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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von Werkstücken, wobei mindestens eines der Werkstücke einen Werkstoffverbund mit zwei Metallschichten und eine zwischen den Metallschichten angeordnete Polymerschicht umfasst, die Werkstücke entlang ihrer Verbindungskanten im Stumpfstoß zueinander positioniert werden und durch eine thermische Einwirkung stoffschlüssig entlang ihrer Verbindungskanten miteinander verbunden werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung im Stumpfstoß über Verbindungskanten stoffschlüssig miteinander verbundene Werkstücke, wobei mindestens eines der Werkstücke einen Werkstoffverbund mit zwei Metallschichten und einer zwischen den Metallschichten angeordneten Polymerschicht umfasst.
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Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von Werkstücken im Stumpfstoß bekannt, wobei mindestens eines der zu verbindenden Werkstücken aus einem Werkstoffverbund besteht, beispielsweise durch Verwendung eines Induktors oder Konduktors zum Hochfrequenz-Schweißen, s.
EP 2 655 004 B1 , oder Schweißen mittels Laserstrahlung, s.
DE 42 21 251 C1 . Ein gattungsgemäßes Werkstück ist beispielsweise in der deutschen Patentschrift
DE 10 2014 007 066 B3 der Anmelderin beschrieben, welches insbesondere schmelzschweiß- und lötgeeignet ist.
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Werkstoffverbunde umfassend zwei Metallschichten und eine zwischen den Metallschichten angeordnete Polymerschicht werden beispielsweise in akustisch sensiblen Bereichen eingesetzt, zum Beispiel im Fahrzeug- aber auch im Schiffbau. Die zwischen den Metallschichten angeordnete Polymerschicht bewirkt eine gute Körperschalldämpfung.
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Beim stoffschlüssigen Verbinden von Werkstücken, insbesondere im Stumpfstoß, wobei zumindest eines der Werkstücke einen Werkstoffverbund aufweisend zwei als Decklagen ausgeführte Metallschichten und eine zwischen den Decklagen als Kernlage ausgeführte Polymerschicht bildet, wirkt sich die Polymerschicht beim thermischen Verbinden störend auf den Verbindungsprozess aus, da aufgrund der einwirkenden Temperatur das Polymer im Verbindungsbereich verflüssigt und/oder zumindest teilweise in die Gasphase übergeht. Die Störungen äußern sich durch starke Spritzerbildung, Bindefehler und Poren in der Verbindungsnaht. Um diese Störungen im Wesentlichen zu vermeiden bzw. zu reduzieren, kann dieses Problem durch lokales Entfernen oder lokales Weglassen der Polymerschicht im Zuge der Herstellung des Werkstoffverbunds im Verbindungbereich im Wesentlichen behoben werden. Neben dem zusätzlichen Aufwand zur lokalen Entfernung bedingt dies ebenfalls eine genaue Kenntnis der Position der Verbindungsbereiche bei der Herstellung des Werkstoffverbunds, da eine nachträgliche Entfernung nach der Herstellung des Werkstoffverbunds nicht möglich ist bzw. sehr aufwendig ist, vgl.
JP 08-229686 A .
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Die Aufgabe ist daher, ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von Werkstücken zur Verfügung zu stellen, mit welchem im Vergleich zum Stand der Technik ein im Wesentlichen stabiler und/oder störungsfreier Verbindungsprozess realisiert werden kann und entsprechende im Stumpfstoß stoffschlüssig miteinander verbundene Werkstücke bereit zu stellen.
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Die Aufgabe wird in Bezug auf ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und in Bezug auf im Stumpfstoß stoffschlüssig miteinander verbundene Werkstücke mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Die Erfinder haben festgestellt, dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Werkstücken im Stumpfstoß, wobei mindestens eines der Werkstücke einen Werkstoffverbund mit zwei Metallschichten und eine zwischen den Metallschichten angeordnete Polymerschicht umfasst, ohne aufwendige lokale Entfernung der Polymerschicht im Verbindungsbereich erfolgen kann. Erfindungsgemäß wird vor oder während des thermischen Einwirkens zum stoffschlüssigen Verbinden der Werkstücke Wärme zumindest in eine der Metallschichten des Werkstoffverbunds entlang der Verbindungskante eingebracht, welche eine Vergrößerung des Abstands zwischen den Metallschichten bewirkt. Unter Vergrößerung des Abstandes zwischen den Metallschichten des Werkstücks entlang der Verbindungskante ist gemeint, dass ein Auseinanderklaffen bzw. eine Einstellung eines Spalts bewirkt wird, so dass eine Möglichkeit zum Entgasen der zumindest teilweise verdampfenden Polymerschicht durch das thermische Einwirken zum stoffschlüssigen Verbinden bereitgestellt werden kann. Dadurch kann der Verbindungsprozess stabiler und/oder störungsfreier umgesetzt werden.
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Die Vergrößerung des Abstands zwischen den Metallschichten des Werkstücks entlang der Verbindungskante erfolgt infolge der mit einer gezielten Einbringung von Wärme einhergehenden Verformungen und Spannungen lokal innerhalb der Metallschicht. Das gezielte, lokale und einseitige Einbringen der Wärme in die mindestens eine Metallschicht des Werkstoffverbunds erfolgt entlang der Verbindungskante, wobei die Metallschicht durch den umgebenden Werkstoff in ihrer Ausdehnung behindert wird, so dass Druckspannungen auftreten, wobei es gleichzeitig durch den Wärmeeinfluss respektive Temperatureinfluss zu einem Absinken der Streckgrenze der Metallschicht und damit zum Auftreten von plastischen Verformungen kommt. Beim nachfolgenden Abkühlen kommt es zu einer Hemmung der Schrumpfung und damit zu Zugspannungen, welche sich bei Überschreiten der Streckgrenze in einer plastischen Verformung äußern können. Dadurch herrschen lokal Eigenspannungen und Geometrieänderungen in der mindestens einen Metallschicht vor, welche gezielt zur Einstellung eines Spaltes zwischen den Metallschichten des Werkstoffverbunds genutzt werden können.
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Nach der Wärmeeinbringung bildet sich in der Metallschicht lokal eine im Wesentlichen parallel zur Verbindungskante verlaufende Wärmeeinflusszone aus.
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Das den Werkstoffverbund bildende Werkstück weist eine Dicke von mindestens 2 mm, insbesondere von mindestens 3 mm, vorzugsweise von mindestens 4 mm, bevorzugt von mindestens 5 mm auf, wobei die Metallschichten symmetrisch oder asymmetrisch, das heißt, in ihrer Dicke auch unterschiedlich ausgeführt sein können. Insbesondere weisen die Metallschichten jeweils eine Dicke von mindestens 1 mm, vorzugsweise von mindestens 2 mm, bevorzugt von mindestens 2,5 mm auf. Eine Begrenzung der Dicke der Metallschichten kann mit jeweils 10 mm, insbesondere mit jeweils 8 mm angegeben werden. Die Polymerschicht weist beispielsweise eine Dicke zwischen 0,005 und 0,5 mm, insbesondere zwischen 0,01 und 0,2 mm, vorzugsweise zwischen 0,02 und 0,1 mm auf. Die Polymerschicht kann auch mehrschichtig ausgeführt sein und als eine Polymerschicht verstanden werden. Die Polymerschicht weist bevorzugt sehr gute Klebeigenschaften auf und dient besonders bevorzugt zum stoffschlüssigen Verbinden bzw. Verkleben der beiden Metallschichten des Werkstoffverbunds. Die Metallschicht kann eine Schicht aus einer Stahllegierung oder aus einer Aluminiumlegierung sein. Insbesondere ist die Polymerschicht viskoelastisch. Die Polymerschicht kann aus einem silikonbasierten System bestehen. Grundsätzlich sind auch andere Werkstoffe (Polymere) denkbar, die eine ausreichende dämpfende Funktion haben.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor. Ein oder mehrere Merkmale aus den Ansprüchen, der Beschreibung wie auch der Zeichnung können mit einem oder mehreren anderen Merkmalen daraus zu weiteren Ausgestaltungen der Erfindung verknüpft werden. Es können auch ein oder mehrere Merkmale aus den unabhängigen Ansprüchen durch ein oder mehrere andere Merkmale verknüpft werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Wärme zur Vergrößerung des Abstands zwischen den Metallschichten des Werkstoffverbunds parallel zur Verbindungskante in einem Abstand zwischen 0,1 mm und 10 mm in mindestens eine der Metallschichten des Werkstoffverbunds eingebracht. Um eine gezielte plastische Verformung, insbesondere abhängig von der Dicke und/oder Zusammensetzung der Metallschicht, in der Metallschicht parallel entlang der Verbindungskante durch Eigenspannungen bewirken zu können, ist ein Abstand von mindestens 0,1 mm, insbesondere von mindestens 0,2 mm, vorzugsweise von mindestens 0,5 mm, bevorzugt von mindestens 1,0 mm zu wählen. Um den Spalt bzw. die Vergrößerung des Abstandes zwischen den Metallschichten nicht zu groß werden zu lassen, was anschließend zu einer unzureichenden stoffschlüssigen Verbindung im Stumpfstoß führen könnte, ist der Abstand auf maximal 10 mm, insbesondere auf maximal 9 mm, vorzugsweise auf maximal 8 mm begrenzt. Der Abstand wird zwischen der Verbindungskante und dem Grenzbereich/-punkt des Übergangs zur Wärmeeinflusszone gemessen bzw. ermittelt respektive festgelegt, wobei anhand von Untersuchungsreihen und/oder Simulationen (trial and error) die optimalen Parameter ermittelt werden können.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch die eingebrachte Wärme zur Vergrößerung des Abstands zwischen den Metallschichten des Werkstoffverbunds eine Temperaturdifferenz zwischen der mit Wärme beaufschlagten Metallschicht und der weiteren Metallschicht von mindestens 300 K eingestellt. Um eine gezielte plastische Verformung, insbesondere abhängig von der Dicke und/oder Zusammensetzung der Metallschicht, in der Metallschicht parallel entlang der Verbindungskante durch Eigenspannungen bewirken zu können, ist eine Temperaturdifferenz von mindestens 300 K, insbesondere von mindestens 400 K, vorzugsweise von mindestens 500 K, bevorzugt von mindestens 600 K zu wählen. Beispielsweise kann auch ein lokales Aufschmelzen durch die Wärmeeinbringung erzeugt werden, um, wenn es erforderlich ist, eine gezielte plastische Verformung der mindestens einen der Metallschichten entlang der Verbindungskante einzustellen. Anhand von Untersuchungsreihen und/oder Simulationen (trial and error) können die optimalen Parameter ermittelt werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Wärme mit einer definierten Streckenenergie in J/m und in einem definierten Abstand in mm eingebracht, so dass sich eine Vergrößerung des Abstands der Metallschichten des Werkstoffverbunds entlang der Verbindungskante von mindestens 0,05 mm einstellt. Die definierte Streckenenergie ist in Abhängigkeit von dem definierten Abstand derart zu wählen, dass diese größer ist, als sie erforderlich wäre, um beispielsweise eine gezielte Verformung bei einer nicht verklebten Metallschicht bewirken zu können, da zusätzlich innerhalb des Werkstoffverbunds Energie notwendig ist, um die Metallschicht zumindest bereichsweise von der vorzugsweise mit Klebeigenschaften versehenen Polymerschicht lösen zu können. Anhand von Untersuchungsreihen und/oder Simulationen (trial and error) können die optimalen Parameter ermittelt werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die thermische Einwirkung zum stoffschlüssigen Verbinden und/oder Wärmeeinbringung zur Vergrößerung des Abstandes zwischen den Metallschichten des Werkstoffverbunds über mindestens eine Strahlquelle. Als Strahlquelle können verschiedene Wärmequellen eingesetzt werden, welche eine hohe Energiedichte und/oder eine hohe Genauigkeit bereitstellen, welche insbesondere erforderlich sind, um eine exakte Vergrößerung des Abstands der Metallschichten gezielt einstellen zu können, so dass Strahlquellen in Form von Laserstrahlquellen, Elektronenstrahlquellen oder Plasmastrahlquellen verwendet werden können.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Wärme in die mindestens eine der Metallschichten des Werkstoffverbundes entlang der Verbindungskante vor dem Positionieren der im Stumpfstoß zu verbindenden Werkstücke eingebracht. Insbesondere kann dadurch die Vorbereitung der einzustellenden Vergrößerung des Abstands zwischen den Metallschichten des Werkstückverbunds vorab und unabhängig vom Verbindungsprozess erfolgen. Entweder erfolgt die Wärmeeinbringung in ein und derselben Vorrichtung wie die thermische Einwirkung oder es werden zwei unterschiedliche Vorrichtungen verwendet, wobei in der einen Vorrichtung die Wärmeeinbringung und in der anderen Vorrichtung das thermische Einwirken umgesetzt wird.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Wärme in mindestens eine der Metallschichten des Werkstoffverbunds entlang der Verbindungskante nach dem Positionieren der im Stumpfstoß zu verbindenden Werkstücke eingebracht und die Werkstücke werden anschließend stoffschlüssig miteinander verbunden. Die Wärmeeinbringung erfolgt in ein und derselben Vorrichtung wie die thermische Einwirkung, wobei durch die bereits vorhandene Positionierung der im Stumpfstoß stoffschlüssig zu verbindenden Werkstücke Toleranzen im Wesentlichen effektiver ausgeglichen werden können. Bevorzugt erfolgt die Wärmeeinbringung zur Vergrößerung des Abstands zwischen den Metallschichten des Werkstoffverbunds und die thermische Einwirkung zum stoffschlüssigen Verbinden über eine Strahlquelle. So kann beispielsweise zeitlich nachgeordnet zunächst die Strahlquelle zur Einbringung der Wärme für die Vergrößerung des Abstands der Metallschichten des Werkstoffverbunds entlang der Verbindungskante und anschließend zum thermischen Einwirken für das stoffschlüssige Verbinden verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgen die thermische Einwirkung zum stoffschlüssigen Verbinden und die Wärmeeinbringung zur Vergrößerung des Abstands zwischen den Metallschichten des Werkstoffverbunds im Wesentlichen gleichzeitig, wobei eine Strahlquelle zur Wärmeeinbringung und eine Strahlquelle zum thermischen Einwirken vorgesehen ist und wobei die Strahlquelle zur Wärmeeinbringung im Wesentlichen mit einem Versatz vorlaufend zur Strahlquelle zum thermischen Einwirken angeordnet sein kann. Alternativ kann auch nur eine Strahlquelle verwendet werden, wobei über geeignete Mittel, wie beispielsweise Strahlteiler, die Strahlung für die Wärmeeinbringung und für das thermische Einwirken entsprechend aufgeteilt werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung im Stumpfstoß über Verbindungskanten stoffschlüssig miteinander verbundene Werkstücke, wobei mindestens eines der Werkstücke einen Werkstoffverbund mit zwei Metallschichten und eine zwischen den Metallschichten angeordnete Polymerschicht umfasst, wobei eine im Wesentlichen parallel und mit Abstand zur Verbindungskante in mindestens einer der Metallschichten des Werkstoffverbunds verlaufende Wärmeeinflusszone ausgebildet ist.
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Infolge der Vorbereitung der Verbindungskante des Werkstoffverbunds und zur Einstellung eines gezielten Spalts, welcher eine Entgasung der Polymerschicht im Bereich der Verbindungskante während des thermischen Einwirkens zum stoffschlüssigen Verbinden der Werkstücke ermöglicht, bildet sich durch die Wärmeeinbringung eine im Wesentlichen parallel und mit Abstand zur Verbindungskante in mindestens einer der Metallschichten des Werkstoffverbunds verlaufende Wärmeeinflusszone aus. Die Wärmeeinflusszone weist im Vergleich zum restlichen Bereich mit Ausnahme der durch den Stoffschluss gebildeten Verbindungsnaht respektive der weiteren durch den Stoffschluss gebildeten Wärmeeinflusszone eine andere Gefügestruktur innerhalb der mit Wärme beaufschlagten Metallschicht auf.
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Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.
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Im Folgenden werden konkrete Ausgestaltungen der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnung im Detail näher erläutert. Die Zeichnung und begleitende Beschreibung der resultierenden Merkmale sind nicht beschränkend auf die jeweiligen Ausgestaltungen zu lesen, dienen jedoch der Illustration beispielhafter Ausgestaltung. Weiterhin können die jeweiligen Merkmale untereinander wie auch mit Merkmalen der obigen Beschreibung genutzt werden für mögliche weitere Entwicklungen und Verbesserungen der Erfindung, speziell bei zusätzlichen Ausgestaltungen, welche nicht dargestellt sind. Gleiche Teile sind stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die Zeichnung zeigt in
- 1) eine schematische Querschnittsansicht eines lokal mit Wärme beaufschlagten Werkstücks,
- 2) eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Erfindung von im Stumpfstoß stoffschlüssig miteinander verbundenen Werkstücken und
- 3) eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung von im Stumpfstoß stoffschlüssig miteinander verbundenen Werkstücken.
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In 1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines lokal mit Wärme beaufschlagten Werkstücks (10) dargestellt, welches einen Werkstoffverbund mit zwei Metallschichten (1) und eine zwischen den Metallschichten (1) angeordnete Polymerschicht (2) umfasst. Das den Werkstoffverbund bildende Werkstück (10) weist eine Dicke von mindestens 2 mm auf, wobei die Metallschichten (1) symmetrisch oder asymmetrisch, das heißt, in ihrer Dicke auch unterschiedlich ausgeführt sein können und insbesondere jeweils eine Dicke von mindestens 1 mm aufweisen. Eine Begrenzung der Dicke der Metallschichten (1) kann mit jeweils 10 mm angegeben werden. Die Polymerschicht (2) weist beispielsweise eine Dicke zwischen 0,005 und 0,5 mm auf. Polymerschicht (2) weist bevorzugt sehr gute Klebeigenschaften auf und dient besonders bevorzugt zum stoffschlüssigen Verbinden bzw. Verkleben der beiden Metallschichten (1) des Werkstoffverbunds (10) und hält den Werkstoffverbund (10) als solchen zusammen. Die Metallschicht (1) kann eine Schicht aus einer Stahllegierung oder aus einer Aluminiumlegierung sein. Die Polymerschicht (2) kann aus einem silikonbasierten System bestehen.
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Um eine im Vergleich zum Stand der Technik aufwendige lokale Entfernung der Polymerschicht (2) im Verbindungsbereich zu vermeiden, wird vor oder während des thermischen Einwirkens zum stoffschlüssigen Verbinden (7) der Werkstücke (10, 20) Wärme zumindest in eine der Metallschichten (1) des Werkstoffverbunds (10) entlang der Verbindungskante (10a) eingebracht, wobei die mit Wärme beaufschlagte Metallschicht (1) des Werkstoffverbunds (10) entlang der Verbindungskante (10a) eine Vergrößerung des Abstands (3) zwischen den Metallschichten (1) bewirkt. Die beiden Metallschichten (1) sind ohnehin über einen definierten Abstand, welcher der Dicke der Polymerschicht (2) entspricht, voneinander entfernt, so dass der Abstand (3) der Schichtdicke des Polymers (2) und zusätzlich mindestens 20%, insbesondere mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 100% der Schichtdicke des Polymers (2) beträgt. Der Abstand (3) führt zu einem Auseinanderklaffen bzw. zur Einstellung eines Spalts zwischen den Metallschichten (1), so dass eine Möglichkeit zum Entgasen der zumindest teilweise verdampfenden Polymerschicht (2) durch das thermische Einwirken zum stoffschlüssigen Verbinden (7) bereitgestellt wird.
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Vorzugsweise wird die Wärme, hier nicht dargestellt, mit einer definierten Streckenenergie in J/m und in einem definierten Abstand (4) in mm eingebracht, so dass sich eine Vergrößerung des Abstands (3) der Metallschichten (1) entlang der Verbindungskannte (10a) von mindestens 0,05 mm einstellt. Als Strahlquelle können verschiedene Wärmequellen eingesetzt werden, welche eine hohe Energiedichte und/oder eine hohe Genauigkeit bereitstellen, so dass Strahlquellen in Form von Laserstrahlquellen, Elektronenstrahlquellen oder Plasmastrahlquellen verwendet werden können (hier nicht dargestellt). Die eingebrachte Wärme zur Vergrößerung des Abstands (3) zwischen den Metallschichten (1) des Werkstoffverbunds (10) ist derart bemessen, dass eine Temperaturdifferenz zwischen der mit Wärme beaufschlagten Metallschicht (1), in 1 die obere Metallschicht (1), und der weiteren Metallschicht (1), in 1 die untere Metallschicht (1), von mindestens 300 K eingestellt wird. Beispielsweise kann auch ein lokales Aufschmelzen durch die Wärmeeinbringung erzeugt werden, um, wenn es erforderlich ist, eine gezielte plastische Verformung der Metallschicht (1) entlang der Verbindungskante (10a) einzustellen, hier nicht dargestellt. Die Wärme kann in mindestens eine der Metallschichten (1) des Werkstoffverbunds (10) entlang der Verbindungskante (10a) vor, während oder nach dem Positionieren der im Stumpfstoß zu verbindenden Werkstücke (10, 20) eingebracht werden, hier nicht dargestellt. Bevorzugt erfolgt die Wärmeeinbringung zur Vergrößerung des Abstands (3) zwischen den Metallschichten (1) des Werkstoffverbunds (10) und die thermische Einwirkung zum stoffschlüssigen Verbinden (7) über eine Strahlquelle, nicht dargestellt. Nach der Wärmeeinbringung bildet sich in der Metallschicht (1) lokal eine im Wesentlichen parallel zur Verbindungskante (10a) verlaufende Wärmeeinflusszone (6) aus. Besonders bevorzugt wird die Wärme zur Vergrößerung des Abstands (3) zwischen den Metallschichten (1) des Werkstoffverbunds (10) parallel zur Verbindungskante (10a) in einem Abstand (4) zwischen 0,1 mm und 10 mm in mindestens eine der Metallschichten (1) des Werkstoffverbunds (10) eingebracht. Der Abstand (4) wird zwischen der Verbindungskante (10a) und dem Grenzbereich/-punkt (5) des Übergangs zur Wärmeeinflusszone (6) gemessen bzw. ermittelt respektive festgelegt.
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Die 2 und 3 zeigen eine schematische Querschnittsansicht jeweils einer Ausführungsform der Erfindung von im Stumpfstoß über Verbindungskanten (10a, 20a) stoffschlüssig miteinander verbundenen Werkstücken (10,20).
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2 zeigt zwei im Stumpfstoß über Verbindungskanten (10a, 10a) stoffschlüssig miteinander verbundene Werkstücke (10), wobei beide Werkstücke (10) jeweils einen Werkstoffverbund mit zwei Metallschichten (1) und eine zwischen den Metallschichten (1) angeordnete Polymerschicht (2) umfassen. Sowohl bei dem in der 2 links wie auch rechts dargestellten Werkstoffverbund (10) wird vor oder während des thermischen Einwirkens zum stoffschlüssigen Verbinden (7) der Werkstücke (10) Wärme in jeweils die obere der dargestellten Metallschichten (1) der Werkstoffverbunde (10) entlang der Verbindungskanten (10a) eingebracht, welche eine Vergrößerung des Abstands (3) zwischen den Metallschichten (1) bewirkt, um ein Entgasen der zumindest teilweise verdampfenden Polymerschicht im Verbindungsbereich sicherzustellen. Nach oder gleichzeitig zur Wärmeeinbringung erfolgt das thermische Einwirken zum stoffschlüssigen Verbinden (7) der Werkstücke bzw. Werkstoffverbunde (10) entlang ihrer Verbindungskanten (10a). Durch die Wärmeeinbringung ist eine im Wesentlichen parallel und mit Abstand zur Verbindungskante (10a) in mindestens einer der Metallschichten (1) des Werkstoffverbunds (10) verlaufende Wärmeeinflusszone (6) ausgebildet worden.
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3 zeigt im Unterschied zu 2 zum einen, dass das in 3 dargestellte rechte Werkstück (20) ein monolithisches Werkstück ist, beispielsweise aus einer Stahl- oder Aluminiumlegierung, zum anderen, dass vor oder während des thermischen Einwirkens zum stoffschlüssigen Verbinden (7) der Werkstücke (10, 20) Wärme in beide Metallschichten (1) des Werkstoffverbunds (10) entlang der Verbindungskanten (10a) eingebracht worden ist, welche eine Vergrößerung des Abstands (3) zwischen den Metallschichten (1) bewirkt, und somit der Abstand (3) noch größer ausfällt als im Vergleich zu einer einseitigen Wärmebeaufschlagung, vgl. 2. Nach oder gleichzeitig zur Wärmeeinbringung erfolgt das thermische Einwirken zum stoffschlüssigen Verbinden (7) der Werkstücke (10, 20) entlang ihrer Verbindungskanten (10a, 20a). Durch die Wärmeeinbringung auf beiden Seiten sind im Wesentlichen parallel und mit Abstand zur Verbindungskante (10a) in beiden Metallschichten (1) des Werkstoffverbunds (10) verlaufende Wärmeeinflusszonen (6) ausgebildet worden.
Das stoffschlüssige Verbinden (7) kann beispielsweise in Form einer Verbindungs-/Lasernaht ausgebildet sein.
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In einer Untersuchung wurden zwei Werkstücke (10) in Form von Werkstoffverbunden entsprechend der Ausführung in 2 im Stumpfstoß entlang ihrer Verbindungskanten (10a) stoffschlüssig miteinander verbunden. Als Metallschichten (1) wurden jeweils für das erste Werkstück (10) wie auch das zweite Werkstück (10) Flachprodukte einer Stahllegierung mit einer Dicke von 3 mm und als Polymerschicht (2) ein viskoelastisches, silikonbasiertes System mit einer Dicke von 0,05 mm verwendet, welche mit Klebeigenschaften zwischen den Metallschichten (1) angeordnet und mit diesen stoffschlüssig verbunden war. Die Dicke der Werkstücke respektive Werkstoffverbunde (10) betrug demnach 6,05 mm. Die im Stumpfstoß zu verbindenden Werkstücke (10) wurden vor dem thermischen Einwirken zum stoffschlüssigen Verbinden (7) durch einen CO2-Laser mit Wärme beaufschlagt, mit einem Strahldurchmesser im Brennpunkt von ca. 0,2 mm, mit einer Fokuslage von ca. 12 mm über der Oberfläche bzw. Oberkante der oberen Metallschicht (1) des Werkstoffverbunds (10), mit einer Leistung von ca. 4,2 kW und einer Geschwindigkeit von ca. 3 m/min mit einem definierten Abstand (4) zur und entlang der Verbindungskante (10a) verfahrend. Die Streckenenergie betrug ca. 84000 J/m, wobei sich ein Abstand (4) von ca. 3 mm und ein Abstand (3) von ca. 0,2 mm einstellte, vgl. 1. Anschließend erfolgte das thermische Einwirken zum thermischen Verbinden (7) durch einen CO2-Laser, welcher beispielsweise in einer Vorrichtung derselbe sein kann, somit auch zum Wärmeeinbringen verwendet werden kann, mit einer Leistung von ca. 6 kW, mit einem Strahldurchmesser von ca. 0,2 mm, mit einer Fokuslage von 0 mm über der Oberfläche bzw. Oberkante der oberen Metallschicht (1) des Werkstoffverbunds (10), somit genau entsprechend der Oberfläche bzw. Oberkante der oberen Metallschicht (1) des Werkstoffverbunds (10), mit einer (Schweiß-) Geschwindigkeit von ca. 0,5 m/min. Der Verbindungsprozess konnte stabil und störungsfrei umgesetzt werden, wobei die Spritzerbildung im Rahmen des „Normalen“ blieb. In weiteren Schliffbilduntersuchungen konnte festgestellt werden, dass keine bis geringe Poren in der Verbindungsnaht (7) zu sehen waren, welche den Anforderungen der Bewertungsgruppe C der Norm EN ISO 5817:2014, vgl. insbesondere Seite 8, Abschnitt 5, genügten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2655004 B1 [0002]
- DE 4221251 C1 [0002]
- DE 102014007066 B3 [0002]
- JP 8229686 A [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm EN ISO 5817:2014 [0030]
