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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Bauteilen sowie eine Bauteilverbindung, wie sie beispielsweise im Karosserie-/Fahrzeugbau verwendet wird.
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Im Karosseriebau werden Stahl-/Aluminium-Verbindungen eingesetzt, um das Gewicht von Bauteilen, Komponenten und Strukturen etc. gering zu halten. Übliche Füge- oder Verbindungsverfahren sind in diesem Zusammenhang das Nieten, insbesondere das (Halbhohl-)Stanznieten, Clinchen, (Fließloch-)Schrauben, Kleben oder Kombinationen dieser Verfahren. Den vorgenannten Verfahren gemein ist, dass sie hinsichtlich Taktzeit und Investitionskosten kein Optimum darstellen. Um ausreichend steife und feste Verbindungen zu erzeugen, ist zudem der Bauaufwand oft hoch.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Fügen von Bauteilen sowie eine Bauteilverbindung anzugeben, welche bei optimierten Taktzeiten und geringen Investitionskosten höchsten mechanische Anforderungen genügen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Bauteilverbindung gemäß Anspruch 12 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 zum Fügen von Bauteilen, insbesondere von zumindest zwei Bauteilen unterschiedlicher Werkstoffe oder Materialien, die Schritte:
- - Bereitstellen eines ersten Bauteils, insbesondere eines Aluminium-Druckgussbauteils, wobei das erste Bauteil einen Fügebereich zur Anordnung und Befestigung eines zweiten Bauteils aufweist;
- - Zumindest bereichsweise Erzeugen einer Haftschicht auf dem Fügebereich mittels eines thermischen Spritzverfahrens;
- - Befestigen eines zweiten Bauteils an der Haftschicht durch Fügen mittels Pressschweißen.
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Beim Pressschweißen werden zwei zu verbindende Werkstücke oder Bauteile bis zum Schmelzpunkt erwärmt und durch Zusammenpressen miteinander verbunden. Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, dass beim Pressschweißen keine zusätzlichen Materialien, wie beispielsweise Schweißdraht, benötigt werden, wodurch Kosten eingespart werden können. Darüber hinaus kommt es beim Fügen zu keiner nennenswerten Gewichtserhöhung, da kein Zusatzmaterial, wie beispielsweise beim Nieten, benötigt wird. Mit Vorteil beträgt die Schweißdauer nur einige Millisekunden, sodass in der Fertigung sehr kurze Taktzeiten realisiert werden können.
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Ein besonders vorteilhaftes Verfahren ist in diesem Zusammenhang das Widerstandsschweißen, insbesondere das Widerstandspunktschweißen. Hierbei werden die beiden Bauteile über zwei Elektroden zusammengepresst. Mittels des Stromflusses wird der Schweißpunkt zwischen den Elektroden auf die notwendige Temperatur erhitzt. Form und Festigkeit der Schweißlinse hängen von den drei zentralen Schweißparametern Strom, Zeit und Anpressdruck ab. Beim Widerstandspunktschweißen wird innerhalb kürzester Zeit eine hohe Energie auf eine kleine Fläche konzentriert und in Kombination mit pneumatisch, hydraulisch, servomotorisch oder elektromagnetisch erzeugtem Druck eine unlösbare Verbindung geschaffen.
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Ein weiteres bevorzugtes Schweißerfahren ist unter anderem das Kondensatorentladungsschweißen.
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Gemäß einer Ausführungsform weisen die Elektroden des Schweißwerkzeugs (insbesondere zum Widerstandspunktschweißen) vorliegend bevorzugt unterschiedlich geformte Schweißkappen auf. Gemäß einer Ausführungsform wird auf der Seite des Aluminiumwerkstoffs eine ballige Schweißkappe verwendet und auf der Seite des Stahlwerkstoffs eine flache Schweißkappe. Es hat sich gezeigt, dass mit dieser Konfiguration ein optimales Schweißergebnis erzielt werden kann. Abdrücke auf dem Aluminiumwerkstoff können mit Vorteil vermieden werden. Auch ein Anhaften der Schweißkappen wird wirkungsvoll verhindert. Davon abweichende Kappenformen können ebenfalls zielführend sein.
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Mit Vorteil ermöglicht das Aufbringen der Haftschicht die Verbindung artungleicher oder unterschiedlicher Werkstoffe bzw. Materialien. Insbesondere wird so aufwandsarm beispielsweise eine Schweißverbindung zwischen einem Aluminiumbauteil und einem Stahlbauteil ermöglicht. Als Werkstoff für die Haftschicht kommt mit Vorteil ein Stahlwerkstoff oder ein auf Eisen/Stahl basierender Werkstoff zum Einsatz. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird als Werkstoff für die Haftschicht ein austenitischer (Edel-)Stahl und insbesondere bevorzugt ein ferritischer (Edel-)Stahl verwendet. Vorliegend wird insbesondere bevorzugt ein Gussbauteil aus einem Aluminiumwerkstoff, insbesondere ein Aluminium-Druckgussbauteil, mit der Haftschicht versehen.
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Bei dem thermischen Spritzverfahren handelt es sich um ein Oberflächenbeschichtungsverfahren. Hierbei werden Zusatzwerkstoffe, sogenannte Spritzzusätze, innerhalb oder außerhalb eines Spritzbrenners ab-, an- oder aufgeschmolzen und in einem Gasstrom in Form von Spritzpartikeln beschleunigt. Die Bauteiloberfläche wird dabei nicht angeschmolzen. Daraus resultiert eine geringe thermische Belastung. Eine Schichtbildung findet statt, da die Spritzpartikel beim Auftreffen auf die Bauteiloberfläche prozess- und materialabhängig mehr oder minder abflachen, vorrangig durch mechanische Verklammerung haften bleiben und lagenweise die Spritzschicht aufbauen. Als Energieträger für die An- oder Aufschmelzung des Spritzzusatzwerkstoffes dienen: elektrischer Lichtbogen (Lichtbogenspritzen), Plasmastrahl (Plasmaspritzen), Brennstoff-Sauerstoff-Flamme bzw. Brennstoff-Sauerstoff-Hochgeschwindigkeitsflamme (konventionelles und Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen), schnelle vorgewärmte Gase (Kaltgasspritzen) und Laserstrahl (Laserstrahlspritzen). Die Kombination von thermischen Beschichtungsverfahren mit Pressschweißverfahren zur Verbindung, insbesondere artungleicher Werkstoffe bzw. Materialien, ermöglicht besonders kurze Taktzeiten und niedrige Investitionskosten.
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Als besonders vorteilhaftes Beschichtungsverfahren hat sich vorliegend das Kaltgasspritzen erwiesen. Hierbei wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit Temperaturen des Gasstrahls von jenseits 800 °C gearbeitet. Bevorzugte Maximaltemperaturen liegen im Bereich von 1200 °C, sodass sich insgesamt ein bevorzugter Temperaturbereich zwischen etwa oder über 800 °C und etwa 1200 °C ergibt. Versuche haben gezeigt, dass Temperaturen im Bereich von etwa 1000 °C für die Beschichtungsqualität optimal sind. Mit Vorteil können über das Kaltgasspritzen Oberflächen erzielt werden, welche für die nachgelagerten Fügeprozesse eine optimale Struktur aufweisen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Erzeugen einer sich entlang des Fügebereichs erstreckenden Haftschicht derart, dass die Haftschicht entlang des Fügebereichs eine Profilierung, Strukturierung oder ein Wellenprofil aufweist;
- - Punktschweißen, insbesondere Widerstandspunktschweißen, im Bereich der Wellenberge der Haftschicht.
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Mit Vorteil weist die Haftschicht entlang des Fügebereichs keine konstante Dicke oder Wandstärke auf. Zweckmäßigerweise ist die Haftschicht in den Bereichen, wo ein Schweißpunkt gesetzt werden soll, vorliegend Plateau, Wellenberg oder Feld, genannt, dicker ausgebildet, während die Abschnitte zwischen diesen Bereichen, bevorzugt dünner ausgebildet sind. Damit kann vorteilhafterweise Beschichtungswerkstoff einspart werden, wodurch Gewicht und Kosten gesenkt werden können. Alternativ kann die Haftschicht entlang der Fügebereichs auch eine konstante Dicke aufweisen. Weiter alternativ kann die Haftschicht entlang der Fügebereich abschnittsweise ausgebildet sein. Zwischen den vorgenannten Wellenbergen etc. ist dann keine Haftschicht ausgebildet.
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Die Profilierung oder Strukturierung der Haftschicht entlang der Fügebereichs ist zweckmäßigerweise derart gestaltet, dass im Bereich eines Schweißpunktes die Haftschicht beispielsweise eine Dicke von bevorzugt etwa 500 µm bis 2500 µm, insbesondere bevorzugt von etwa 800 µm bis 1500 µm und besonders bevorzugt von etwa 1000 µm aufweist. Die Ausdehnung der Haftschicht in diesem Bereich - in der Draufsicht - liegt bei etwa 20x20 mm. Von diesen Werten kann, abhängig von der Art der zu fügenden Bauteile, sowohl nach oben als auch nach unten abgewichen werden. Es hat sich allerdings gezeigt, dass das vorgenannte Maß eine besonders prozesssichere Fertigung ermöglicht. Entscheidend ist in diesem Zusammenhang die Ausgestaltung des Schweißverfahrens, welches bevorzugt automatisiert über zumindest einen Roboter durchgeführt wird. Der Roboter, vorliegend insbesondere bevorzugt ein 6- oder 7-Achs-Industrieroboter weist beim Setzen der Schweißpunkte, insbesondere aufgrund der hohen Verfahrgeschwindigkeiten, eine gewisse Toleranz hinsichtlich der Position der Schweißpunkte auf, welche mit Vorteil über eine Größe der vorgenannten Plateaus, Wellenberge oder Felder kompensiert werden kann.
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Bevorzugt weist die Haftschicht entlang des Fügebereichs in, bevorzugt regelmäßigen, Abständen die Wellenberge, Plateaus oder Felder auf. Der, insbesondere regelmäßige, Abstand der Wellenberge, Plateaus, oder Felder, bezogen auf deren Mittelpunkte, liegt gemäß bevorzugten Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 40 bis 70 mm, insbesondere bevorzugt in einem Bereich von etwa 55 bis 60 mm. Dieser Abstand hat sich im Karosserie- und Fahrzeugbau zur Erreichung mechanischer Zielvorgaben als vorteilhaft erweisen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der vorgenannte Abstand zumindest abschnittsweise entlang der Haftschicht verringert oder vergrößert. Besonders bevorzugt beträgt der Abstand in funktionskritischen Bereich etwas 15 bis 25 mm, insbesondere etwa 20 mm.
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Je nach Ausgestaltung des Beschichtungsverfahrens weisen die Wellenberge, Plateaus oder Felder in etwa die Form von flachen Quadern auf, wobei ein Quader, wie bereits erwähnt, zweckmäßigerweise Seitenlängen von etwa 20 x 20 mm und eine Höhe von etwa 1000 µm aufweist. Grundsätzlich weist die Haftschicht bevorzugt eine Breite in einem Bereich von etwa 10 bis 30 mm, insbesondere bevorzugt in einem Bereich von 15 bis 25 mm oder beispielsweise 20 mm auf. Darüber ergibt sich automatisch die Breite der vorgenannten „Quader“, deren Oberfläche beispielsweise rechteckig oder quadratisch sein kann.
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Zwischen den Wellenbergen, Plateaus oder Feldern ist die Haftschicht, gemäß bevorzugter Ausführungsformen, dünner ausgebildet. Alternativ kann die Haftschicht entlang des Fügebereichs auch eine gleichmäßige oder zumindest eine in etwa gleichmäßige Dicke aufweisen, wie bereits erwähnt. Die Bereiche zwischen den Wellenbergen, Plateaus oder Feldern werden vorliegend Wellentäler, Zwischenräume oder Taschen genannt. Die Dicke der Haftschicht zwischen den Wellenbergen, Plateaus oder Feldern liegt gemäß bevorzugter Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 200 µm bis 2200 µm, insbesondere bevorzugt bei etwa 600 µm bis 1200 µm und besonders bevorzugt bei etwa 700 µm.
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Bei den vorliegenden Dicken- oder Höhenangaben handelt es sich um Mittelwerte in den jeweiligen Bereichen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Höhe eines Wellenbergs zur Höhe eines Wellentals in einem Bereich von etwa 1,05 bis 2,7, besonders bevorzugt in einem Bereich von etwa 1,1 bis 1,9, und ganz besonders bevorzugt bei ca. 1,3 bis 1,6, insbesondere bei etwa 1,4 bis 1,45.
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Bevorzugt weisen die Wellenberge und Wellentäler entlang der Haftschicht, unter Berücksichtigung von Fertigungstoleranzen, die gleiche Höhe auf.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Profilierung, Strukturierung oder das Wellenprofil über eine entsprechend angepasste Vorschubgeschwindigkeit beim Beschichten erzeugt. Mit Vorteil umfasst das (Beschichtungs-)Verfahren die Schritte:
- - Erzeugen eines Wellenberges, Plateaus oder Felds mit einer, insbesondere konstanten, Vorschubgeschwindigkeit v1 des Beschichtungswerkzeugs, wie beispielsweise einer Sprühlanze;
- - Beschleunigen des Beschichtungswerkzeugs auf eine Vorschubgeschwindigkeit v2, welche größer ist als v1, wobei es aufgrund der bevorzugt kontinuierlichen Förderung der Beschichtungswerkstoffs automatisch zu einem geringeren Auftrag von Beschichtungswerkstoff kommt;
- - Fahren mit der Vorschubgeschwindigkeit v2;
- - Abbremsen des Beschichtungswerkzeugs auf die Geschwindigkeit v1 zum Erzeugen des nächsten Wellenbergs.
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In der Folge entstehen zwischen den Wellenbergen und den Taschen oder Zwischenräumen Übergänge, bei welchen die Dicke der Haftschicht zu- oder abnimmt. Je nach Verfahrensführung, beispielsweise über eine entsprechende Düsenwahl und/oder eine Anpassung der Verfahrgeschwindigkeit v2 beim Beschichten, kann eine Dicke der Haftschicht in den Zwischenräumen, Taschen oder Tälern angepasst werden.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die Haftschicht entlang des Fügebereichs intermittierend oder abschnittsweise ausgebildet. Eine Haftschicht ist in diesem Fall nur abschnittsweise zum Formen der Wellenbergen, Plateaus oder Felder ausgebildet. Dazwischen ist keine Haftschicht ausgebildet.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die Profilierung, Strukturierung oder das Wellenprofil (auch) dadurch erzeugt, dass mit einer abschnittsweisen Maskierung des Fügebereichs gearbeitet wird. Dies kann insbesondere zweckmäßig sein, wenn eine intermittierende Haftschicht erzeugt werden soll. Auf der Maskierung abgeschiedenes Material kann mit Vorteil wieder- oder weiterverwertet werden bzw. einem anderen Prozess zugeführt werden, sodass auch hier der Ressourceneinsatz gering ist.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Erzeugen der Haftschicht über einen Materialauftrag in mehreren nebeneinander angeordneten Bahnen (entlang der Fügebereichs).
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Die Breite der Haftschicht, welche, wie bereits erwähnt, gemäß bevorzugter Ausführungsformen in einem Bereich von etwa 20 mm liegt, kann, bei entsprechender Düsengeometrie, in einer Überfahrt erzeugt werden. Zum Einsatz kommt hierbei mit Vorteil eine Flachdüse mit entsprechende Breite. Dies kann umso leichter realisiert werden, je geringer die Breite ist. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, eine Düsengeometrie mit einem rechteckigen Querschnitt zu verwenden. Die Düse wird hierbei derart ausgerichtet, dass die lange Seite des Rechtecks, quer zur Vorschubrichtung orientiert ist. Die Breite des Rechtecks bestimmt die Breite der Haftschicht. Alternativ kann die Haftschicht durch Materialauftrag in mehreren nebeneinander angeordneten Bahnen erzeugt werden. Hierbei werden bevorzugt Düsengeometrien mit runden, insbesondere kreisrunden, Querschnitten (Runddüsen) verwendet.
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Bevorzugt umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Anpassen des Spurversatzes beim Materialauftrag in mehreren Bahnen derart, dass die Haftschicht, insbesondere in Breitenrichtung, also quer zur Vorschubrichtung, eine gleichmäßige Oberfläche aufweist.
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Dadurch können mit Vorteil Probleme beim Verschweißen vermieden werden. Ist der Spurversatz zu hoch, entstehen zwischen den einzeln aufgebrachten Bahnen ggf. unzulässig große Lücken, welche ggf. den Stromfluss zwischen den Elektroden beim Verschweißen ungünstig beeinflussen können, wobei unter anderem Schweißspritzer entstehen können. Als vorteilhaft hat sich ein Spurversatz von etwa 1 mm bei einem Düsendurchmesser von etwa 8 mm erwiesen. Bevorzugt zu erzielende Flächenrauheitswerte werden später noch genannt.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die Haftschicht in einer Überfahrt erzeugt. Alternativ werden mehrere Überfahrten benötigt. Die Haftschicht wird in Dickenrichtung also ggf. schicht- oder lagenweise aufgebaut.
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Grundsätzlich kann die Haftschicht mehrere Schichten oder Lagen umfassen. Die Lagen/Schichten können in mehreren Überfahrten aufgebracht oder erzeugt werden. Die Lagen/Schichten können unterschiedliche Materialien/Werkstoffe umfassen oder aus diesen bestehen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Erzeugen der Haftschicht mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere Kaltgasspritzen;
- - Aufbringen einer Funktionsschicht auf die Haftschicht, bevorzugt mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere ebenfalls mittels Kaltgasspritzen.
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Die Funktionsschicht ist bevorzugt als Korrosionsschutzschicht ausgebildet. Bevorzugt ist hierzu als Werkstoff Zink oder eine Zinkverbindung vorgesehen. Die Funktionsschicht ist zweckmäßigerweise eine Zinkschicht.
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Alternativ wird die Haftschicht oder das erste Bauteil als solches beölt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist zwischen der Haftschicht und dem ersten Bauteil eine Zwischenschicht ausgebildet. Die Zwischenschicht kann ebenfalls über ein thermisches Spritzverfahren, wie insbesondere Kaltgasspritzen, erzeugt werden. Bevorzugt ist die Zwischenschicht ausgelegt, eine Kontaktkorrosion zwischen dem ersten Bauteil und der Haftschicht zu vermeiden. Bevorzugt wird eine Eisen(Fe)-Verschleppung in den Aluminiumwerkstoff (AI) vermieden, wodurch ungünstige, weil spröde, Fe-AI-Phasen vermieden werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Befestigen des zweiten Bauteils am Fügebereich zusätzlich durch Fügen mittels Kleben.
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An dieser Stelle sei erwähnt, dass beispielsweise als Fügebereich derjenige Bereich interpretiert wird, in welchem sich die beiden Bauteile überlappen. Entsprechend kann der Fügebereich auch als Flansch oder Flanschabschnitt bzw. Flanschbereich gesehen werden. Die Haftschicht kann sich um oder entlang des gesamten Fügebereichs erstrecken. Alternativ sind nur Bereiche oder Teile des Fügebereichs mit der Haftschicht versehen. Für das Aufbringen des Klebstoffs bedeutet dies, dass der Klebstoff derart angeordnet sein kann, dass er nur das erste und das zweite Bauteil verbindet.
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Besonders bevorzugt ist der Klebstoff derart aufgetragen, dass er auch die Haftschicht kontaktiert, also insbesondere eine Verbindung zwischen der Haftschicht und dem zweiten Bauteil bereitstellt. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Haftschicht prozessbedingt eine Rauigkeit aufweist, welche für die Haftung des Klebstoffs optimal ist. Die Rauigkeit bzw. die daraus resultierende Oberflächenvergrößerung bietet beste Voraussetzung zur Anwendung von Klebstoffen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Aufbringen von Klebstoff auf und/oder neben der Haftschicht.
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Wie bereits erwähnt, ist ein Kontakt des Klebstoffs mit der Haftschicht besonders empfehlenswert. Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang auch die Profilierung, Strukturierung bzw. das Wellenprofil der Haftschicht, welche neben den vorgenannten Wellenbergen, Plateaus oder Feldern, welche als Schweißstellen dienen, dazwischenliegend die Wellentäler, Taschen oder Zwischenräume aufweist. Diese Zwischenräume oder Kammern können in optimaler Weise als Klebstoffreservoirs dienen, welche zumindest abschnitts- oder bereichsweise mit Klebstoff gefüllt sind. Über die Dicke der Haftschicht im Bereich der Wellentäler kann mit Vorteil eine optimale Dicke der Klebstoffschicht in diesen Bereichen eingestellt werden. Gemäß bevorzugter Ausführungsformen beträgt die Dicke der Klebstoffschicht etwa 200 bis 400 µm, insbesondere etwa 300 µm. Dementsprechend werden die Wellentäler bzw. das Verhältnis der Höhe der Wellenberge zu den Wellentälern ausgebildet. Hinzu kommen die Vorteile, welche die raue Oberflächenstruktur der Haftschicht ohnehin mit sich bringt. Dabei sei erwähnt, dass dieser Effekt auch zum Tragen kommt, wenn der Klebstoff seitlich an der Haftschicht anliegt. Entsprechend kann der Klebstoff auch neben der Haftschicht aufgebracht oder angeordnet werden. Die entsprechende Verteilung kann dann beim Zusammendrücken der Bauteile erfolgen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Punktweises Aufbringen von Klebstoff auf die Wellenberge.
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Hierbei wird mit Vorteil auf die Wellenberge eine entsprechende Menge Klebstoff aufgebracht. Dem steht nicht entgegen, dass es beim Auftrag, beispielsweise durch ein Nachtropfen, auch dazwischenliegend zu einem, wenn auch geringeren, Klebstoffauftrag kommen kann.
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Besonders bevorzugt erfolgt der Klebstoffauftrag linienförmig und kontinuierlich entlang der Haftschicht. Hierbei wird bevorzugt die Verfahrgeschwindigkeit im Bereich der Wellentäler verlangsamt, da hier zweckmäßigerweise mehr Klebstoff vorgehalten wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt ein Vorverteilen des Klebstoffs über die Anordnung bzw. Positionierung der Bauteile aneinander. Zweckmäßigerweise kann auf einen gesonderten Verfahrensschritt zum Verteilen des Klebstoffs verzichtet werden. Stattdessen wird der Klebstoff an einer gewünschten Stelle aufgetragen, um dann beim Fügen der Bauteile verteilt zu werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Endverteilen des Klebstoffs durch die Krafteinleitung beim Verschweißen der Bauteile.
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Diese Krafteinleitung ist implizit Bestandteil des Pressschweißverfahrens, sodass mit Vorteil auch hier kein gesonderter oder getrennter Verfahrensschritt nötig ist.
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Entlang des Fügebereichs gesehen ist die Klebenaht gemäß einer Ausführungsform derart ausgeführt, dass sie den Fügebereich zu einer Seite hin vollständig abdichtet (K1-Klebenaht). Alternativ ist die Klebenaht bzw. sind mehrere Klebenähte derart angeordnet, dass der Fügebereich zu beiden Seiten hin vollständig abgedichtet ist (K2-Klebenaht). Zweckmäßigerweise bzw. gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Haftschicht vollständig in Klebstoff eingebettet, mit anderen Worten im oder in Klebstoff (ein-)gekapselt. Die Ausbildung der finalen Klebenähte wird zweckmäßigerweise durch den Klebstoffauftrag bestimmt.
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Gemäß einer Ausführungsform wird ein Einkomponentenklebstoff oder ein Zweikomponentenklebstoff verwendet. Bevorzugt werden insbesondere Strukturkleber verwendet. Der Einkomponentenklebstoff benötigt Wärme zum Aushärten. Dieser ist nach dem Schweißen nicht ausgehärtet. Stattdessen kann er beispielsweise in einem nachfolgenden Lackierprozess aushärten. Ein Zweikomponentenklebstoff härtet an Luft aus. Die Flexibilität hinsichtlich des zu verwendenden Werkstoffs ermöglicht insbesondere für die Ausgestaltung der Bauteile hohe Freiheitsgrade.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Bereitstellen eines ersten Bauteils mit einer Oberflächenbehandlung;
- - Bereichsweise Entfernen der Oberflächenbehandlung durch und beim Erzeugen der Haftschicht.
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Bei einer Oberflächenbehandlung der in Rede stehenden Art kann es sich um eine KTL-Schicht (kathodische Tauchlackierung), um eine Passivierung oder beispielsweise um eine Laserreinigung oder Laseraktivierung der Bauteiloberfläche handeln. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere die vorgenannten Arten von „Beschichtungen“ über das thermische Spritzverfahren entfernt oder abgetragen werden können. Mit anderen Worten „stört“ eine irgendwie geartete Oberflächenbehandlung nicht das Aufbringen der Haftschicht, wobei an dieser Stelle auch die bevorzugt hohen Gastemperaturen von über 800 °C, insbesondere bevorzugt etwa 1000 °C, des Gasstrahls, insbesondere beim Kaltgasspritzen, zum Tragen kommen.
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Alternativ werden die, zunächst zumindest teilweise blanken oder unbeschichteten, Bauteile gefügt und erst nachträglich einem Beschichtungsverfahren, wobei dieses beispielsweise dem Korrosionsschutz dient, zugeführt. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Aufbringen einer Oberflächenbehandlung auf das erste Bauteil nach dem Fügen der Bauteile.
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Die Erfindung betrifft auch eine Bauteilverbindung, umfassend ein erstes Bauteil, insbesondere aus einem Aluminiumwerkstoff, und ein zweites Bauteil, insbesondere aus einem Stahlwerkstoff, welche entlang eines Fügebereichs aneinander befestigt sind, wobei das erste Bauteil im Fügebereich zumindest bereichsweise eine Haftschicht aufweist, welche mittels eines thermischen Spritzverfahrens erzeugt ist, und wobei das zweite Bauteil an die Haftschicht mittels Pressschweißen befestigt ist. Mit Vorteil wird das erste Bauteil aus einem Aluminiumwerkstoff mit Hilfe des Spritzverfahrens mit einer Stahlbeschichtung/Haftschicht versehen, um im Nachgang mittels Pressschweißen, insbesondere Widerstandspunktschweißen, mit dem zweiten Bauteil, zweckmäßigerweise aus Stahl, verbunden zu werden. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem ersten Bauteil um ein Aluminium-Druckgussbauteil. Dieses kann eine Oberflächenbehandlung, wie eine KTL-Beschichtung, eine Passivierung oder eine Laseraktivierung/Laserreinigung etc. aufweisen.
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Bei dem ersten Bauteil handelt es sich gemäß bevorzugter Ausführungsformen um ein Gussbauteil, um ein Blech und/oder auch um eine Profil, bevorzugt aus einem Leitmetall, wie einem Aluminiumwerkstoff. Bevorzugte Gussbauteile sind insbesondere Strukturbauteile, wie Federstützen, Längsträger oder Guss-Knoten (z.B. die A-Säule eines Kraftfahrzeugs). Daneben können Gussbauteile der in Rede stehenden Art auch komplette Rahmen, Hinterbauten oder Vorderwagen von Kraftfahrzeugen sein. Erste Bauteile können auch Gehäuse von elektrischen Energiespeichern, insbesondere Hochvoltspeichergehäuse, sein, bevorzugt insbesondere Gehäuseober- oder Unterteile derartiger Gehäuse.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die Haftschicht entlang des Fügebereichs und weist entlang des Fügebereichs eine Profilierung, Struktur oder Welligkeit auf, wobei an den Wellenbergen jeweils bevorzugt zumindest ein Schweißpunkt ausgebildet ist. Bevorzugt weist die Haftschicht entlang des Fügebereichs abwechselnd Wellenberge und Wellentäler auf, wobei an den Wellenbergen je ein oder zumindest ein Schweißpunkt angeordnet ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Oberfläche der Haftschicht oder insbesondere eines Wellenbergs einen Sa-Wert von bevorzugt größer 5 µm, besonders bevorzugt zwischen 5 und 35 µm und insbesondere bevorzugt zwischen 5 und 15 µm auf. Beim Sa-Wert (mittlere arithmetische Höhe) handelt es sich um den Betrag des Höhenunterschieds eines jeden Punkts im Vergleich zum arithmetischen Mittel der Oberfläche. Damit kann ein prozesssicherer Schweißprozess sichergestellt werden. Insbesondere kann damit sichergestellt werden, dass ein durchgehender Strompfad nicht durch etwaige Lücken oder Spalte behindert wird.
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Bevorzugt liegt der Sdr-Wert der Haftschicht bei zumindest 5 %, besonders bevorzugt in einem Bereich von 10 bis 30 % und insbesondere bevorzugt bei etwa 12 bis 20 %. Bei diesem Parameter handelt es sich um den Prozentsatz der zusätzlichen Fläche des Definitionsbereichs, die auf die Oberflächenbeschaffenheit der Haftschicht zurückzuführen ist, im Vergleich zum absolut ebenen Definitionsbereich. Der Sdr-Wert eines unbehandelten Druckgussbauteils liegt beispielsweise in einem Bereich von gut 2 %.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Bauteile zumindest abschnittsweise entlang des Fügebereichs, insbesondere entlang des Haftbereichs, verklebt. Bevorzugt ist der Klebstoff mit der Haftschicht in Kontakt. Hier wird der Vorteil genutzt, dass die Haftschicht eine größere Rauigkeit aufweist als das erste Bauteil.
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Im Übrigen gelten für die Bauteilverbindung die im Zusammenhang mit dem Verfahren erwähnten Vorteile und Merkmale analog und entsprechend bzw. umgekehrt.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen von Verfahren zum Fügen von Bauteilen bzw. einer Bauteilverbindung mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Verfahrensablaufs;
- 2: eine schematische Ansicht zweier Bauteile vor dem Fügen;
- 3: die aus der 2 bekannten Bauteile nach dem Fügen;
- 4: eine schematische Ansicht einer Haftschicht im Schnitt;
- 5: eine schematische Schnittdarstellung einer Haftschicht, entlang einer Vorschubrichtung gesehen.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Ausführungsform eines Verfahrensablaufs zum Fügen zweier Bauteile 10 und 20. Dargestellt ist schematisch ein erstes Bauteil 10. Auf einem Fügebereich 26 des ersten Bauteils 10 wird über ein thermisches Beschichtungs- bzw. Spritzverfahren, vgl. das Beschichtungswerkzeug 70, eine Haftschicht 30 aufgebracht. Unmittelbar auf die Haftschicht 30 wird Klebstoff 40 aufgetragen, welcher beim Positionieren eines zweiten Bauteils 20 an den Fügebereich 26 vorverteilt wird. Im Anschluss daran erfolgt mittels Pressschweißen, vorliegend insbesondere Widerstandspunktschweißen, vgl. die beiden Schweißkappen 60, das Fügen der beiden Bauteile 10 und 20. Über die Krafteinleitung, vgl. die zueinander gerichteten Pfeile, werden die beiden Bauteile 10 und 20 im Rahmen des Schweißprozesses aneinandergedrückt, wobei der Klebstoff 40 weiter verteilt wird und nun mit Vorteil die Haftschicht 30 vollständig einkapselt. Zu erkennen ist, dass die Schweißkappen 60 unterschiedlich ausgebildet sind. Die untere Schweißkappe 60, welche an dem ersten Bauteil 10, also bevorzugt dem Aluminiumwerkstoff anliegt, ist ballig ausgeführt, während die obere Schweißkappe 60, welche an dem zweiten Bauteil 20, also dem Stahlwerkstoff anliegt, flach bzw. eben ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung hat sich als vorteilhaft erwiesen, da damit ein Abdruck auf der Aluminiumseite vermieden werden kann. Zudem kann wirkungsvoll eine Anhaftung der Schweißkappen 60 verhindert werden. Das letzte Bild zeigt das Entfernen der Schweißkappen 60, wie über die beiden Pfeile angedeutet. Die beiden Bauteile 10 und 20 sind nun über den Schweißpunkt 50 sowie über den Klebstoff 40 verbunden. Zu erkennen ist, dass der Klebstoff 40 sowohl an der Haftschicht 30, dort insbesondere umfänglich, aber auch an den beiden Bauteilen 10 und 20 anliegt.
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2 zeigt in einer schematischen Ansicht ein zweites Bauteil 20 sowie ein erstes Bauteil 10. Entlang des ersten Bauteils 10 erstreckt sich entlang eines Fügebereichs 26 eine Haftschicht 30. Die Haftschicht 30 ist über ein thermisches Spritzverfahren erzeugt. Hierfür wird mit einem entsprechenden Werkzeug entlang einer Verfahrrichtung V der Fügebereich 26 abgefahren und die Haftschicht 30 aufgebracht. Dieses kann in mehreren Schichten erfolgen, welche übereinander aufgebracht werden. Bevorzugt wird die erforderliche Dicke der Haftschicht 30 in einem Durchgang erzeugt. Die Breite der Haftschicht 30, welche sich quer zur Verfahrrichtung V bemisst, kann durch Abfahren in mehreren nebeneinander liegenden Bahnen oder Spuren erfolgen, wobei auch hier mehrere Schichten übereinander aufgetragen werden können. Alternativ kann, bei entsprechende Düsenwahl, die Breite in einer Überfahrt eingestellt werden. Zweckmäßigerweise ist die Haftschicht 30 entlang der Verfahrrichtung V derart gestaltet, dass sie eine Profilierung, Strukturierung bzw. ein Wellenprofil ausbildet. Dieses Wellenprofil umfasst Wellenberge 34 und Wellentäler 36. Im Bereich der Wellenberge 34, vgl. die schraffiert dargestellten Felder, ist eine Dicke der Haftschicht 30 größer als in den Wellentälern 36. Die Dicke der Haftschicht 30 im Bereich der Wellenberge 34 beträgt gemäß bevorzugter Ausführungsformen etwa 1000 µm. In den dazwischenliegenden Wellentälern 36 liegt eine Dicke der Haftschicht 30 unter diesem Wert oder geht sogar, je nach Verfahrensführung, gegen 0. Die Funktion der Strukturierung wird insbesondere mit Blick auf die 3 deutlich. Die Wellenberge 34, auch Plateaus oder Felder genannt, weisen in der Draufsicht eine Seitenlänge von bevorzugt 20 x 20 mm auf. Der Abstand aufeinanderfolgender Wellenberge 34 beträgt, bezogen auf deren Mittelpunkte, beispielsweise etwa 60 mm.
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3 zeigt die im Wesentlichen aus der 2 bekannte Skizze, wobei nun das Bauteil 20 an dem Fügebereich 26 des ersten Bauteils 10 befestigt ist. Die Befestigung erfolgt zweckmäßigerweise durch Fügen mittels Pressschweißen, vorliegend bevorzugt insbesondere Widerstandspunktschweißen. Die Schweißpunkte 50 sind dabei, vgl. hierzu auch die 2, an den Wellenbergen 34 positioniert. Wie bereits erwähnt, beträgt ein Abstand der Wellenberge 34 etwa 60 mm, bei einer Seitenlänge der „Felder“ von bevorzugt etwa 20x20 mm. Die Größe der Felder bzw. der Wellenberge 34 ermöglicht eine prozesssichere Positionierung bzw. Ausrichtung der Schweißpunkte 50. Der Abstand der Felder bzw. Wellenberge 34 ist so gestaltet, dass die mechanischen Zielwerte der Verbindung erreicht werden. Besonders vorteilhaft ist, wenn neben der Schweißverbindung auch eine Klebstoffverbindung zum Fügen der Bauteile 10 und 20 verwendet wird. Der Klebstoff kann sich in idealer Weise in die Wellentäler 36 hinein erstrecken bzw. dort angeordnet sein. Aufgrund der Rauheit bzw. Porosität der Haftschicht 30, bedingt durch das Auftragen mittels Spritzen, kann eine optimale Haftung bzw. Verklammerung des Klebstoffs erreicht werden, welcher der Festigkeit der Bauteilverbindung zu Gute kommt.
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4 zeigt in einer schematischen Ansicht einen Schnitt entlang einer Haftschicht 30, angeordnet auf einem ersten Bauteil 10, entlang einer Verfahrrichtung V eines Beschichtungswerkzeugs gesehen. Schematisch angedeutet ist ein Wellenprofil, umfassend Wellenberge 34 und Wellentäler 36. Im Bereich der Wellenberge 34 weist die Haftschicht 30 eine deutlich größere Wandstärke auf als dazwischen. Erreicht wird dies beispielsweise dadurch, dass eine Verfahrgeschwindigkeit des Beschichtungswerkzeugs im Bereich der Wellentäler 36 erhöht wird. Deutlich zu erkennen ist, dass durch dieses Verfahren die Größe der Haftschicht 30 im Bereich der Wellentäler 36 auf ein Minimum reduziert werden kann, was das Gewicht sowie die Materialkosten und damit die Verfahrenskosten deutlich senkt. Über eine weitere Anpassung des Verfahrens könnte dieses auch so geführt werden, dass im Bereich der Wellentäler 36, wenn gewünscht, überhaupt kein Beschichtungswerkstoff mehr vorliegt. Eine Haftschicht 30 ist dann exakt nur im Bereich der Wellenberge 34 ausgebildet. In Bezug auf das vorgenannte Klebeverfahren kann aber eine zumindest dünne Haftschicht 30 im Bereich der Wellentäler 36 große Vorteile bieten, da durch deren Rauheit bzw. Porosität die Oberfläche in diesem Bereich erhöht wird, was für eine Klebstoffverbindung große Vorteile mit sich bringt.
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5 zeigt schematisch einen Querschnitt einer Haftschicht 30. Die Haftschicht 30 ist vorliegend durch eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Bahnen 31 erzeugt. Zu erkennen ist, dass zischen diesen Bahnen 31 Lücken 32 gebildet sind. Je weiter die Bahnen 31 auseinander liegen, desto größer werden die Lücken 31. Wird nun über eine derartige Struktur geschweißt, vgl. hierzu die 1, können unter anderem Schweißspritzer entstehen. Das Problem tritt insbesondere auf, wenn eine Elektrode in Bereich oder über einer „Lücke 31“ positioniert wird. Mit Vorteil wird das Verfahren, über eine Anpassung des Spur- oder Bahnversatzes und/oder eine geeignete Wahl des Düsendurchmesser, so geführt, dass über den gesamten Bereich der Haftschicht 30, vorliegend insbesondere bezogen auf die Breitenrichtung, eine gleichmäßige Oberfläche geschaffen ist, sodass der Schweißpunkt sozusagen „beliebig“ gesetzt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- erstes Bauteil
- 20
- zweites Bauteil
- 26
- Fügebereich
- 30
- Haftschicht
- 31
- Bahn, Spur
- 32
- Lücke
- 34
- Wellenberg, Plateau
- 36
- Wellental
- 40
- Klebstoff(-Schicht)
- 50
- Schweißpunkt
- 60
- Schweißkappen
- 70
- Beschichtungswerkzeug
- V
- Verfahrrichtung, Vorschubrichtung
