DE102018126914A1

DE102018126914A1 - Verfahren zum Herstellen wenigstens einer definierten Verbindungsschicht zwischen zwei Bauteilen aus unterschiedlichen Metallen

Info

Publication number: DE102018126914A1
Application number: DE102018126914.5A
Authority: DE
Inventors: Robert Kirschner; Bernhard Glück
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-10-29
Filing date: 2018-10-29
Publication date: 2020-04-30
Also published as: CN112638567A; US20210316389A1; CN112638567B; US11951559B2; WO2020088866A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen wenigstens einer definierten Verbindungsschicht zwischen zwei Bauteilen, wobei das erste Bauteil (11) aus einem ersten metallischen Werkstoff und das zweite Bauteil (12) aus einem zweiten metallischen Werkstoff hergestellt ist und das erste und/ oder das zweite Bauteil (11, 12) eine Beschichtung (13) aus einem dritten metallischen Werkstoff aufweist, dessen Schmelztemperatur geringer ist, als die Schmelztemperatur des ersten und des zweiten Werkstoffs. Dabei wird die Beschichtung (13) wenigstens eines der Bauteile (11, 12) lokal auf eine Verbindungstemperatur erwärmt, die oberhalb der Schmelztemperatur des dritten Werkstoffs liegt und unterhalb der Schmelztemperatur des ersten und unterhalb der Schmelztemperatur des zweiten Werkstoffs liegt und abgekühlt, um beim Erstarren der Beschichtung (13) eine definierte Verbindungsschicht (20, 22, 24, 26, 28,36) auszubilden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen wenigstens einer definierten Verbindungsschicht zwischen zwei Bauteilen, wobei das erste Bauteil aus einem ersten metallischen Werkstoff und das zweite Bauteil aus einem zweiten metallischen Werkstoff hergestellt ist und das erste und/ oder das zweite Bauteil eine Beschichtung aus einem dritten metallischen Werkstoff aufweist, dessen Schmelztemperatur geringer ist, als die Schmelztemperatur des ersten und des zweiten Werkstoffs.
Zum auch kleinflächigen Verbinden zweier Bauteile aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen ist es beispielsweise bekannt, spezifisch für die Werkstoffpaarung angepasste Schweißverfahren wie beispielsweise Punktschweißen einzusetzen. Allerdings werden dabei insbesondere durch die hohen Temperaturen die miteinander verbundenen Bauteile beeinträchtigt. So verziehen sich insbesondere dünnwandige Bauteile häufig oder die Oberfläche der Bauteile wird im Bereich der Verschweißung verformt oder verfärbt. Ferner es abhängig von der Werkstoffpaarung schwierig, eine haltbare Schweißverbindung zwischen zwei Bauteilen aus unterschiedlichen Werkstoffen herzustellen.
Als Verfahren zum kleinflächigen Verbinden zweier Bauteile aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen an wenigstens einer Verbindungsstelle ist beispielsweise das Punktlöten bekannt. Dabei wird an der Verbindungsstelle eines der Fügepartner ein Lotstück fest angeordnet und zwischen den beiden miteinander zu verbindenden Bauteile geklemmt. Daraufhin wird die Fügestelle beispielsweise zwischen die Elektroden eines mit geringer Leistung beaufschlagten Punktschweißwerkzeugs gebracht, wodurch das Lot aufgeschmolzen und eine Lötverbindung hergestellt wird. Nachteilig an dem beschriebenen Verfahren ist das erforderliche Einbringen und Positionieren eines Lotstücks an der Verbindungsstelle, wobei die Größe und Anordnung der Verbindungsstelle durch die Masse und das Fließverhalten des eingebrachten Lots beeinflusst wird. Das Ausbilden einer insbesondere geometrisch definierten Verbindungsschicht beispielsweise linienförmig zur Abdichtung von Bereichen zwischen zwei Bauteilen ist damit kaum möglich.
Hiervon ausgehend stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein verbessertes Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile aus unterschiedlichen Metallen vorzuschlagen, das ein Herstellen einer bezüglich ihrer zweidimensionalen Erstreckung definierten Verbindungsschicht ermöglicht. Dies wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Herstellen wenigstens einer bezüglich ihrer zweidimensionalen Erstreckung definierten Verbindungsschicht zwischen zwei Bauteilen vorgeschlagen, wobei das erste Bauteil aus einem ersten metallischen Werkstoff und das zweite Bauteil aus einem zweiten metallischen Werkstoff hergestellt ist und das erste und/ oder das zweite Bauteil eine Beschichtung aus einem dritten metallischen Werkstoff aufweist, dessen Schmelztemperatur geringer ist, als die Schmelztemperatur des ersten und des zweiten Werkstoffs. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

- lokales Erwärmen der Beschichtung in einem zum Herstellen der definierten Verbindungsschicht vorbestimmten Bereich auf eine Verbindungstemperatur, die oberhalb der Schmelztemperatur des dritten Werkstoffs liegt und unterhalb der Schmelztemperatur des ersten und unterhalb der Schmelztemperatur des zweiten Werkstoffs liegt;
- Unterbrechen der Energiezufuhr, sobald die Beschichtung im Bereich der definierten Verbindungsschicht zumindest angeschmolzen ist;
- Abkühlen der zumindest angeschmolzenen Beschichtung, um beim Erstarren dieser die fest mit dem ersten Bauteil und fest mit dem zweiten Bauteil verbundene bezüglich ihrer zweidimensionalen Erstreckung definierte Verbindungsschicht auszubilden.

Dadurch, dass bei dem vorgeschlagenen Verfahren eine auf wenigstens einem der Bauteile bereits großflächig vorhandene Beschichtung zum Herstellen der Verbindungsschicht genutzt wird, ist kein zusätzliches Einbringen eines Verbindungswerkstoffs erforderlich. Ferner wird durch das lokale Erwärmen der Beschichtung in einem vorbestimmten Bereich auf die Verbindungstemperatur eine bezüglich ihrer zweidimensionalen Erstreckung definierte Verbindungsschicht ausgebildet, welche an der vorgesehenen Position angeordnet ist und die vorgesehene Form und Größe aufweist. Ferner wird dadurch, dass die Verbindungstemperatur unterhalb der Schmelztemperaturen des ersten und des zweiten Werkstoffs liegt, ein Verzug der Bauteile und eine Schädigung der Oberfläche der miteinander verbundenen Bauteile vermieden.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren ist das erste Bauteil aus einem ersten metallischen Werkstoff und das zweite Bauteil aus einen zweiten metallischen Werkstoff hergestellt. Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren auch anwendbar zum Verbinden zweier Bauteile, welche aus dem gleichen metallischen Werkstoff hergestellt sind. Eine solche Werkstoffpaarung stellt einen Sonderfall des vorgeschlagenen Verfahrens dar. Wenigstens eines des ersten und/ oder des zweiten Bauteils weist eine Beschichtung aus einem dritten metallischen Werkstoff auf, dessen Schmelztemperatur geringer ist, als die Schmelztemperatur des ersten und des zweiten Werkstoffs, so dass dieser dritte Werkstoff durch Zufuhr von Wärmeenergie an- bzw. aufschmelzbar ist, ohne die Schmelztemperatur des ersten und zweiten Werkstoffs zu erreichen. Besonders geeignet für das vorgeschlagene Verfahren sind eher dünnwandige Bauteile, also solche, die in einer Fügeposition in der sie am anderen Bauteil anliegen, eine geringe Dicke bezogen auf ihr Gesamtvolumen aufweisen, wie beispielsweise Bleche. Da die Beschichtung von dünnwandigen Bauteilen in dem Bereich, in welchem eine definierte Verbindungsschicht ausgebildet werden soll, lokal gut erwärm- und wieder abkühlbar ist, kann die Temperatur im vorbestimmten Bereich in gewünschter Weise geführt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt zunächst ein lokales Erwärmen der Beschichtung in einem zum Herstellen der bezüglich ihrer zweidimensionalen Erstreckung definierten Verbindungsschicht vorbestimmten Bereich. Dieses lokale Erwärmen kann beispielsweise mittels einer Schweißzange mit insbesondere verminderter Energiezufuhr oder einem ähnlich gestalteten Werkzeug erfolgen, das beispielsweise eine vorbestimmte Elektrodenform zum lokalen Erwärmen eines vorbestimmten Bereichs aufweist, beispielsweise um eine Verbindungsschicht mit vorbestimmter geometrischer Form, wie insbesondere Kreis-, Linien- oder sonstig bauteilabhängig gestalteter Form herzustellen.
Dabei kann das lokale Erwärmen der Beschichtung erfolgen, nachdem das erste Bauteil am zweiten Bauteil in der vorgesehenen Verbindungslage angeordnet ist. Die Beschichtung wenigstens eines der Bauteile ist dabei zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil angeordnet. Weisen beide Bauteil eine Beschichtung auf, so liegen die beiden vorzugsweise aus dem gleichen Werkstoff bestehenden Beschichtungen aneinander. Weist nur ein Bauteil eine Beschichtung auf, so liegt die Beschichtung des einem Bauteils direkt am anderen Bauteil an. Zusätzlich wird bei einem dabei möglichen Aneinanderpressen die Oberfläche der Beschichtung und die Oberfläche des unbeschichteten Bauteils bzw. die Oberflächen der beiden Beschichtungen wenigstens geringfügig gegeneinander bewegt. Eine dabei erfolgende Relativbewegung zwischen den Oberflächen führt zu einem Aufbrechen möglicher Oxid- und/ oder Verunreinigungsschichten auf dem Bauteilen, wobei die aneinander liegenden Oberflächen aktiviert werden.
In gleicher Weise kann das lokale Erwärmen der Beschichtung auch bereits erfolgen, bevor das erste Bauteil am zweiten Bauteil in der vorgesehenen Verbindungslage angeordnet wird. Vorteilhaft daran ist, dass die Beschichtung vor dem Anordnen am anderen Bauteil gut zugänglich ist und unmittelbar erwärmt werden kann.
Beispielsweise ist es auch möglich, das Verfahren insbesondere parallel mit einer Umformung eines oder beider Bauteile in einem Werkzeug einer Umformpresse durchzuführen, wobei das Presswerkzeug eine entsprechende Heizeinrichtung aufweist. Ferner sind zum lokalen Erwärmen der Beschichtung beispielsweise auch Werkzeuge einsetzbar, welche Mikroschwingungen oder Mikrobewegungen in den Verbindungsbereich einbringen, wie zum Beispiel Vibrations- oder Ultraschallverfahren.
Die Beschichtung wird dabei lokal in dem vorbestimmten Bereich auf eine Verbindungstemperatur erwärmt. Dabei kann es insbesondere bei einer Beschichtung mit genügend großer Dicke ausreichen, die Beschichtung nicht durchgehend, sondern nur im Bereich von deren Oberfläche bzw. im Bereich eines Teils der Dicke der Beschichtung auf die Verbindungstemperatur zu erwärmen. Die Verbindungstemperatur liegt insbesondere in einem Bereich ab bzw. oberhalb der Schmelztemperatur des dritten Werkstoffs, welcher der Werkstoff der Beschichtung ist, und unterhalb der Schmelztemperatur des ersten und zweiten Werkstoffs, also der Schmelztemperatur der miteinander verbundenen Bauteile. Mit einer lokalen Erwärmung der Beschichtung auf die Verbindungstemperatur kann verfahrensbedingt eine Erwärmung des ersten und zweiten Bauteils auf eine Temperatur in Höhe der Verbindungstemperatur oder einer noch höheren Temperatur verbunden sein, um eine Erwärmung der Beschichtung im vorgesehenen Bereich auf die Verbindungstemperatur zu gewährleisten. Allerdings liegen die Temperaturen dabei unterhalb der Schmelztemperatur des ersten und zweiten Werkstoffs, um ein Aufschmelzen des Werkstoffs eines der Bauteile und damit eine mögliche Beeinträchtigung der Bauteile sowie der Qualität der Verbindung zu verhindern.
Im nächsten Schritt wird die Energiezufuhr unterbrochen, sobald die Beschichtung im Bereich der insbesondere geometrisch definierten Verbindungsschicht zumindest angeschmolzen ist. Die wenigstens angeschmolzene Beschichtung weist bei der Unterbrechung der Energiezufuhr im Wesentlichen die geometrische Position und Erstreckung der vorgesehenen definierten Verbindungsschicht auf, sodass sich durch ein Abkühlen der wenigstens angeschmolzenen Beschichtung die Verbindungsschicht an der gewünschten Position und mit der gewünschten Erstreckung ausbildet.
Das Abkühlen der geschmolzenen Beschichtung, um beim Erstarren der Beschichtung eine fest mit dem ersten Bauteil und fest mit dem zweiten Bauteil verbundene, bezüglich ihrer zweidimensionalen Erstreckung definierte Verbindungsschicht auszubilden, kann durch natürlich ablaufende Abkühlprozesse erfolgen, wie beispielsweise durch Wärmestrahlung oder Wärmeleitung in die Umgebung. In gleicher Weise ist es auch möglich, den Abkühlprozess durch geeignete Maßnahmen zu unterstützen, wobei als Kühlmittel beispielsweise Luft, Wasser oder Stickstoff oder auch ein hierfür vorgesehenes Kühlwerkzeug Verwendung finden kann.
Während wenigstens einem der Verfahrensschritte werden das erste Bauteil und das zweite Bauteil mit dazwischen angeordneter Beschichtung aneinander gepresst. Insbesondere werden die beiden Bauteile zum Herstellen der Verbindungsschicht mit dazwischen angeordneter, lokal wenigstens angeschmolzener Beschichtung aneinander gepresst. Der Anpressdruck wird dabei auch zumindest während eines Teils des nachfolgenden Abkühlprozesses aufrechterhalten, um die definierte Verbindungsschicht auszubilden. Erfindungsgemäß ist es ebenfalls möglich, das erste und das zweite Bauteil auch bereits vor oder während dem lokalen Erwärmen der Beschichtung aneinander zu Pressen, abhängig von der auszubildenden Verbindungsschicht und von den verwendeten Werkzeugen. Auf diese Weise kann der Wärmeübergang zwischen den Bauteilen und in die Beschichtung verbessert werden. Ferner kann so vor Beginn des Erwärmens eine günstige Relativbewegung zwischen den Bauteilen erzielt werden. Ferner werden die beiden Bauteile wenigstens während eines Zeitabschnitts des Verbindungsvorgangs in einer vorbestimmten Position gehalten.
Zum Durchführen des vorgeschlagenen Verfahrens können insbesondere Werkzeuge eingesetzt werden, die zum Durchführen von wenigstens einem oder mehreren der beschriebenen Verfahrensschritte geeignet sind.
Da das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung einer bereits an einem der Bauteile aufgebrachten Beschichtung durchführbar ist, ist das Herstellen einer Verbindung auf einfache Weise durch lokales Erwärmen dieser Beschichtung möglich, ohne dass aufwändige Sonderprozesse und Zusatzwerkstoffe erforderlich sind. Ferner wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch, dass der dritte Werkstoff der Beschichtung einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist, als der erste und zweite Werkstoff der Bauteile, eine intrakristalline Korrosion vermieden, die beispielsweise beim Hartlöten auftreten kann. Aufgrund der lokalen Beschränkung der definierten Verbindungsschicht und die durch das Anpressen erfolgende geringe Relativbewegung zwischen den Bauteilen sind keine zusätzlichen Hilfsstoffe wie Flussmittel oder dergleichen erforderlich, wodurch eine beispielsweise durch Flussmittel begünstigte, unerwünschte Korngrenzendiffusion vermeidbar ist.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Verbinden zweier Bauteile erfolgt das Abkühlen der wenigstens angeschmolzenen Beschichtung im Wesentlichen entlang einer vorgegebenen Zeit-Temperatur-Kurve. Durch eine geeignete Temperaturführung während des Abkühlens der geschmolzenen Beschichtung kann einerseits verhindert werden, dass ein über den definierten Bereich hinausgehender, weiterer Bereich der Beschichtung gegebenenfalls durch Restwärme in den Bauteilen aufschmilzt, der dann die Erstreckung der definierten Verbindungsschicht vergrößert. Durch eine geeignete Temperaturführung wird ferner verhindert, dass die wenigstens angeschmolzene Beschichtung aus dem definierten Bereich austritt bzw. aus diesem „fließt“, bevor sie erstarrt, wodurch sich eine Verbindungsschicht ausbilden könnte, die nicht der vorgesehenen geometrischen Erstreckung entspricht. Insbesondere kann durch eine geeignete Temperaturführung während des Abkühlens das Erstarren der geschmolzenen Beschichtung und damit die Ausbildung insbesondere des Gefüges der Verbindungsschicht geeignet gesteuert werden, um eine qualitativ hochwertige Verbindungsschicht auszubilden.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird zum Abkühlen der geschmolzenen Beschichtung ein aktiver Abkühlprozess eingesetzt, bei welchem insbesondere ein Kühlmittel verwendet wird, wie beispielsweise Kühlluft, Kühlwasser, Stickstoff, Trockeneis, wenigstens eine Kühlkokille oder ein Kühlwerkzeugs, welches Wärmeenergie unter Einsatz eines geeigneten physikalischen Effekts entzieht. Durch den Einsatz wenigstens eines Kühlmittels zum Abführen von Wärmeenergie aus der Verbindungsschicht kann die Abkühlung der dabei hergestellten definierten Verbindungsschicht gesteuert insbesondere auch entlang einer vorbestimmten Zeit-Temperaturkurve erfolgen.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Verbinden zweier Bauteile ist die am ersten und/ oder am zweiten Bauteil angeordnete Beschichtung eine Funktionsbeschichtung des Bauteils, die insbesondere eine Funktion zum Schutz des Bauteils beispielsweise vor Oxidation aufweist. Eine beispielsweise bei Stahlbauteilen gebräuchliche Funktionsbeschichtung, welche das Bauteil insbesondere vor einem Kontakt mit Luftsauerstoff und damit vor Oxidation schützt, ist eine Zinkschicht, welche neben Zink auch geringere Anteile anderer Metalle wie beispielsweise Aluminium oder Magnesium aufweisen kann. Andere an Metallbauteilen bekannte Funktionsbeschichtungen, die sich beispielsweise für das vorgeschlagene Verfahren eignen, sind neben Zink insbesondere aus Kupfer, Zinn, Messing oder Bronze hergestellt oder weisen wenigstens einen überwiegenden Anteil aus einem oder mehreren dieser Werkstoffe auf. Vorteilhaft dabei ist, dass eine solche Funktionsschicht üblicherweise die Oberfläche zumindest eines Teils oder des gesamten Bauteils abdeckt, so dass mit dem vorgeschlagenen Verfahren an jeder geeigneten Position an der mit der Beschichtung versehenen Oberfläche eines solchen Bauteils eine bezüglich ihrer zweidimensionalen Erstreckung definierte Verbindungsschicht ausgebildet werden kann.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Verbinden zweier Bauteile ist die bezüglich ihrer zweidimensionalen Erstreckung definierte Verbindungsschicht punkt- oder linienförmig ausgebildet, wobei diese in wenigstens einer Richtung eine Erstreckung von weniger als 5 mm, insbesondere von weniger als 3 mm, insbesondere von weniger als 2 mm und insbesondere von weniger als 1 mm aufweist. Solche mit dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellten Verbindungsschichten sind flexibel zum Verbinden zweier Bauteile einsetzbar, insbesondere können in einfacher Weise mehrere entsprechende Verbindungsschichten an geeigneten Positionen zwischen zwei Bauteilen angeordnet werden. Eine hier als „punktförmig“ beschriebene Verbindungsschicht ist selbstverständlich nicht auf kreisrunde, quadratische oder rechteckige Geometrien beschränkt, sondern kann jede gewünschte bzw. erforderliche geometrische Form aufweisen. Ferner können neben der Verbindungsschicht auch die beiden zu verbindenden Bauteile eine unterschiedliche Erstreckung aufweisen, so dass mit dem vorgeschlagenen Verfahren Bauteile unterschiedlicher Größe miteinander verbindbar sind. Beispielsweise können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch ein oder mehrere kleine Bauteile, wie insbesondere sogenannte Beilagscheiben oder (Mikro-) Patches, an größeren Bauteilen befestigt werden.
Bei einer Ausführungsform dieses Verfahrens mit definierter linienförmiger Verbindungsschicht weist diese bezogen auf die Oberfläche des wenigstens eines Bauteils, an welcher sie angeordnet ist, in wenigstens einer Richtung eine Erstreckung von mehreren Millimetern oder länger auf. Solche Verbindungsschichten können Verbindungsnähte zwischen den Bauteilen darstellen, welche abhängig von deren Anordnung auch zur Abdichtung zwischen den miteinander verbundenen Bauteilen einsetzbar sind.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Verbinden zweier Bauteile erfolgt das Erwärmen der Beschichtung im vorbestimmten Bereich mittels eines Werkzeugs, welches Energie in die Beschichtung an der Verbindungsposition einbringt. Die Energie kann dabei beispielsweise mittels Widerstandsheizen, Induktionsheizen, Vibrationsheizen, Ultraschallheizen oder einer Hubzündung eingebracht werden. Für diesen Zweck sind Werkzeuge wie beispielsweise Schweißzangen geeignet, mittels welchen lokal auf einen Bereich begrenzt Wärmenergie in die Beschichtung von Bauteilen einbringbar ist, um diese lokal An- bzw. Aufzuschmelzen und die Wärmezufuhr nach dem erfolgten lokalen An- bzw. Aufschmelzen der Beschichtung einzustellen. Ferner kann von einem Werkzeug wie einer Schweißzange auch der zum Aneinanderpressen der beiden Bauteile erforderliche Anpressdruck aufgebracht werden. Insbesondere kann mit einem derart ausgebildeten Werkzeug ein Aneinanderpressen der beiden Bauteile parallel zum Durchführen eines oder mehrerer der Verfahrensschritte erfolgen.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Verbinden zweier Bauteile erfolgen das Erwärmen der Beschichtung sowie das Abkühlen der wenigstens angeschmolzenen Beschichtung zum Herstellen der definierten Verbindungsschicht durch ein Werkzeug, welches sowohl eine Heiz- als auch eine Kühlfunktion aufweist. Durch das Verwenden eines solchen Werkzeugs, wie beispielsweise eines so genannten Variotherm-Werkzeugs, ist ein besonders wirtschaftliches Durchführen des Verfahrens möglich. Die Verwendung derartiger Werkzeuge erlaubt eine geeignete, insbesondere auch zeitlich und/ oder energetisch günstige Durchführung des Verfahrens. Abhängig von den Eigenschaften des verwendeten Werkzeugs kann so das Erwärmen und/ oder Abkühlen der Beschichtung im Wesentlichen entlang einer vorgegebenen Zeit-Temperatur-Kurve erfolgen.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Verbinden zweier Bauteile erfolgt das Erwärmen der Beschichtung zum Herstellen der Verbindungsschicht mittels eines Werkzeugs, welches die Beschichtung im vorbestimmten Bereich lokal erwärmt. Dadurch, dass die Beschichtung entsprechend der Form und Abmessung der vordefinierten Verbindungsschicht lokal erwärmt wird, wird diese entsprechend der gewünschten Form und Abmessung aufgeschmolzen, womit die Verbindungsschicht nach dem Abkühlen die vorbestimmte Form und Abmessung aufweist.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Verbinden zweier Bauteile erfolgt das Erwärmen der Beschichtung sowie das Abkühlen der wenigstens angeschmolzenen Beschichtung zum Herstellen einer insbesondere linienförmigen Verbindungsschicht fortschreitend entlang des vorbestimmten Bereichs. Durch einen geeigneten Aufbau bzw. Führung eines Werkzeugs mit Heizeinrichtung über die Oberfläche wenigstens eines der beiden aneinander angeordneten Bauteile wird die zwischen dem Bauteil angeordnete Beschichtung fortschreitend lokal aufgeschmolzen und erstarrt, so dass die definierte zweidimensionale Erstreckung der Verbindungsschicht auf diese Weise weitgehend frei und flexibel gestaltbar ist. So können mit dem vorgeschlagenen Verfahren frei definierte Verbindungs- und/ oder Dichtnähte zwischen zwei aneinander angeordneten Bauteilen ausgebildet werden.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Verbinden zweier Bauteile ist das Werkzeug bzw. eine daran angeordnete Heizeinrichtung bzw. Elektrode zum Erwärmen der Beschichtung an der Anlagefläche an einem Bauteil verjüngt, insbesondere kegel-, keil- oder messerförmig ausgebildet. Ein derart ausgebildetes Werkzeug eignet sich aufgrund der durch eine Verjüngung definierteren Anlagefläche besonders zum lokalen Erwärmen eines begrenzten Bereichs des Bauteils bzw. einer zwischen zwei Bauteilen angeordneten Beschichtung in einem vorbestimmten Bereich zum Herstellen einer bezüglich ihrer zweidimensionalen Erstreckung definierten Verbindungsschicht.
In einem zweiten Aspekt wird zur Lösung der Aufgabe ein Verbundbauteil vorgeschlagen, welches insbesondere mit einem Verfahren gemäß der vorausgehenden Beschreibung aus wenigstens zwei miteinander verbundenen Bauteilen hergestellt ist. Das Verbundbauteil weist wenigstens eine zwischen zwei Bauteilen angeordnete, bezüglich ihrer zweidimensionalen Erstreckung definierte Verbindungsschicht auf. Das erste Bauteil ist aus einem ersten metallischen Werkstoff und das zweite Bauteil aus einem zweiten metallischen Werkstoff hergestellt und das erste und/ oder das zweite Bauteil weisen eine Beschichtung aus einem dritten metallischen Werkstoff auf, dessen Schmelztemperatur geringer ist, als die Schmelztemperatur des ersten und des zweiten Werkstoffs. Die definierte Verbindungsschicht des Verbundbauteils ist aus der Beschichtung des ersten Bauteils und/ oder des zweiten Bauteils mit dem dritten metallischen Werkstoff hergestellt.
Das Verbundbauteil weist eine oder mehrere bezüglich ihrer zweidimensionalen Erstreckung definierte Verbindungsschichten auf und ist mit einem Verfahren mit wenigstens einem oder mehreren Merkmalen des vorausgehend beschriebenen Verfahrens hergestellt. Entsprechend weist auch das Verbundbauteil wenigstens ein oder mehrere Merkmale der Verbindungsschicht auf, welche sich im Zusammenhang mit der vorausgehenden Beschreibung des Verfahrens zum Herstellen einer solchen Verbindungsschicht ergeben.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen

1a bis 1d in schematischer Darstellung einen beispielhaften Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 eine schematische Darstellung eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verbundbauteils; und
3 eine schematische Darstellung eines weiteren beispielhaften erfindungsgemäßen Verbundbauteils.

Die 1a bis 1d zeigen in schematischer Darstellung eine beispielhafte Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen wenigstens einer definierten Verbindungsschicht 20 zwischen zwei Bauteilen, wobei das erste Bauteil 11 aus einem ersten metallischen Werkstoff und das zweite Bauteil 12 aus einem zweiten metallischen Werkstoff hergestellt ist und das erste Bauteil 11 eine Beschichtung 13 aus einem dritten metallischen Werkstoff aufweist, dessen Schmelztemperatur geringer ist, als die Schmelztemperatur des ersten und des zweiten Werkstoffs.
In 1a ist das erste Bauteil 11 am zweiten Bauteil 12 in der vorgesehenen Verbindungslage angeordnet. Die Beschichtung 13 des ersten Bauteils 11 liegt zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil.
Wie in 1b dargestellt ist, wird die Beschichtung 13 bei dieser beispielhaften Ausführungsform mittels Widerstandsheizen von zwei mit Strom beaufschlagten Elektroden 16 lokal erwärmt. Die Ausbreitung der Wärme ist durch gepunktete Linien 16a angedeutet. Die Beschichtung 13 wird so zum Herstellen der bezüglich ihrer zweidimensionalen Erstreckung definierten Verbindungsschicht 20 vorbestimmten Bereich 21, der zwischen den Elektroden 16 durch gestrichelte Linien angedeutet ist, auf eine Verbindungstemperatur erwärmt, die oberhalb der Schmelztemperatur des dritten Werkstoffs liegt und unterhalb der Schmelztemperatur des ersten und zweiten Werkstoffs liegt. Das Werkzeug 16 zum Erwärmen der Beschichtung 13 ist dabei an der Anlagefläche 14 am ersten Bauteil 11 kegelförmig verjüngt ausgebildet.
In 1c ist ein Aneinanderpressen des ersten Bauteils 11 und des zweiten Bauteils 12 mit dazwischen angeordneter Beschichtung 13 gezeigt. Das Aneinanderpressen kann beispielsweise mit einem extra für diesen Schritt vorgesehenen Werkzeug erfolgen oder auch mit einem Werkzeug, mit dem Wärmeenergie in die Beschichtung 13 eingebracht wird. Obwohl das Aneinanderpressen der beiden Bauteile 11 und 12 in 1c nachfolgend zum in 1b gezeigten, lokalen Erwärmen der Beschichtung 13 dargestellt ist, können die Bauteile 11 und 12 während mehrerer Verfahrensschritte und insbesondere auch bereits ab dem lokalen Erwärmen der Beschichtung aneinander gepresst werden.
Hat die Beschichtung 13 im Bereich 21 der definierten Verbindungsschicht 20 die Verbindungstemperatur erreicht und ist wenigstens angeschmolzen, wird die Energiezufuhr gestoppt. Nach dem Unterbrechen der Energiezufuhr erfolgt ein Abkühlen der wenigstens angeschmolzenen Beschichtung 13, um beim Erstarren der Beschichtung 13 die fest mit dem ersten Bauteil 11 und fest mit dem zweiten Bauteil 12 verbundene und bezüglich ihrer zweidimensionalen Erstreckung definierte Verbindungsschicht 20 auszubilden. Zur Unterstützung der Abkühlung sind Kühlmittel einsetzbar, wie dies in 1d gezeigt ist. Bei der beispielhaften Ausführung wird die Oberfläche des ersten Bauteils 11 mittels eines durch eine Düse 30 auf die Oberfläche geleiteten Luftstroms 31 gekühlt, um eine geeignete Temperaturführung beim Erstarren der Verbindungsschicht 20 zu erreichen.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verbundbauteils 10 mit beispielhaft daran angeordneten Verbindungsschichten 20. Das Verbundbauteil ist aus einem ersten Bauteil 11 und einem zweiten Bauteil 12 hergestellt und weist drei beispielhafte Verbindungsschichten 22, 24 und 26 zwischen dem ersten und zweiten Bauteil 11, 12 auf. Das Bauteil 12 ist großflächig mit einer Funktionsbeschichtung 13 als Korrosionsschutz versehen, welche zwischen den Bauteilen 11, 12 angeordnet ist.
Die beiden Bauteile 11, 12 sind mit einer das Verbundbauteil 10 umlaufenden, linienförmigen definierten Verbindungsschicht 22 verbunden, zu deren Herstellung die Beschichtung 13 im vorbestimmten, gestrichelt dargestellten Bereich 23 lokal erwärmt wurde, um die bezüglich ihrer geometrischen zweidimensionalen Erstreckung definierte Form zu erhalten. Beispielsweise kann die Erwärmung dabei mittels eines fortschreitend über die Oberfläche des ersten und/ oder zweiten Bauteils 11, 12 geführten Werkzeugs erfolgt sein, oder beispielsweise auch mittels eines keil- bzw. messerförmig ausgeformten, entsprechend der erforderlichen Länge bzw. einer Teillänge des vorbestimmten Bereichs 23 linienförmig ausgestalteten Werkzeugs.
Das Verbundbauteil 10 weist ferner eine Öffnung 17 auf, die mittels einer kreisförmigen definierten Verbindungsschicht 24 gegen ein Eindringen von Fluiden oder ähnlichem abgedichtet ist. Zum Herstellen der Verbindungsschicht 24 wurde die Beschichtung 13 im vorbestimmten, gestrichelt dargestellten Bereich 25 lokal erwärmt, um die bezüglich ihrer geometrischen zweidimensionalen Erstreckung definierte Form zu erhalten. Zum Erwärmen des vorbestimmten Bereichs 25 kann beispielsweise ein keil- bzw. messerförmig ausgebildetes Werkzeug in Kreisform eingesetzt werden.
Ferner weist das Verbundbauteil 10 zur Verstärkung der Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Bauteil 11, 12 eine im Wesentlichen punktförmige Verbindungsschicht 26 auf. Zum Herstellen der Verbindungsschicht 26 wurde die Beschichtung 13 mittels einer punktförmig ausgebildeten Wärmequelle im vorbestimmten Bereich 27 lokal erwärmt, um die definierte Form zu erhalten.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren beispielhaften erfindungsgemäßen Verbundbauteils 10 mit beispielhaft daran angeordneten Verbindungsschichten 20. Das in 3 dargestellte Verbundbauteil 10 ist aus einem ersten Bauteil 11 hergestellt, welches eine Beschichtung 13 aufweist. Auch das Verbundbauteil 10 in 3 weist eine Öffnung 17 auf, welche mit einer am ersten Bauteil 11 befestigten zweiten Bauteil 12 in Form einer Scheibe 18 verstärkt ist. Die Scheibe 18 ist mittels einer Verbindungschicht 28 am ersten Bauteil 11 befestigt. Zum Herstellen der Verbindungsschicht 28 wurde die Beschichtung 13 im vorbestimmten, schraffiert dargestellten Bereich 29 lokal erwärmt, um die vordefinierte kreisringförmige Gestalt zu erhalten.
Des Weiteren ist am ersten Bauteil 11 ein mittels einer Verbindungschicht 36 befestigtes zweites Bauteil in Form eines Patches 19 angeordnet. Das Patch 19 ist am ersten Bauteil 11 befestigt. Zum Herstellen der Verbindungsschicht 36 wurde die Beschichtung 13 im vorbestimmten, schraffiert dargestellten Bereich 37 lokal erwärmt, um die vordefinierte Gestalt entsprechend der Abmessung des Patches 19 zu erhalten.
Bezugszeichenliste

10: Verbundbauteil
11: erstes Bauteil
12: zweites Bauteil
13: Beschichtung
14: Anlagefläche
16: Elektroden
16a: Wärmeausbreitung
17: Öffnung
18: Scheibe
19: Patch
20: Verbindungsschicht
21: vorbestimmter Bereich
22: Verbindungsschicht
23: definierter Bereich
24: Verbindungsschicht
25: definierter Bereich
26: Verbindungsschicht
27: definierter Bereich
28: Verbindungsschicht
29: definierter Bereich
30: Düse
31: Luftstrom
36: Verbindungsschicht
37: definierter Bereich

Claims

Verfahren zum Herstellen wenigstens einer bezüglich ihrer zweidimensionalen Erstreckung definierten Verbindungsschicht zwischen zwei Bauteilen, wobei das erste Bauteil (11) aus einem ersten metallischen Werkstoff und das zweite Bauteil (12) aus einem zweiten metallischen Werkstoff hergestellt ist und das erste und/ oder das zweite Bauteil (11, 12) eine Beschichtung (13) aus einem dritten metallischen Werkstoff aufweist, dessen Schmelztemperatur geringer ist, als die Schmelztemperatur des ersten und des zweiten Werkstoffs, mit den folgenden Schritten: - lokales Erwärmen der Beschichtung (13) in einem zum Herstellen der definierten Verbindungsschicht (20, 22, 24, 26, 28, 36) vorbestimmten Bereich (16, 23, 25, 27, 29, 37) auf eine Verbindungstemperatur, die oberhalb der Schmelztemperatur des dritten Werkstoffs liegt und unterhalb der Schmelztemperatur des ersten und unterhalb der Schmelztemperatur des zweiten Werkstoffs liegt; - Unterbrechen der Energiezufuhr, sobald die Beschichtung (13) im Bereich der definierten Verbindungsschicht (20, 22, 24, 26, 28, 36) zumindest angeschmolzen ist; - Abkühlen der zumindest angeschmolzenen Beschichtung (13), um beim Erstarren der Beschichtung (13) die fest mit dem ersten Bauteil (11) und fest mit dem zweiten Bauteil (12) verbundene bezüglich ihrer zweidimensionalen Erstreckung definierte Verbindungsschicht (20, 22, 24, 26, 28,36) auszubilden, wobei das erste Bauteil (11) und das zweite Bauteil (12) während wenigstens einem der Verfahrensschritte in der vorgesehenen Verbindungslage mit dazwischen angeordneter Beschichtung (13) aneinander gepresst werden.
Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen der wenigstens angeschmolzenen Beschichtung (13) im Wesentlichen entlang einer vorgegebenen Zeit-Temperatur-Kurve erfolgt.
Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abkühlen der wenigstens angeschmolzenen Beschichtung (13) ein aktiver Abkühlprozess eingesetzt wird, insbesondere unter Verwendung eines Kühlmittels (31), wie Kühlluft (31), Kühlwasser, Stickstoff, Trockeneis, wenigstens einer Kühlkokille oder eines Kühlwerkzeugs.
Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die am ersten Bauteil (11) und/ oder am zweiten Bauteil (12) angeordnete Beschichtung (13) eine Funktionsbeschichtung (13) ist, welche insbesondere aus Zink, Kupfer, Zinn, Messing oder Bronze hergestellt ist oder wenigstens einen überwiegenden Anteil aus einem oder mehreren dieser Werkstoffe aufweist.
Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bezüglich ihrer zweidimensionalen Erstreckung definierte Verbindungsschicht (20, 22, 24, 26, 28, 36) punkt- oder linienförmig ausgebildet ist, in wenigstens einer Richtung eine Erstreckung von weniger als 5 mm, insbesondere von weniger als 3 mm, insbesondere von weniger als 2 mm und insbesondere von weniger als 1 mm aufweist.
Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die linienförmige Verbindungsschicht (22, 24) bezogen auf die Oberfläche des wenigstens eines Bauteils, an welcher sie angeordnet ist, in wenigstens einer Richtung eine Erstreckung von mehreren Millimetern aufweist.
Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen der Beschichtung (13) im vorbestimmten Bereich (21, 23, 25, 27, 29, 37) mittels eines Werkzeugs (16) erfolgt, welches Energie in die Beschichtung (13) einbringt, wobei die Energie insbesondere mittels Widerstandsheizen, Induktionsheizen, Vibrationsheizen oder Ultraschallheizen eingebracht wird.
Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen der Beschichtung (13) sowie das Abkühlen der wenigstens angeschmolzenen Beschichtung (13) zum Herstellen der definierten Verbindungsschicht (20, 22, 24, 26, 28, 36) durch ein Werkzeug erfolgt, welches sowohl eine Heiz- als auch eine Kühlfunktion aufweist.
Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen der Beschichtung (13) zum Herstellen der definierten Verbindungsschicht (20, 22, 24, 26, 28, 36) mittels eines Werkzeugs (16) erfolgt, welches die Beschichtung (13) entsprechend der Form und Abmessung der vordefinierten Verbindungsschicht (20, 22, 24, 26, 28, 36) erwärmt.
Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen der Beschichtung (13) sowie das Abkühlen der wenigstens angeschmolzenen Beschichtung (13) zum Herstellen einer insbesondere linienförmigen Verbindungsschicht (20, 22, 24, 26, 28, 36) fortschreitend entlang des vorbestimmten Bereichs (21, 23, 25, 27, 29, 37) erfolgt.
Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (16) zum Erwärmen der Beschichtung (13) an einer Anlagefläche (14) an einem Bauteil (11, 12) verjüngt, insbesondere kegel-, keil- oder messerförmig ausgebildet ist.
Verbundbauteil hergestellt aus wenigstens zwei miteinander verbundenen Bauteilen insbesondere mit einem Verfahren gemäß wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einer zwischen zwei Bauteilen (11, 12) angeordneten, bezüglich ihrer zweidimensionalen Erstreckung definierten Verbindungsschicht (20, 22, 24, 26, 28, 36), wobei das erste Bauteil (11) aus einem ersten metallischen Werkstoff und das zweite Bauteil (12) aus einem zweiten metallischen Werkstoff hergestellt ist und das erste und/ oder das zweite Bauteil (11, 12) eine Beschichtung (13) aus einem dritten metallischen Werkstoff aufweist, dessen Schmelztemperatur geringer ist, als die Schmelztemperatur des ersten und zweiten Werkstoffs, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Verbindungsschicht (20, 22, 24, 26, 28, 36) aus der Beschichtung (13) des ersten Bauteils (11) und/ oder des zweiten Bauteils (12) mit dem dritten metallischen Werkstoff hergestellt ist.