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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Verbundgussteils, bzw. einer Bauteilverbindung sowie ein Verbundgussteil.
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Verbundgussteile der in Rede stehenden Art sind ihrem Grundsatz nach aus dem Stand der Technik bekannt. So ist es beispielsweise bekannt, Stahleinleger in Gussformen einzulegen und mit Aluminium zu umgießen. Der Verbindungsmechanismus beim Verbundgießen ist vorwiegend auf eine kraftschlüssige Verbindung zurückzuführen, welcher aber je nach Verfahrensführung zum Beispiel um einen stoff- oder formschlüssigen Anteil ergänzt werden kann. So können beispielsweise die Einlegeelemente entsprechend beschichtet sein, um durch ein Anschmelzen der Beschichtung beim Umgießen einen Stoffschluss zu generieren. In der Praxis gestaltet sich dies allerdings oft schwierig, da in der Gießform je nach Position (angussnah, angussfern, Temperierkonzept etc.) unterschiedliche Temperaturen und/oder Strömungsgeschwindigkeiten herrschen. Dies führt dazu, dass die Beschichtung der Einlegeelemente unterschiedlich stark an- bzw. aufgeschmolzen wird und kein „sicherer“ Stoffschluss erzeugt wird. Des Weiteren kann es bei der Wärmebehandlung von Verbundgussteilen aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien zu Problemen kommen, wodurch Spalte zwischen den unterschiedlichen Materialien entstehen können. Mit anderen Worten ist der grundsätzliche Ansatz des Verbundgusses zwar bekannt, im Detail bergen die bekannten Verfahren bzw. Bauteile aber noch viele Unwägbarkeiten und Schwierigkeiten, die den sicheren und wirtschaftlichen Einsatz, insbesondere auch in der Großserienfertigung, erschweren.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, insbesondere eines Verbundgussteils, bzw. einer Bauteilverbindung sowie ein Verbundgussteil anzugeben, welche bessere und leistungsfähigere Bauteile/Produkte ermöglichen und dabei kostengünstig sind.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verbundgussteil gemäß Anspruch 7 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Verbundgussteils, die Schritte:
- - Bereitstellen zumindest eines Einlegeelements;
- - Zumindest bereichsweise Umgießen des zumindest einen Einlegeelements mit einem Gusswerkstoff, wobei zumindest ein Kontaktbereich zwischen dem zumindest einen Einlegeelement und dem Gusswerkstoff gebildet wird;
- - Zumindest bereichsweise Verschweißen des zumindest einen Einlegeelements mit dem Gusswerkstoff im Kontaktbereich.
Mit Vorteil kann durch das nachträgliche Schweißverfahren ein qualitativ hochwertiger, gleichmäßiger und dauerhafter Stoffschluss geschaffen werden, welcher eine sichere, steife und vor allem dauerhafte Befestigung des Einlegeelements im Gusswerkstoff ermöglicht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Pressschweißen, insbesondere Rührreibschweißen, im Kontaktbereich.
Als Pressschweißen bezeichnet man Schweißverfahren, bei denen die zu verschweißenden Teile an den Schweißstellen auf die notwendige Schweißtemperatur erwärmt und anschließend durch mechanischen Druck zusammengepresst werden. Die notwendige Wärme liefert dabei entweder ein Stromfluss durch die Schweißstelle oder mechanische Reibung. Beim Rührreibschweißen kommt ein rotierendes Werkzeug zum Einsatz, welches einen Pin und eine senkrecht dazu orientierte Schulter aufweist. Die Schulter weist einen größeren Durchmesser als der davon abstehende Pin auf und liefert den nötigen Wärmeeintrag, während der Pin dazu vorgesehen ist, die Werkstoffe zu „verrühren“. Das Pressschweißen zeichnet sich durch einen relativ geringen Wärmeeintrag aus. Zudem werden vorteilhafterweise keine Zusatzwerkstoffe benötigt. Grundsätzlich geht mit diesem bzw. derartigen Schweißverfahren allerdings das Problem einher, dass eine relativ aufwendige Einspanntechnik vonnöten ist, um die zu verbindenden Bauteile bzw. Werkstoffe beim Schweißvorgang auch sicher zu arretieren. Mit Vorteil wird dieses Problem vorliegend sehr effektiv gelöst, da die beiden Fügepartner, nämlich das Einlegeelement und der Gusswerkstoff, durch den Gießprozess bereits vorpositioniert und verbunden sind, sodass keine massive Einspanntechnik für den Schweißprozess, insbesondere für das Rührreibschweißen, benötigt wird. Der Rührreibschweißprozess kann zweckmäßigerweise in einem Bearbeitungszentrum oder über einen Schweißroboter konventionell oder mit angebrachtem C-Bügel stattfinden. Weitere mögliche und verwendbare Pressschweißverfahren sind: Feuerschweißen, Widerstandsschweißen, Kaltpressschweißen, Ultraschallschweißen, Sprengschweißen, Elektromagnetisches Pulsschweißen, Diffusionsschweißen, Lichtbogenbolzenschweißen oder NBP-Schweißen (Pressschweißen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen). Alternativ oder zusätzlich können aber auch Schmelzschweißverfahren zum Einsatz kommen.
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Eine bloße Schweißverbindung, beispielsweise auch mittels Rührreibschweißen, hätte gegenüber einer (Stanz-)Niet-/Klebverbindung durch den Wärmeeintrag hinsichtlich der erzielbaren Bruchdehnung deutliche Nachteile. Durch das vorgeschlagene Verfahren können dagegen steife Bauteile mit hoher Bruchdehnung geschaffen werden, nämlich insbesondere durch die vorteilhafte Kombination von Kraft- und Formschluss. Beispielsweise kann das vorgeschlagene Verfahren als Alternative zur einer Niet-/Klebverbindung gesehen werden, wie sie derzeit im Fahrzeugbau Verwendung findet. Die Kombination zweier Verbindungstechniken ist dabei ähnlich: die Klebverbindung entspricht z. B. dem Umgießen, während die Nietverbindung dem Setzen von beispielsweise punkförmigen Schweißpunkten entspricht. Mit Vorteil werden aber mit dem vorgeschlagenen Verfahren optimierte Bauteileigenschaften bzw. Verbindungseigenschaften erzielt, wie später auch noch genauer gezeigt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform, insbesondere wenn das Einlegeelement zumindest bereichsweise vollständig umgossen ist, weist der Kontaktbereich zumindest zwei, insbesondere gegenüberliegende, bzw. auch parallel zueinander orientierte, Kontaktflächen auf, wobei das Verfahren den Schritt umfasst:
- - Verschweißen der zumindest zwei Kontaktflächen mit dem Gusswerkstoff.
Das Verschweißen kann also einseitig oder beidseitig durchgeführt werden. Die Auslegung und Ausgestaltung des Schweißvorgangs, wo bzw. in welcher Form und/oder Lage das Verschweißen im Kontaktbereich durchgeführt soll, erfolgt vorteilhafterweise belastungsgerecht.
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Bevorzugt umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Formen einer punkt- oder linienförmigen Schweißnaht, insbesondere einer Rührreibnaht.
Grundsätzlich muss der Kontaktbereich bzw. müssen die Kontaktflächen nicht vollflächig verschweißt sein. Die tatsächliche Ausgestaltung ist insbesondere von Form und Größe des Einlegeelements abhängig. Gemäß einer Ausführungsform ist der Kontaktbereich als solcher linienförmig und analog zu einer Niet-/Klebverbindung oder zu einer konventionellen Schweißnaht ausgebildet, welche dazu vorgesehen ist, zwei Bauteile zu verbinden. Ein derartig ausgebildeter Kontaktbereich ist gemäß einer Ausführungsform mit einer punkt- und/oder, sozusagen vollflächig, mit einer linienförmigen Schweißnaht versehen. Gemäß einer Ausführungsform entspricht eine Breite des Kontaktbereichs (etwa) einem Durchmesser der vorgenannte Schulter der Werkzeugs zum Rührreibschweißen.
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Besonders bevorzugt umfasst das Verfahren den Schritt:
Mit Vorteil ist das Einlegeelement mit Aussparungen oder Löchern versehen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein gelochtes Stahlblech in eine Druckgussform eingelegt und beispielsweise mit Aluminium umgossen. Dieser Verbundguss wird anschließend über das Reibschweißverfahren verschweißt. Mit Vorteil sind die beiden Fügepartner durch den Verbundguss bereits vorpositioniert und verbunden, sodass keine massive Einspanntechnik für das Rührreibschweißen vonnöten ist. Der Formschluss, welcher durch die gelochten Stahlbleche im Verbundguss entsteht, sorgt für eine, im Vergleich zum reinen Rührreibschweißen, hohe Bruchdehnung. Folglich zeichnet sich eine derartige Verbindung durch eine hohe Energieaufnahme aus, welche insbesondere in Crash-belasteten Fahrzeugbauteilen benötigt wird. Die Kraftübertragung zwischen dem Aluminiumguss und dem beispielsweise Stahleinleger ist höher bei gleicher Flanschbreite, verglichen mit der Verfahrenskombination Stanznieten und Kleben.
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Weiter umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Durchführen einer Wärmebehandlung vor dem Verschweißen. Zweckmäßigerweise können etwaige Spaltbildungen zwischen den beiden Werkstoffen, beispielsweise dem Aluminiumgusswerkstoff und dem Stahleinlegeelementwerkstoff, welche erst nach oder bei dem Wärmebehandlungsprozess auftreten, durch das Schweißen, insbesondere durch das Rührreibschweißen, wieder verschlossen werden.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Verbundgussteil, umfassend zumindest ein Einlegeelement, wobei das zumindest eine Einlegeelement zumindest bereichsweise von einem Gusswerkstoff umgossen ist, wobei durch das Umgießen zumindest ein Kontaktbereich zwischen dem zumindest einen Einlegeelement und dem Gusswerkstoff gebildet ist, und wobei das zumindest eine Einlegeelement im Kontaktbereich mit dem Gusswerkstoff durch Schweißen verbunden ist. Der Verbindungsmechanismus beim Verbundgießen ist vorwiegend auf eine kraftschlüssige Verbindung zurückzuführen. Mit Vorteil wird vorliegend durch den Schweißprozess diese kraftschlüssige Verbindung über eine gezielte und definierte stoffschlüssige Verbindung ergänzt, wodurch Bauteile, insbesondere Verbundgussteile, mit besten mechanischen Eigenschaften herstellbar sind.
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Besonders bevorzugt ist die Verbindung durch Pressschweißen, insbesondere Rührreibschweißen, hergestellt. Dabei wird der Effekt genutzt, dass die beiden Fügepartner durch den Verbundguss bereits vorpositioniert und verbunden sind, sodass weiter keine massive Einspanntechnik für das Rührreibschweißen benötigt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das zumindest eine Einlegeelement vollflächig verschweißt. Alternativ ist das Einlegeelement auch nur bereichsweise verschweißt. Die tatsächliche Ausgestaltung hängt sowohl von der Funktion des Einlegeelements als auch von dessen Größe und Position ab.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Einlegelement als Verstärkungselement ausgebildet, beispielsweise als ein Stahleinleger, welcher vollständig in einen Aluminium-Gusswerkstoff eingebettet ist. Zur gezielten zusätzlichen Befestigung in dem umgebenden Gusswerkstoff wird das Einlegeelement vollständig oder zumindest teilweise verschweißt, wobei punkt- und/oder linienförmige stoffschlüssige Verbindungsbereiche bzw. Schweißnähte geformt werden.
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Alternativ ist das Einlegeelement nicht lediglich zur Verstärkung gedacht, sondern auch zur Bereitstellung zusätzlicher Funktionen, wie das Formen oder Bilden von Befestigungsmöglichkeiten.
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Gemäß einer Ausführungsform formt das zumindest eine Einlegeelement zumindest einen Befestigungsflansch bzw. bildet diesen, wobei der Befestigungsflansch aus dem Gusswerkstoff herausragt. Mit anderen Worten ist das Einlegeelement zumindest nicht vollständig umgossen. Der oder die Kontaktbereiche sind insbesondere in dem oder den Randbereichen des späteren Bauteils ausgebildet. Zweckmäßigerweise umfasst der Befestigungsflansch Befestigungsöffnungen, wie Löcher, worüber das Verbundgussteil mit anderen Bauteilen form- und/oder kraftschlüssig bzw. auch stoffschlüssig verbunden werden kann. Auf diese Weise können mit Vorteil in Gussbauteile aus Aluminium Stahlflansche integriert werden, welche im Karosseriebau sortenrein gefügt werden können, da die Anbindungspunkte z. B. in Stahl vorliegen. Die vorgenannte Materialkombination ist dabei nur beispielhaft zu verstehen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Gusswerkstoff ein Aluminiumwerkstoff, wobei das Einlegeelement aus einem Stahlwerkstoff gebildet ist. Bevorzugt weist das Einlegeelement zumindest eine Ausnehmung oder Öffnung bzw. ein oder mehrere Löcher auf. Der Formschluss, welcher insbesondere durch die gelochten Stahlbleche im Verbundguss entsteht, sorgt für eine, im Vergleich zum reinen Rührreibschweißen, mögliche hohe Bruchdehnung.
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Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Verbundgussteil um ein Fahrwerks- oder Strukturbauteil eines Kraftfahrzeugs. Typische Anwendungsfälle sind Rohbauteile, wie Säulen, Längsträger oder Querträger oder auch Montageteile, wie z. B. Sitzstrukturen. Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erwähnten Vorteile und Merkmale gelten analog und entsprechend für das Verbundgussteil sowie umgekehrt. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Verbundgussteils nebst Verfahren mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Ansicht eines Verbundgussteils vor dem Schweißen;
- 2: eine weitere schematische Ansicht eines Verbundgussteils während des Schweißens;
- 3: ein Kraft-Weg-Diagramm unterschiedlicher Verbindungstechniken.
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Bauteil 10, wobei das Bauteil 10 aus einem Gusswerkstoff 40 gebildet ist, in welchen ein Einlegeelement 20 eingebettet ist. Durch diese Anordnung ist ein Kontaktbereich 30 gebildet, welcher durch die vertikalen gestrichelten Linien skizziert ist. Der Kontaktbereich 30 umfasst umfänglich mehrere Kontaktflächen 32. Das Einlegeelement 20 ist derart ausgebildet bzw. positioniert, dass es zumindest bereichsweise aus dem Gusswerkstoff 40 herausragt, wodurch ein Befestigungsflansch 22 gebildet ist. Mit dem Bezugszeichen 60 ist ein Werkzeug, insbesondere ein Werkzeugs zum Rührreibschweißen skizziert, welches eine Schulter 62 sowie einen Pin 64 umfasst. Dessen Positionierung beim Schweißvorgang ist in 2 skizziert.
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2 zeigt im Wesentlichen das aus 1 bekannte Bauteil 10, wobei allerdings die Dimensionen des Einlegeelements 20 unterschiedlich ausgebildet sind. Insbesondere ist hier ein Kontaktbereich 30 im Wesentlichen so breit wie ein Durchmesser einer Schulter 62 des Werkzeugs 60 zum Rührreibschweißen. Zu erkennen ist, dass ein Pin 64 das Einlegeelement 20 zumindest ankratzt. Der Pin 64 durchdringt den Gusswerkstoff 40 und kratzt an der Oberfläche des Einlegeelements 20. Durch den entstehenden Wärmeeintrag werden Diffusionsprozesse angeregt, wobei, je nach Werkstoffpaarung, ein oder beide Fügepartner plastifiziert werden, sodass diese eine Verbindung miteinander eingehen. Besonders vorteilhaft ist die geringe Energiezufuhr sowie das Ausbleiben einer chemischen Vorbehandlung beim Rührreibschweißen. Weiter gibt es keine Rauch- oder Gasentstehung bei diesem Schweißverfahren. Die Schweißnaht ist qualitativ hochwertig und zudem sehr belastbar, da der Schweißprozess unterhalb des Schmelzpunktes der Fügepartner bleibt.
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3 zeigt abschließend ein Kraft-Weg-Diagramm unterschiedlicher Verbindungstechniken mit den drei Kurven k1, k2 und k3. Auf der x-Achse ist der Weg aufgetragen, auf der y-Achse die Kraft. Mit der Kurve k1 ist das Stanznieten in Kombination mit Kleben gezeigt, mit der Kurve k2 das „reine“ Umgießen und mit der Kurve k3 das Umgießen in Kombination mit Rührreibschweißen. Es ist erkennbar, dass mit der Kombination aus Umgießen und Rührreibschweißen beim hier dargestellten Zugversuch Verbindungen/Bauteile mit ausgezeichneten Festigkeiten erzielt werden können. Zudem sind die erzielbaren Werte für die Bruchdehnung, insbesondere auch im Vergleich zu reinen Schweißverbindungen (hier nicht dargestellt), sehr hoch.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bauteil
- 20
- Einlegeelement
- 22
- Befestigungsflansch
- 30
- Kontaktbereich
- 32
- Kontaktfläche
- 40
- Gusswerkstoff
- 60
- Werkzeug
- 62
- Schulter
- 64
- Pin
- k1
- Stanznieten und Kleben
- k2
- Umgießen
- k3
- Umgießen und Rührreibschweißen
- x
- Weg
- y
- Kraft
