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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Diffusionsfügen, bei dem ein erster und ein zweiter Stempel verwendet werden. Zwischen dem ersten und dem zweiten Stempel werden mindestens zwei plattenartige Fügeteile mit einer Fügeebene zwischen den mindestens zwei Fügeteilen angeordnet. Zum Diffusionsfügen wird ferner mittels des ersten und/oder des zweiten Stempels ein Druck im Wesentlichen senkrecht zur Fügeebene auf die mindestens zwei Fügeteile aufgebracht. Zusätzlich ist vorgesehen, dass zum Druck eine Druckvariation aufgebracht wird.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Diffusionsfügen, insbesondere zum Durchführen eines Diffusionsfügeverfahrens. Die Vorrichtung weist einen ersten und einen zweiten Stempel auf, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Stempel mindestens zwei plattenartige Fügeteile mit einer Fügeebene zwischen den mindestens zwei Fügeteilen anordenbar sind. Es ist eine Druckerzeugungseinrichtung zum Aufbringen eines Druckes im Wesentlichen senkrecht zur Fügeebene auf die mindestens zwei Fügeteile mittels des ersten und/oder des zweiten Stempels vorgesehen. Die Druckerzeugungseinrichtung ist auch zum Variieren des Druckes ausgebildet.
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Beim Diffusionsfügen werden zwei zu verbindende Bauteile, welche meistens plattenartig ausgeführt sind, aufeinandergelegt. Die Kontaktfläche dieser beiden plattenartigen Fügeteile wird als Fügeebene bezeichnet. Grundsätzlich können die Fügeteile auch als Halbzeug oder dergleichen bezeichnet werden. Zum Aufbauen der Verbindung zwischen den beiden Fügeteilen, wird meist im Wesentlichen senkrecht zur Fügeebene Druck auf die beiden Fügeteile aufgebracht. Idealerweise entsteht an der Fügeebene eine Verbindung zwischen den beiden Fügebauteilen, welche ähnliche oder die gleichen Eigenschaften wie die Grundwerkstoffe aufweisen.
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Das Diffusionsfügen kann nicht nur mit zwei Fügeteilen, sondern auch mit einer Mehrzahl von stappelartig angeordneten Fügeteilen ausgeführt werden. Das Ergebnis ist dann eine kompositartige Struktur.
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Um gängige Diffusionsfügeverfahren auszuführen, werden meist die mindestens zwei Fügeteile auf beziehungsweise zwischen zwei Stempeln angeordnet. Über eine Druckerzeugungseinrichtung werden diese zwei Stempel in Richtung zueinander verfahren, so dass Druck auf die Fügebauteile idealerweise im Wesentlichen senkrecht zur Fügeebene aufgebracht wird. Dies führt dann zum Diffusionsfügen, so dass eine schweißnahtähnliche Verbindung an der Fügeebene zwischen den beiden Fügebauteilen entsteht.
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Diffusionsfügeverfahren sind bereits seit längerem, ca. seit 50 Jahren bekannt. Im Laufe der Zeit sind verschiedene Theorien über die exakten Eigenschaften und Wandlungen während es Diffusionsfügens aufgestellt worden.
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Eine gängige Theorie unterteilte das Diffusionsfügen in einen dreistufigen Prozess.
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In der ersten dieser Stufen werden durch den Anpressdruck mikroskopischen Deformationen auf der Oberfläche der beiden Fügeteile an der Fügeebene durch plastische Deformationen verringert, beziehungsweise beseitigt. Hierbei geht man davon aus, dass sich anfängliche punktförmige Berührungsstellen durch plastische Verformung derart vergrößern, bis eine im Wesentlichen kontinuierliche Kontaktfläche ausgebildet ist. Die lokale Spannung in den Materialen fällt unter die Fließspannung, so dass das Ausbilden einer idealen Oberfläche begünstigt wird. Auf den Fügebauteilen in der Fügeebene sind meist noch Oxidschichten vorhanden. Diese stellen ein Hindernis für das Diffusionsfügen dar. In der ersten Stufe wird ferner angenommen, dass diese Oxidschichten während der plastischen Verformung aufgesprengt werden und als grobe Schollen noch auf der Oberfläche vorliegen, jedoch nicht mehr durchgehend sind.
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Zeitlich parallel zu der ersten Stufe finden bereits an planen Stellen diffusionsgesteuerte Kriechprozesse statt, welche zusätzlich zur Vergrößerung der Grenzkontaktflächen und damit zum Schließen vorhandener Hohlräume führen.
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In der letzten Stufe wird angenommen, dass durch Volumendiffusion verbleibende Lücken geschlossen sind, beziehungsweise letztendlich geschlossen werden. Durch weitere Umformungs- und Diffusionsprozesse werden die ehemaligen Grenzflächen, welche in der Fügeebene lagen, aufgehoben und es entsteht eine Verbindung zwischen den beiden Fügeteilen, welche als Schweißverbindung bezeichnet wird. Teilweise liegen hierbei auch rekristallisierte Bereiche vor.
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Ein wesentlicher Punkt der zum erfolgreichen Durchführen eines Diffusionsfügeverfahrens notwendig ist, ist das Aufbrechen der zuvor beschriebenen Oxidschichten. Dies kann zwar auch durch den reinen Druck sowie durch die entsprechenden Umformvorgänge erfolgen, es ist jedoch auch bekannt, dass das Aufbrechen der Oxidschichten durch eine Variation des Druckes verbessert wird.
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Ein diesbezügliches Verfahren ist beispielsweise in der
CN 105 689 884 A beschrieben. Hierbei wird über einen ersten Stempel der Grunddruck auf die Fügeteile aufgebracht. Über einen weiteren Stempel wird mittels eines Ultraschallwerkzeugkopfes eine axiale Schwingung eingebracht. Dies soll zu einer ausreichenden Druckvariation führen.
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Ein ähnliches Verfahren ist aus der JPS 61229485 A bekannt. Auch hier wird die Druckvariation über einen Ultraschallwerkzeugkopf, welcher gegenüber dem eigentlichen Stempel liegt, eingebracht. Ferner ist aus dieser Druckschrift bekannt, dass durch Erhöhung des Ausgangsdruckes ab einem gewissen Druck die Druckvariation überlagert wird und nicht mehr an den Fügeteilen zu messen ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Diffusionsfügen anzugeben, bei denen ein einfacher Aufbau vorgesehen ist, welche effizient anzuwenden sind und eine qualitativ hochwertige Verbindung zwischen dem Fügebauteilen herstellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Diffusionsfügen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Diffusionsfügen mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung sowie in der Figur und deren Erläuterung angegeben.
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Entsprechend der Erfindung ist ein gattungsgemäßes Diffusionsfügeverfahren dadurch weitergebildet, dass der Druck und die Druckvariation über den ersten Stempel auf die mindestens zwei Fügeteile aufgebracht werden. Hierbei ist auch vorgesehen, dass der zweite Stempel als starrer ambossartiger Stempel verwendet wird.
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Der Erfindung liegen im Wesentlichen zwei Grundgedanken zugrunde. Der erste Grundgedanke kann darin gesehen werden, dass sowohl der Druck als auch die Druckvariation über denselben Stempel, das heißt über dieselbe Einrichtung auf die mindestens zwei Fügeteile aufgebracht wird. Dies hat zur Folge, dass gerade die Probleme, welche aus dem Stand der Technik bekannt sind, dass die Druckvariation, sofern sie über ein anderes Bauteil eingebracht wird, ab einem gewissen Grunddruck nicht mehr in ausreichender Stärke auf der Fügeebene ankommt, nicht mehr auftreten.
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Da die Druckvariation direkt über denselben Stempel wie der Druck eingebracht wird, wird relativ einfach sichergestellt, dass die Variation auch an der Fügeebene vorhanden ist. Dies hat wiederum deutliche Auswirkungen auf die Schnelligkeit und Qualität des Abbauens beziehungsweise Aufbrechens der Oxidschichten. Insgesamt hat dies zur Folge, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Diffusionsfügen deutlich schneller durchgeführt werden kann als mit herkömmlichen Verfahren. Auch wird eine höhere Qualität der Schweißverbindungen zwischen den beiden Fügeteilen ermöglicht, da ein Aufbrechen beziehungsweise Abbauen der Oxidschichten besonders gut erreicht wird.
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In diesem Zusammenhang ist auch der zweite Grundgedanke zu sehen. Da entsprechend der Erfindung der Druck und die Druckvariation über denselben Stempel eingebracht wird, kann der zweite Stempel starr, beispielsweise in Form eines amboßartigen Stempels ausgeführt sein. Anders ausgedrückt muss lediglich ein Stempel verfahrbar beziehungsweise mit Druck beaufschlagbar ausgebildet sein. Dies verringert den Konstruktions- und Steueraufwand für eine derartige Anlage. Besonders deutlich tritt dies auf, sofern das Diffusionsfügeverfahren in einer Kammer, welche beispielsweise vakuumiert sein kann, durchgeführt wird. Hierbei ist es notwendig, entsprechende Dichtungen an allen in die Kammer beweglichen Bauteilen vorzusehen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren muss nur eine Dichtung zum Bewegen des ersten Stempels vorgesehen sein, da der zweite Stempel starr ausgeführt ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird für die Frequenz der Druckvariation ein Bereich von 0,5 Hz bis 200 Hz gewählt. Hier wurde erkannt, dass diese relativ geringe Frequenz gerade ein ausreichend gutes Aufsprengen der Oxidschichten veranlasst. Wird eine höhere Frequenz verwendet, so ist dies entsprechend den Erkenntnissen der Erfindung nicht in derart zuverlässiger Art und Weise der Fall.
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Grundsätzlich kann die Druckvariation beliebig gewählt werden. Der Grunddruck, welcher für ein Diffusionsfügeverfahren verwendet wird, hängt wesentlich von den zu verbindenden Materialien ab. So wird beispielsweise beim Verbinden von Materialien wie Aluminiumlegierungen meist ein Druck zwischen 1 MPa und 5 MPa verwendet. Hingegen wird beim Verbinden von zwei Fügeteilen aus Edelstahl ein Druck im Bereich von 15 MPa bis 20 MPa eingesetzt. Noch höhere Drücke im Bereich von 20 MPa bis 50 MPa werden beispielsweise beim Diffusionsfügen von Hartmetallen oder Metallmatrixverbundwerkstoffen verwendet.
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Bevorzugt ist es, wenn der minimale Druck, welcher an der Fügeebene mittels der Druckvariation anliegt, zwischen 25% und 75% des maximalen Druckes ist. Idealerweise wird ein Bereich zwischen 40% und 60% gewählt. Dies entspricht im Wesentlichen einem Verfahren des ersten Stempels im Bereich von 5 µm bis 50 µm.
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Eine derartige Variation des Druckes eignet sich besonders gut, um die Oxidschichten aufzubrechen ohne hierbei die grundlegenden oben beschriebenen Prozesse, die während des Fügens auftreten, zu unterbrechen. Dies wäre der Fall, wenn der Druck eine Zeitlang komplett nicht anliegen würde.
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Vorteilhaft ist es, wenn als erster Stempel ein oberer Stempel gewählt und als zweiter Stempel ein unterer Stempel gewählt wird. Grundsätzlich ist aber auch eine inverse Wahl möglich. Die Wahl des oberen Stempels als beweglichen Stempel über den der Druck sowie die Druckvariation eingebracht wird, erleichtert den Aufbau einer Vorrichtung zum Diffusionsfügen, da, wenn der untere Stempel fest ist, die Fügebauteile einfacher auf diesen abgelegt werden können.
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Die Druckvariation kann in beliebiger Weise erfolgen. Vorteilhaft ist es, wenn eine zyklische Druckvariation vorgesehen ist. Hierbei sind verschiedene Druckformen beispielsweise sinusförmig oder stufenförmig denkbar. Besonders gute Ergebnisse haben sich bei einem sägezahnähnlichen Verlauf ergeben. Dies bedeutet, dass hierbei die Oxidschichten besonders gut aufgebrochen werden können ohne die Diffusionsfügevorgänge hierbei unnötig zu verlängern. Der sägezahnähnliche Verlauf kann zwei im wesentlichen gleiche Flanken aufweisen. Es ist aber auch möglich, einen sehr schnellen Anstieg mit einer kontinuierlichen Verringerung des Druckes vorzusehen. Auch eine Ausführung mit einem kontinuierlichen Anstieg des Druckes und mit einem abrupten Abfall ist möglich und liefert gute Ergebnisse.
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Das Fügeverfahren kann insbesondere zum Diffusionsschweißen, zum Diffusionslöten und/oder zum TLP Diffusionsschweißen eingesetzt werden. Diese Verfahren sind grundsätzlich als Unterarten von Diffusionsfügen anzusehen. Beim Diffusionsschweißen wird zwischen den beiden Fügeteilen auf der Fügeebene meist kein zusätzliches Material vorgesehen. Demgegenüber wird beim Diffusionslöten und TLP-Diffusionsschweißen ein Flussmittel oder dergleichen auf der Fügeebene vorgesehen, welches abhängig von den Materialien der Fügeteile eine bessere Verbindung als beim reinen Diffusionsschweißen ermöglicht.
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Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Diffusionsfügeverfahren mit verschiedenen Materialien wie Metallen, Kunststoffen als auch Kombinationsmaterialien ausgeführt werden.
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Entsprechend der Erfindung ist eine gattungsgemäße Vorrichtung dadurch weitergebildet, dass der zweite Stempel starr und ambossartig ausgeführt ist. Demgegenüber ist der erste Stempel mit der Druckerzeugungseinrichtung zum Aufbringen des Druckes und der Druckvariation auf die mindestens zwei Fügeteile gekoppelt und ausgebildet.
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Eine derartige Vorrichtung eignet sich besonders gut, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist sichergestellt, dass die Druckvariation, welche durch denselben Stempel wie auch der Grunddruck eingebracht wird, auch auf die Fügeebene wirkt und hierbei die Oxidschichten oder Verunreinigungen effizient aufbricht. Durch das Ausbilden des zweiten Stempels als starr und/oder ambossartig, kann sofern die Vorrichtung in einer Kammer angeordnet ist, auf die Abdichtungsproblematik von beweglichen Bauteilen, wie des zweiten Stempels, verzichtet werden, da dieser sich im Wesentlichen nicht bewegt.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Druckerzeugungseinrichtung dafür ausgebildet ist, eine Druckvariation mit einer Frequenz von 0,5 Hz bis 200 Hz zu erzeugen. Wie bereits ausgeführt, hat sich herausgestellt, dass eine Druckvariation mit einer derart niedrigen Frequenz erstaunlicherweise ein effizientes Aufbrechen der Oxidschichten ermöglicht sowie und vermutlich auch deshalb eine besonders gute Verbindung zwischen den beiden Fügeteilen herstellt.
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Wie bereits ausgeführt, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Fügekammer vorgesehen sein, in der sowohl der erste wie auch der zweite Stempel angeordnet sind. Zusätzlich kann in der Fügekammer ein Heizelement eingebaut sein, welche der Erhöhung der Temperatur in der Fügekammer dient. Abhängig von den verwendeten Materialien, welche zusammengefügt beziehungsweise geschweißt werden sollen, sind gängiger Weise unterschiedliche Temperaturen vorteilhaft, um das Verfahren zu beschleunigen beziehungsweise eine ausreichend stabile Verbindung zu erzeugen. Beispielsweise werden Aluminiumlegierungen bevorzugt in einer Kammer mit einer Temperatur zwischen 400°C und 600°C zusammengefügt. Edelstahl verbindet sich besonders gut bei einer Kammertemperatur zwischen 900°C und 1100°C. Noch härtere Metalle oder Verbundwerksstoffe werden zum Teil auch bei Temperaturen über 1100°C verarbeitet.
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Grundsätzlich kann die Druckerzeugungseinrichtung, welche mit einem der Stempel gekoppelt ist, beliebig ausgeführt sein. Es bietet sich beispielsweise an, diese mechanisch, hydraulisch und/oder piezoelektrisch zum Erzeugen der Druckvariation auszuführen. Werden wie entsprechend der Erfindung vorgeschlagen relativ niedrige Frequenzen verwendet, so ist oft eine mechanische oder hydraulische Ausführung ausreichend und vorteilhaft, da diese einfacher aufgebaut wird. Eine piezoelektrische Ausführung, die grundsätzlich auch zum Einbringen von höheren Frequenzen geeignet wäre, ist nicht zwingend erforderlich, kann jedoch ebenso verwendet werden. Bevorzugt handelt es sich bei der Druckerzeugungseinrichtung um eine Einrichtung, welche sowohl den Basisdruck als auch eine Variation aufbringt, beispielsweise durch Verändern des Betriebsdruckes.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines schematischen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur näher erläutert. Diese zeigt:
- 1 einen schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Diffusionsfügen.
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In 1 ist eine stark vereinfachte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Diffusionsfügen gezeigt.
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Diese weist als wesentliche Bauteile einen ersten Stempel 11 sowie einen zweiten Stempel 12 auf. Der zweite Stempel 12 ist auf einer Tragestruktur 13 angeordnet. Den ersten 11 und den zweiten Stempel 12 sowie die Tragestruktur 13 umhaust eine Reaktionskammer 14. Zusätzlich ist in der Reaktionskammer 14 ein Heizelement 16 vorgesehen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ist entsprechend der Erfindung derart ausgebildet, dass der zweite Stempel 12 fest auf der Tragestruktur 13 angeordnet ist. Lediglich der erste Stempel 11 ist beweglich vorgesehen. Über diesen kann sowohl ein Druck wie auch eine Druckvariation aufgebracht werden.
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In der Kammer 14 selbst kann je nach exaktem Ausführen des erfindungsgemäßen Diffusionsfügeverfahrens ein Vakuum herrschen. Jedoch ist es auch möglich, eine Schutzgasatmosphäre vorzusehen oder auch die normale Atmosphäre mit unterschiedlichem oder gleichem Druck zum Umgebungsdruck.
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In 1 sind zwischen dem ersten Stempel 11 und dem zweiten Stempel 12 zwei Fügeteile 21, 22 vorgesehen. Diese berühren sich an ihrer Fügeebene 23.
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Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand des Aufbaus aus 1 näher erläutert.
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Nachdem zwei Fügeteile 21, 22 auf dem zweiten Stempel 12, welcher in dieser Ausführung der untere Stempel ist, angeordnet sind, wird der erste Stempel 11 auf die Fügeteile 21, 22 zugefahren. Sobald ein Kontakt besteht, wird weiterhin Druck über den ersten Stempel 11 auf die beiden Fügeteile 21, 22 aufgebracht.
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Zusätzlich zu einem konstanten Druck wird entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre eine Druckvariation über den ersten Stempel 11 auf die beiden Fügeteile 21, 22 und insbesondere auf die Fügeebene 23 aufgebracht. Mittels dieser Druckvariation ist es möglich, eine Oxidschicht, welche auf beiden Fügeteilen 21, 22, insbesondere an der Fügeebene 23 besteht, aufzubrechen, so dass eine gute und qualitativ hochwertige Fügeverbindung erfolgen kann. Das Erzeugen der Fügeverbindung wird verbessert, indem mittels des Heizelementes 16 die Temperatur in der Kammer 14 erhöht wird. Hierbei können Temperaturen bis über 1000°C notwendig sein.
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Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Ausführung ist, dass da lediglich über den ersten Stempel 11 der Druck sowie die Druckvariation eingebracht wird, keine zwei Bauteile, welche sich aktiv bewegen beziehungsweise einen Druck aufbringen, gegeneinander wirken. Hierdurch wird der Verschleiß insgesamt verringert. Auch ist eine Ausführung des zweiten Stempels 12 einfacher möglich, da dieser sich nicht bewegt und somit fest in der Kammer 14 mit der Tragestruktur 13 angeordnet werden kann.
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Entsprechend der Erfindung wird die Druckvariation bevorzugt lediglich mit einer Frequenz zwischen 0,5 Hz und 200 Hz vorteilhafterweise im Bereich von 10 Hz bis 20 Hz beziehungsweise um 100 Hz eingebracht. Derartige Ausführungen machen es möglich, das Aufbringen der Druckdifferenz bereits durch einfaches schnelles mechanisches An- und Abfahren des ersten Stempels 11 zu erzeugen. Grundsätzlich sind aber auch andere Möglichkeiten hierfür denkbar, beispielsweise kann eine mechanische Unwucht vorgesehen sein oder auch der Druck hydraulisch zügig variiert werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es somit möglich, einen einfachen Aufbau bereitzustellen und dennoch ein effizient anzuwendendes Verfahren anzugeben, welches eine qualitativ hochwertige Verbindung von zwei Fügeteilen herstellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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