possible.
Amorphe Kunststoffe schrumpfen vorteilhaft im Vergleich zu teilkristallinen Kunststoffen nur wenig, sodass ein bei dem Verfahren verwendeter amorpher Kunststoff zu besonders geringer Nachkristallisation und somit zu besonders geringem Verzug neigt. Amorphous plastics shrink advantageously only slightly compared to semicrystalline plastics, so that an amorphous plastic used in the process tends to particularly low post-crystallization and thus to a particularly low distortion.
Ferner kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Dicke der Kunststofffolie zwischen 10 μm bis 1 mm, besonders bevorzugt zwischen 50 μm und 200 μm, insbesondere bevorzugt zwischen 100μm und 150μm, beträgt. Furthermore, it can preferably be provided that the thickness of the plastic film is between 10 μm to 1 mm, more preferably between 50 μm and 200 μm, particularly preferably between 100 μm and 150 μm.
Weiter bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Einbringung von Wärme in die Kunsstofffolie durch ein mechanisches Verfahren, bevorzugt durch ein Rührreibschweißverfahren, und/oder durch ein Verfahren unter Verwendung beheizter Walzen, und/oder durch ein induktives Verfahren, und/oder durch ein konduktives Verfahren, und/oder durch ein elektromagnetisches Verfahren, bevorzugt durch ein Laserverfahren, erfolgt.Further preferably, it can be provided that the introduction of heat into the plastic film by a mechanical method, preferably by a friction stir welding method, and / or by a method using heated rollers, and / or by an inductive method, and / or by a conductive method , and / or by an electromagnetic method, preferably by a laser method takes place.
Mit besonderem Vorteil kann die Einbringung der Wärme durch ein Rührreibschweißverfahren erfolgen, bei dem sich der Wärmeeintrag in die Kunststofffolie einfach über die Rotation, den Vorschub und die Anpresskraft einer verwendeten Rührreibschweißvorrichtung an das erste und/oder das zweite Bauteil und/oder die Kunststofffolie gut steuern lässt. With particular advantage, the heat can be introduced by a friction stir welding process in which the heat input into the plastic film is easily controlled easily via the rotation, the feed and the contact force of a friction stir welding device used on the first and / or the second component and / or the plastic film leaves.
Ein Rührreibschweißverfahren zur Einbringung von Wärme in die Kunststofffolie ist daher besonders flexibel. Bei Verwendung eines Laserverfahrens, welches ein elektromagnetisches Verfahren darstellt, lässt sich der Wärmeeintrag über die Einwirkdauer des Lasers auf das erste Bauteil und/oder das zweite Bauteil und/oder die Kunststofffolie regeln. Dabei hat ein Laser eine vorgegebene Wellenlänge. A friction stir welding process for introducing heat into the plastic film is therefore particularly flexible. When using a laser method, which represents an electromagnetic method, the heat input can be regulated over the duration of the action of the laser on the first component and / or the second component and / or the plastic film. In this case, a laser has a predetermined wavelength.
Wird in vorteilhafter Weise die Einbringung von Wärme in die Kunststofffolie mit einem Verfahren unter Verwendung beheizter Walzen durchgeführt, so lassen sich aufgrund des geringen Raumbedarfs der hierfür geeigneten, bevorzugt schmalen, Walzen insbesondere schmale Flasche fügen, beziehungsweise es lassen sich Fügeverbindungen an schwer zugänglichen Orten, insbesondere bei Fahrzeugen oder Karosserien, herstellen. If the introduction of heat into the plastic film is advantageously carried out using a method using heated rollers, the narrow space required for the narrow, preferably narrow, rollers can be used, in particular, or joint joints can be made in hard-to-reach locations. especially in vehicles or bodies.
Ferner kann bevorzugt vorgesehen sein, dass das erste Bauteil und/oder das zweite Bauteil einen Stahlwerkstoff, insbesondere 22MnB5-Stahl, und/oder Titan und/oder Magnesium und/oder Kupfer und/oder einen Aluminiumwerkstoff, bevorzugt Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, insbesondere AA6016 und/oder AA7021 und/oder AA5182, umfassen, wobei bevorzugt das erste Bauteil und/oder das zweite Bauteil eine Oberflächenschicht, insbesondere eine Aluminium-Silizium-Oberflächenschicht, aufweist.Furthermore, it can preferably be provided that the first component and / or the second component is a steel material, in particular 22MnB5 steel, and / or titanium and / or magnesium and / or copper and / or an aluminum material, preferably aluminum or an aluminum alloy, in particular AA6016 and / or AA7021 and / or AA5182, wherein preferably the first component and / or the second component comprises a surface layer, in particular an aluminum-silicon surface layer.
Der Werkstoff 22MnB5 weist im Rahmen des Korrosionsschutzes eine Aluminium-Silizium-Schicht (AlSi) auf. Bei bekannten Schweißverfahren besteht aufgrund der AlSi-Schicht die Gefahr des Abreißens der Fügestelle. Mit besonderem Vorteil wird bei dem Verfahren zum Fügen von Bauteilen auch das Fügen von 22MnB5-Stahl möglich. Das erste und/oder das zweite Bauteil kann mit besonderem Vorteil Titan und/oder Magnesium und/oder Kupfer und/oder einen Aluminiumwerkstoff, bevorzugt Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, umfassen oder aus diesen bestehen. Somit sind sowohl Fügeverbindungen zwischen einem ersten und einem zweiten Bauteil aus dem gleichen Material als auch Fügestellen zwischen einem ersten und einem zweiten Bauteil aus jeweils unterschiedlichen Materialien in unterschiedlichen Materialpaarungen möglich. The material 22MnB5 has an aluminum-silicon-layer (AlSi) as part of the corrosion protection. In known welding processes due to the AlSi layer, the risk of tearing off the joint. In the method for joining components, the joining of 22MnB5 steel is also possible with particular advantage. The first and / or the second component may with particular advantage comprise or consist of titanium and / or magnesium and / or copper and / or an aluminum material, preferably aluminum or an aluminum alloy. Thus, both joint connections between a first and a second component made of the same material as well as joints between a first and a second component from respectively different materials in different material pairings are possible.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das erste Bauteil aus Stahl, insbesondere 22MnB5-Stahl, besteht und dass das zweite Bauteil aus Aluminium besteht. Das erste Bauteil aus 22MnB5-Stahl weist insbesondere eine Oberflächenschicht, bevorzugt eine Aluminium-Silizium-Oberflächenschicht, auf. It is particularly preferably provided that the first component consists of steel, in particular 22MnB5 steel, and that the second component consists of aluminum. The first component of 22MnB5 steel has, in particular, a surface layer, preferably an aluminum-silicon surface layer.
Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass das Oberflächenbearbeitungsverfahren ein Sandstrahlverfahren und/oder ein Saugstrahlverfahren und/oder ein Laserverfahren ist, wobei bevorzugt die Strukturierung der ersten Fügefläche und/oder der zweiten Fügefläche ein Aufrauen der ersten Fügefläche und/oder der zweiten Fügefläche umfasst, wobei besonders bevorzugt die erste Fügefläche und/oder die zweite Fügefläche eine Oberflächenschicht, insbesondere eine Aluminium-Silizium-Oberflächenschicht, aufweist, welche durch das Oberflächenbearbeitungsverfahren zumindest teilweise abgetragen wird.It is further preferred that the surface treatment method is a sandblasting method and / or an ejector method and / or a laser method, the patterning of the first joining face and / or the second joining face preferably comprising roughening the first joining face and / or the second joining face Preferably, the first joining surface and / or the second joining surface has a surface layer, in particular an aluminum-silicon surface layer, which is at least partially removed by the surface processing method.
Durch das vorteilhafte Aufrauen der ersten Fügefläche und/oder der zweiten Fügefläche entstehen bevorzugt hinterschnittartige Strukturen, insbesondere in Form von Vertiefungen, Hubbeln, Rillen, Wellen oder Riefen, auf der ersten Fügefläche des ersten Bauteils und/oder auf der zweiten Fügefläche des zweiten Bauteils. Weist das erste und/oder zweite Bauteil eine Oberflächenschicht, insbesondere eine Aluminium-Silizium-Oberflächenschicht, auf, so wird diese vorteilhafterweise abgetragen, sodass die Oberflächenschicht eine gute Verbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil nicht mehr verhindert. Ferner können die erste Fügefläche und/oder die zweite Fügefläche eine Oberflächenschicht in Form einer Oxidschicht oder einer porösen Beschichtung aufweisen. Vorteilhafterweise werden diese Oberflächenschichten abgetragen und somit eine bessere Fügeverbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil ermöglicht. Mit anderen Worten werden hinderliche Oberflächenzustände der Fügefläche (zum Beispiel AlSi-Schutzschichten) während der Vorbehandlung entfernt. Durch die Wärmeleitung des Metalls wird die Kunststofffolie erwärmt und aufgeschmolzen. Der aufgeschmolzene Kunststoff kann in die Oberflächenstrukturen der Bleche oder Bauteile fließen. Bei Abkühlung härtet der Kunststoff wieder aus und sorgt durch die Wechselwirkung mit den hinterschnittartigen Strukturen, wie Riefen, Rillen, Vertiefungen oder Hubbel, für eine Verbindung zwischen den Blechen bzw. Bauteilen. Diese Verbindung ist insbesondere auf Zug beanspruchbar. The advantageous roughening of the first joining surface and / or the second joining surface preferably produces undercut-like structures, in particular in the form of indentations, bumps, grooves, undulations or grooves, on the first joining surface of the first component and / or on the second joining surface of the second component. If the first and / or second component has a surface layer, in particular an aluminum-silicon surface layer, this is advantageously removed, so that the surface layer no longer prevents a good connection between the first component and the second component. Furthermore, the first joining surface and / or the second joining surface may have a surface layer in the form of an oxide layer or a porous coating. Advantageously, these surface layers are removed, thus enabling a better joint connection between the first component and the second component. In other words, hindering surface states of the joining surface (for example AlSi protective layers) are removed during the pretreatment. Due to the heat conduction of the metal, the plastic film is heated and melted. The molten plastic can flow into the surface structures of the sheets or components. Upon cooling, the plastic hardens again and provides through the interaction with the undercut-like structures, such as grooves, grooves, depressions or Hubbel, for a connection between the sheets or components. This compound is particularly claimable on train.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass durch das Oberflächenbearbeitungsverfahren Hinterschneidungen und/oder Hohlräume in die ersten Fügefläche und/oder in der zweiten Fügefläche eingebracht werden, wobei die Hinterschneidungen bevorzugt einen Formschluss parallel und/oder senkrecht zur Ebene der ersten Fügefläche und/oder der zweiten Fügefläche ermöglichen. In a further preferred embodiment it can be provided that undercuts and / or cavities are introduced into the first joining surface and / or in the second joining surface by the surface treatment method, wherein the undercuts preferably a form fit parallel and / or perpendicular to the plane of the first joining surface and / or allow the second joining surface.
Die Hinterschneidungen in der erste Fügefläche und/oder der zweiten Fügefläche können dabei vorteilhafterweise in Form von Rillen, Riefen, Hubbeln, Vertiefungen oder ähnlichem ausgebildet sein und stellen insbesondere eine raue Oberfläche der ersten Fügefläche beziehungsweise der zweiten Fügefläche dar. Ferner können die Hinterschneidungen oder die Hohlräume in einer Querschnittsansicht des ersten Bauteils und/oder zweiten Bauteils ausgehend von der Oberfläche der Fügefläche in das Bauteil hineinragend in Form von Schwalbenschwanzhinterschneidungen oder als sich in das Bauteil hinein erweiternde Trichter ausgebildet sein. Sind die Hinterschneidungen in Form von Rillen, Riefen, Vertiefungen oder Hubbeln ausgebildet, so ermöglichen sie bevorzugt einen Formschluss parallel zur Ebene, bzw. der Berührebene, der ersten und der zweiten Fügefläche. Mit anderen Worten fließt der ausgeschmolzene Kunststoff der Kunststofffolie in die als Hinterschneidungen ausgebildeten Oberflächenstrukturen des ersten Bauteils und/oder des zweiten Bauteils und zwar derart, dass ein Formschluss in der Ebene, welche die Berührungsebene zwischen erster Fügefläche und zweiter Fügefläche darstellt, entsteht, sodass sich eine besondere Zugstabilität zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil in der Ebene der Berührfläche beziehungsweise der Ebene der Fügeflächen ergibt. Sind die Hinterschneidungen und/oder Hohlräume derart in die erste und/oder zweite Fügefläche eingefügt, sodass diese sich insbesondere in das erste und/oder zweite Bauteil ausgehend von der ersten und/oder zweiten Fügefläche hinein erweitern, beispielsweise in Form eines Schwalbenschwanzes und/oder eines sich erweiternden Kegels oder Trichters, so fließt der aufgeschmolzene Kunststoff in die derart ausgebildete Hinterschneidungen oder Hohlräume ein, wodurch ein Formschluss zwischen der Kunststofffolie und der ersten und/oder der zweiten Fügefläche in senkrechter Richtung zu der Berührebene beziehungsweise der Ebene der ersten und/oder der zweiten Fügefläche hergestellt wird. Durch eine derartige Ausgestaltung wird neben einer besonderen Zugstabilität in der Ebene der Berührfläche der ersten Fügefläche und der zweiten Fügefläche auch eine besondere Zugstabilität senkrecht zu der Berührebene der ersten und der zweiten Fügefläche erhalten. In einer derartigen Ausführungsform ist die mit dem Verfahren erhaltene Fügeverbindung vorteilhafterweise sowohl gut auf Zug als auch auf Schälung belastbar. The undercuts in the first joining surface and / or the second joining surface can be advantageously in the form of grooves, grooves, Hubbeln, depressions or the like and in particular represent a rough surface of the first joining surface or the second joining surface. Furthermore, the undercuts or Cavities in a cross-sectional view of the first component and / or second component, starting from the surface of the joining surface in the component projecting in the form of dovetail undercuts or be formed as widening into the component hopper. If the undercuts in the form of grooves, grooves, depressions or Hubbeln formed, they preferably allow a positive connection parallel to the plane or the touch plane, the first and the second joining surface. In other words, the melted-out plastic of the plastic film flows into the surface structures of the first component and / or the second component formed as undercuts in such a way that a positive connection in the plane which represents the contact plane between the first joining surface and the second joining surface arises results in a special tensile stability between the first component and the second component in the plane of the contact surface or the plane of the joining surfaces. If the undercuts and / or cavities are inserted into the first and / or second joining surface in such a way that they expand, in particular into the first and / or second component, starting from the first and / or second joining surface, for example in the form of a dovetail and / or one yourself widening cone or funnel, the molten plastic flows into the thus formed undercuts or cavities, whereby a positive connection between the plastic film and the first and / or the second joining surface in the direction perpendicular to the contact plane or the plane of the first and / or the second Joining surface is produced. By means of such a configuration, in addition to a particular tensile stability in the plane of the contact surface of the first joining surface and the second joining surface, a special tensile stability perpendicular to the contact plane of the first and the second joining surface is obtained. In such an embodiment, the joining compound obtained by the method is advantageously both well on train and peeling loadable.
Ferner kann bevorzugt vorgesehen sein, dass durch das Oberflächenbearbeitungsverfahren rillenförmige oder riefenförmige Strukturen, insbesondere Rillen oder Riefen, in die erste Fügefläche und/oder in die zweite Fügefläche eingebracht werden, wobei die rillenförmigen oder riefenförmigen Strukturen bevorzugt in einem Winkel von 60° bis 120°, besonders bevorzugt in einem Winkel von 80° bis 100°, insbesondere bevorzugt in einem Winkel von im Wesentlichen 90°, zu einer Belastungsrichtung der durch das Verfahren herzustellenden Fügeverbindung ausgerichtet sind.Furthermore, it can preferably be provided that groove-shaped or groove-shaped structures, in particular grooves or grooves, are introduced into the first joining surface and / or into the second joining surface by the surface treatment method, the groove-shaped or groove-shaped structures preferably at an angle of 60 ° to 120 ° , Particularly preferably at an angle of 80 ° to 100 °, in particular preferably at an angle of substantially 90 °, are aligned to a loading direction of the joint to be produced by the method.
Durch eine solche Ausrichtung der in der ersten und/oder in der zweiten Fügefläche durch das Oberflächenbearbeitungsverfahren, insbesondere durch ein Laserverfahren, hergestellten rillenförmigen oder riefenförmigen Strukturen, wird eine besonders hohe Zugbelastbarkeit in der Berührebene beziehungsweise in der Ebene der ersten Fügefläche und der zweiten Fügefläche, insbesondere in Belastungsrichtung, erhalten. Eine Laserstrukturierung im Winkel von 90° zur Belastungsrichtung erzeugt vorteilhafterweise einen hohen Anteil an Hinterschneidungen und kann über Prozessparameter spezifiziert werden.Such an alignment of the groove-shaped or groove-shaped structures produced in the first and / or in the second joining surface by the surface treatment method, in particular by a laser method, results in a particularly high tensile strength in the contact plane or in the plane of the first joining face and the second joining face, especially in loading direction, received. Laser structuring at an angle of 90 ° to the loading direction advantageously produces a high proportion of undercuts and can be specified by means of process parameters.
Eine geeignete Strukturierung der ersten Fügefläche und/oder der zweiten Fügefläche kann ebenfalls bevorzugt mittels Sandstrahlverfahren oder Saugstrahlverfahren mit sehr grobem Strahlgut erzeugt werden. A suitable structuring of the first joining surface and / or the second joining surface can likewise preferably be produced by means of a sand blasting method or an absorbent blasting method with very coarse blasting material.
Weiter bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die durch das Verfahren herzustellende Fügeverbindung als punktförmige Verbindung oder als nahtförmige Verbindung ausgeführt wird. Further preferably, it can be provided that the joining connection to be produced by the method is carried out as a punctiform connection or as a seam-shaped connection.
Eine punktförmige Verbindung lässt sich insbesondere gut durch ein Reibschweißverfahren und/oder durch ein Laserverfahren herstellen. Eine nahtförmige Verbindung ist besonders vorteilhaft durch die Wärmeeinbringung mittels eines Verfahrens unter Verwendung beheizter Walzen möglich. Ferner kann bevorzugt vorgesehen sein, dass bei der Wärmeeinbringung in die Kunststofffolie zwei Schweißpunkte beziehungsweise zwei Schweißnähte je Fügestelle bzw. Fügeverbindung gesetzt werden, wobei ein erster Schweißpunkt beziehungsweise eine erste Schweißnaht oberhalb der Fügestelle und ein weiterer Schweißpunkt beziehungsweise eine weitere Schweißnaht unterhalb der Fügestelle gesetzt werden. Dies bedeutet, dass in der Ebene beziehungsweise der Berührebene der ersten Fügefläche und der zweiten Fügefläche die Schweißpunkte und/oder die Schweißnähte entweder direkt übereinander oder etwas voneinander versetzt angeordnet sein können. Vorteilhafterweise wird bei Wärmeeinbringung durch Schweißen je Schweißpunkt beziehungsweise je Schweißnaht eine Anbindung Metall-Kunststofffolie geschaffen. Ein Schweißpunktpaar beziehungsweise ein Schweißnahtpaar bildet eine Fügestelle bzw. Fügeverbindung aus der Materialkombination Metall-Kunststoff-Metall. A point connection can be produced in particular well by a friction welding method and / or by a laser method. A seam-like connection is particularly advantageous by the heat input by means of a method using heated rollers possible. Furthermore, it can preferably be provided that during the heat input into the plastic film two welds or two welds are placed per joint or joint, with a first weld or a first weld above the joint and another weld or another weld are placed below the joint , This means that in the plane or the touch plane of the first joining surface and the second joining surface, the welding points and / or the welds can be arranged either directly above one another or slightly offset from one another. Advantageously, when heat is introduced by welding per weld point or per weld a connection metal-plastic film is created. A pair of welds or a pair of welds forms a joint or joint of the combination of metal-plastic-metal.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Kunststofffolie auf die zu erwartende Beanspruchung abgestimmt wird. Es kann somit Kunststoff mit erhöhter Erweichungs- beziehungsweise Schmelztemperatur für temperaturbeständige Verbindungen verwendet werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass zäher Kunststoff für duktile Verbindung verwendet wird. Furthermore, it can be provided that the plastic film is matched to the expected stress. It can thus be used plastic with increased softening or melting temperature for temperature-resistant compounds. It can also be provided that tough plastic is used for ductile connection.
Bei der Wärmeeinbringung in die Kunststofffolie mittels eines Laserverfahrens kann beispielsweise der gleiche Laser verwendet werden, welcher zur vorherigen Oberflächenstrukturierung im Rahmen des Oberflächenbearbeitungsverfahrens verwendet wurde. When heat is introduced into the plastic film by means of a laser process, it is possible, for example, to use the same laser which was used for the preceding surface structuring in the context of the surface treatment method.
Die Wärmeeinbringung durch ein Rührreibschweißverfahren, beispielsweise durch einen Reibpunktschweißprozess, oder mittels beheizbarer Walzen ist geeignet, da diese Verfahren ebenfalls für andere Verbindungen, zum Beispiel Aluminium-Aluminiumschweißungen und Falzungen angewendet werden können. Somit werden mit Vorteil keine zusätzlichen Anlagen oder Vorrichtungen benötigt. The heat input by a friction stir welding process, for example by a friction spot welding process, or by means of heatable rollers is suitable because these methods can also be applied to other compounds, such as aluminum-aluminum welds and folds. Thus, no additional equipment or devices are needed with advantage.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigtEmbodiments of the invention are explained below with reference to the drawings. It shows
In der
Die
In einer beispielhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Reibbolzen
Die
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- Anordnung arrangement
- 1010
- Erstes Bauteil First component
- 1111
- Erste Fügefläche First joining surface
- 1212
- Zweites Bauteil Second component
- 1313
- Zweite Fügefläche Second joint surface
- 1414
- Strahlgut blasting
- 1515
- Strahlvorrichtung ray device
- 1616
- Hinterschneidungen undercuts
- 1717
- Rillen grooves
- 1818
- Riefen cried
- 1919
- Hubbel bump
- 2020
- Kunststofffolie Plastic film
- 2121
- Seite page
- 2222
- Fügestelle joint
- 2323
- Oberflächenschicht surface layer
- 2424
- Rührreibschweißvorrichtung friction stir welding
- 2525
- Reibbolzen friction pin
- 2626
- Gegenhalter backstop
- 2727
- Reibpunkt Reibpunkt
- 2828
- Erster Flansch First flange
- 2929
- Zweiter Flansch Second flange
- 3030
- Erste beheizte Walze First heated roller
- 3131
- Zweite beheizte Walze Second heated roller
- 3232
- Naht seam
- 3333
- Vertiefungen wells
- WW
- Wärme warmth
- LL
- Längsrichtung longitudinal direction
- R1R1
- Erste Richtung First direction
- R2R2
- Zweite Richtung Second direction
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- DE 102013007205 A1 [0006] DE 102013007205 A1 [0006]
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