DE102021213241A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (1) zum Schweißen von einem ersten Fügepartner (10) aus Aluminium mit einem artungleichen metallischen zweiten Fügepartner (20), insbesondere mit einem zweiten Fügepartner (20) aus Kupfer, wobei auf einem Fügepartner eine Schicht aus einem Zusatzwerkstoff, ausgewählt aus der Gruppe Silber, Gold, Zinn, Nickel und/oder Legierungen daraus, aufgebracht wird, und die Fügepartner (10, 20) anschließend miteinander verschweißt werden, und wobei eine Oxidschicht auf dem ersten Fügepartner (10) entfernt wird und anschließend auf den ersten Fügepartner (10) die Schicht aus dem Zusatzwerkstoff aufgebracht wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen von Aluminium mit einem artungleichen metallischen Fügepartner, insbesondere mit einem Fügepartner aus Kupfer.
- Es besteht ein zunehmender Bedarf an Kontaktelementen und anderen stromführenden Bauteilen, wie Stromschienen, Hochvoltverbindern, Stromterminals, Federelemente oder dergleichen, die eine hohe Stromtragfähigkeit aufweisen. Als Werkstoffe für diese Bauteile sind insbesondere Kupfer und Kupferlegierungen aufgrund einer verlustarmen Stromtragfähigkeit und hohen Wärmeabfuhr als auch Aluminium und Aluminiumlegierungen aufgrund eines geringen Gewichts sowie unter Kostenaspekten vorteilhaft. Beide Werkstoffe werden in unterschiedlichen Bauteilen häufig in Kombination eingesetzt, wobei Komponenten aus diesen Werkstoffen sowie ggf. weitere Komponenten aus anderen metallischen Werkstoffen miteinander zu verbinden, insbesondere zu verschweißen sind.
- Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften wie beispielsweise unterschiedlicher Schmelztemperaturen und unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen der Werkstoffe Kupfer und Aluminium sind diese Werkstoffe jedoch nur bedingt für eine direkte Schweißverbindung geeignet. Es ist daher bekannt, zwischen den Fügepartnern aus diesen Werkstoffen einen Schweißzusatzwerkstoff aus Nickel oder Silber einzubringen.
- Beispielweise ist aus
DE 10 2004 009 651 A2 ein Verfahren zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner, insbesondere von Aluminium-Kupfer-Verbindungen bekannt, wobei zwischen den beiden Fügepartnern aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen eine Lage eines Schweißzusatzwerkstoffes aus Nickel oder Silber geschichtet wird. Anschließend werden die beiden Fügepartner unter Einbindung des Schweißzusatzwerkstoffes mit Hilfe eines Energiestrahls, vorzugsweise Laserstrahls, miteinander verschweißt. - AUFGABE UND LÖSUNG
- Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen von Aluminium mit einem artungleichen metallischen Fügepartner, insbesondere mit einem Fügepartner aus Kupfer, zu schaffen, welche eine sichere Verbindung mit hoher Langzeitstabilität ermöglichen.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und die Vorrichtung gemäß Anspruch 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
- Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zum Schweißen von einem ersten Fügepartner aus Aluminium mit einem artungleichen metallischen zweiten Fügepartner, insbesondere mit einem zweiten Fügepartner aus Kupfer geschaffen, wobei auf einem Fügepartner eine Schicht aus einem Zusatzwerkstoff, ausgewählt aus der Gruppe Silber, Gold, Zinn, Nickel und/oder Legierungen daraus, aufgebracht wird, und die Fügepartner anschließend miteinander verschweißt werden, wobei eine Oxidschicht auf dem ersten Fügepartner entfernt wird und anschließend auf den ersten Fügepartner die Schicht aus dem Zusatzwerkstoff aufgebracht wird.
- Die Begriffe „ein“, „einer“ etc. werden im Zusammenhang mit der Anmeldung als unbestimmte Artikel und nicht als Zählwörter verwendet. Ebenso dienen die Begriffe „erster“ und „zweiter“ in Zusammenhang mit der Anmeldung lediglich zur Unterscheidung und geben keine Reihenfolge an. Auch verlangen die Begriffe „erste“, „erster“ etc. nicht zwangsweise ein Vorhandensein von zweiten baugleichen oder ähnlichen Elementen.
- Durch ein Aufbringen der Schicht aus dem Zusatzwerkstoff unmittelbar nach dem Entfernen der Oxidschicht erfolgt eine Passivierung, d.h. eine erneute Oxidation an der Oberfläche wird verhindert. Für eine Passivierung der Oberfläche hat sich dabei insbesondere die Verwendung von Silber als Zusatzwerkstoff als vorteilhaft herausgestellt. Zusätzlich verhindert die Schicht aus dem Zusatzwerkstoff eine Bildung von Sprödphasen, insbesondere bei einem Aluminium-Kupfer-Stoffsystem.
- In einer Ausgestaltung werden beide Fügepartner vor einem Schweißen beschichtet. Je nach Fügepartner erfolgt vor einer Beschichtung auch ein Entfernen einer Oxidschicht an beiden Fügepartner.
- Die Oxidschicht wird in einer Ausgestaltung chemisch mittels einer geeigneten Lösung entfernt.
- In vorteilhaften Ausgestaltungen wird die Oxidschicht auf dem ersten Fügepartner mechanisch entfernt. Mechanische Verfahren zeichnen sich durch eine Prozesssicherheit aus und sind aufgrund einer Automatisierbarkeit für Großserien tauglich. Zudem sind mechanische Verfahren nachhaltiger und umweltschonender als chemische Verfahren, da auf kennzeichnungspflichtige Stoffe verzichtet werden kann. Das mechanische Verfahren ist in einer Ausgestaltung ausgewählt aus der Gruppe umfassend Bürsten, Schleifen, Läppen, Polieren. Es sind jedoch auch andere mechanische Verfahren denkbar, mittels welchen es möglich ist, die Oxidschicht abzutragen und die wirksame Oberfläche zu vergrößern.
- In einer Ausgestaltung wird die Schicht aus dem Zusatzwerkstoff mittels thermischem Spritzen, insbesondere mittels Kaltgasspritzen oder mittels atmosphärischem Plasmaspritzen, aufgebracht. Ein Plasmaspritzen erfolgt dabei bei Normaldruck, d.h. ohne Vakuum. Die Plasmabeschichtung erlaubt eine selektive Beschichtung der Oberfläche, sodass ein Einsatz des Zusatzwerkstoffs minimiert werden kann. Zudem weist die mittels Plasmabeschichtung aufgebrachte Schicht, auch als Plasmaschicht bezeichnet, eine sehr hohe Reinheit auf.
- In einer Ausgestaltung werden die Fügepartner mittels eines Laserschweißverfahrens verschweißt.
- In vorteilhaften Ausgestaltungen werden die Fügepartner mittels eines Pressschweißverfahrens, insbesondere mittels Rührreibschweißen, Rührreibpunktschweißen, Reibschweißen, Diffusionsschweißen miteinander verbunden. Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere durch ein Reibschweißen oder ein Rührreibschweißen sichergestellt werden kann, dass die Schicht aus dem Zusatzwerkstoff zwischen den Fügepartnern vorhanden bleibt. Als Rührreibschweißen (Englisch: Friction Stir Welding) wird ein Verfahren bezeichnet, bei welchem ein rotierender Stift zwischen Berührungsflächen der Fügepartner unter Erzeugung von Reibungswärme entlanggeführt wird. Durch die Reibungswärme plastifiziert das Material und wird miteinander verschweißt.
- In einer Ausgestaltung wird die Schicht aus dem Zusatzwerkstoff vor einem Verschweißen der Fügepartner mechanisch geglättet wird.
- Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Vorrichtung zum Schweißen von einem ersten Fügepartner aus Aluminium mit einem artungleichen metallischen zweiten Fügepartner, insbesondere mit einem zweiten Fügepartner aus Kupfer, geschaffen, umfassend eine Beschichtungseinrichtung, mittels welcher auf einem Fügepartner eine Schicht aus einem Zusatzwerkstoff, ausgewählt aus der Gruppe Silber, Gold, Zinn, Nickel und/oder Legierungen daraus, aufbringbar ist, eine Schweißeinrichtung, mittels welcher die Fügepartner miteinander verschweißbar sind, und eine Vorbehandlungseinrichtung ist, die eingerichtet ist, um eine Oxidschicht auf dem ersten Fügepartner vor einem Aufbringen der Schicht aus dem Zusatzwerkstoff auf dem ersten Fügepartner zu entfernen.
- Die Vorbehandlungseinrichtung, die Beschichtungseinrichtung und die Schweißeinrichtung sind in einer Ausgestaltung in der genannten Reihenfolge an drei Stationen vorgesehen, welche von einem Bauteil nacheinander durchlaufen werden. In anderen Ausgestaltungen erfolgt eine stationäre Bearbeitung der Bauteile.
- In einer Ausgestaltung ist die Vorbehandlungseinrichtung eingerichtet, um die Oxidschicht auf dem ersten Fügepartner mechanisch zu entfernen. Das mechanische Verfahren ist in einer Ausgestaltung ausgewählt aus der Gruppe umfassend Bürsten, Schleifen, Läppen, Polieren. Es sind jedoch auch andere mechanische Verfahren denkbar, mittels welchen es möglich ist, die Oxidschicht abzutragen und die wirksame Oberfläche zu vergrößern.
- Die Beschichtungseinrichtung ist in einer Ausgestaltung eine Einrichtung für ein thermisches Spritzen, insbesondere eine Kaltspritzeinrichtung oder eine Plasmaspritzeinrichtung.
- Die Schweißeinrichtung ist in einer Ausgestaltung eingerichtet ist, um Fügepartner mittels eines Pressschweißverfahrens, insbesondere mittels Rührreibschweißen, Rührreibpunktschweißen, Reibschweißen, Diffusionsschweißen miteinander zu verbinden.
- Die Vorrichtung umfasst in einer Ausgestaltung weiter eine Glättungseinrichtung, die eingerichtet ist, um die Schicht vor einem Verschweißen der Fügepartner mechanisch zu glätten. Ein Glätten erfolgt dabei in einer Ausgestaltung mittels einer Einrichtung für eine Oberflächenumformung, wie ein Rollieren, Pressen, Schmieden oder dergleichen und/oder mittels einer Einrichtung zum Polieren oder Bürsten
- KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das nachfolgend anhand der Figur erläutert ist. Dabei zeigt die einzige
1 schematisch: - eine Vorrichtung zum Schweißen von einem ersten Fügepartner aus Aluminium mit einem artungleichen metallischen zweiten Fügepartner.
- DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 1 zum Schweißen von einem schematisch dargestellten ersten Fügepartner 10 aus Aluminium mit einem schematisch dargestellten artungleichen metallischen zweiten Fügepartner 20, insbesondere mit einem zweiten Fügepartner aus Kupfer. - Die dargestellte Vorrichtung 1 umfasst eine Vorbehandlungseinrichtung 2, eine Beschichtungseinrichtung 3, eine Glättungseinrichtung 4 und eine Schweißeinrichtung 5, welche in dem dargestellten Ausführungsbeispiel an Stationen vorgesehen sind.
- Der erste Fügepartner 10 durchläuft die Vorbehandlungseinrichtung 2, die Beschichtungseinrichtung 3 und die Glättungseinrichtung 4 und wird anschließend mit dem zweiten Fügepartner 20 in der Schweißeinrichtung 5 verschweißt.
- Mittels der Vorbehandlungseinrichtung 2 wird zunächst eine Oxidschicht auf dem ersten Fügepartner 20 entfernt, insbesondere mechanisch entfernt.
- Anschließend wird in der Beschichtungseinrichtung 3 eine Schicht aus dem Zusatzwerkstoff, insbesondere aus Silber oder Nickel, auf den ersten Fügepartner 10 aufgebracht. Die Beschichtungseinrichtung 3 ist beispielsweise eine Plasmabeschichtungseinrichtung, insbesondere zum Durchführen eines plasmagestützten physikalischen Gasphasenabscheidungsverfahrens oder eines plasmagestützten chemischen Gasphasenabscheidungsverfahrens.
- In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist weiter einer Glättungseinrichtung 4 vorgesehen, an welcher die Schicht aus dem Zusatzwerkstoff mechanisch geglättet wird.
- Die Schweißeinrichtung 5 ist beispielsweise eingerichtet, um Fügepartner mittels eines Pressschweißverfahrens, insbesondere mittels Rührreibschweißen, Rührreibpunktschweißen, Reibschweißen, Diffusionsschweißen miteinander zu verbinden.
- Die Vorrichtung 1 erlaubt die Herstellung von Bauteilen mit hoher Duktilität und hoher Langzeitstabilität.
- In dem dargestellten Ausführungsbeispiel durchläuft nur der erste Fügepartner 10 durchläuft die Vorbehandlungseinrichtung 2, die Beschichtungseinrichtung 3 und die Glättungseinrichtung 4. In einer anderen Ausgestaltung durchläuft der zweite Fügepartner 20 ebenfalls eine Vorbehandlungseinrichtung, eine Beschichtungseinrichtung und/oder eine Glättungseinrichtung.
- Wie für den Fachmann offensichtlich, ist jedoch das beschriebene Verfahren nicht auf die dargestellte Vorrichtung beschränkt, sondern beispielsweise auch stationär durchführbar.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- 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.
- Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004009651 A2 [0004]
Claims (10)
- Verfahren zum Schweißen von einem ersten Fügepartner (10) aus Aluminium mit einem artungleichen metallischen zweiten Fügepartner (20), insbesondere mit einem zweiten Fügepartner (20) aus Kupfer, wobei auf einem Fügepartner eine Schicht aus einem Zusatzwerkstoff, ausgewählt aus der Gruppe Silber, Gold, Zinn, Nickel und/oder Legierungen daraus, aufgebracht wird, und die Fügepartner (10, 20) anschließend miteinander verschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oxidschicht auf dem ersten Fügepartner (10) entfernt wird und anschließend auf den ersten Fügepartner (10) die Schicht aus dem Zusatzwerkstoff aufgebracht wird.
- Verfahren nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidschicht auf dem ersten Fügepartner (10) mechanisch entfernt wird, wobei insbesondere die Oxidschicht auf dem ersten Fügepartner (10) mittels Bürsten, Schleifen, Läppen und/oder Polieren entfernt wird. - Verfahren nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus dem Zusatzwerkstoff mittels thermischem Spritzen, insbesondere mittels Kaltgasspritzen oder atmosphärischem Plasmaspritzen, aufgebracht wird. - Verfahren nach
Anspruch 1 ,2 oder3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fügepartner (10, 20) mittels eines Pressschweißverfahrens, insbesondere mittels Rührreibschweißen, Rührreibpunktschweißen, Reibschweißen, Diffusionsschweißen miteinander verbunden werden. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus dem Zusatzwerkstoff vor einem Verschweißen der Fügepartner (10, 20) mechanisch geglättet wird. - Vorrichtung zum Schweißen von einem ersten Fügepartner (10) aus Aluminium mit einem artungleichen metallischen zweiten Fügepartner (20), insbesondere mit einem zweiten Fügepartner (20) aus Kupfer, umfassend eine Beschichtungseinrichtung (3), mittels welcher auf einem Fügepartner eine Schicht aus einem Zusatzwerkstoff, ausgewählt aus der Gruppe Silber, Gold, Zinn, Nickel und/oder Legierungen daraus, aufbringbar ist, und eine Schweißeinrichtung (5), mittels welcher die Fügepartner (10, 20) miteinander verschweißbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorbehandlungseinrichtung (2) vorgesehen ist, die eingerichtet ist, um eine Oxidschicht auf dem ersten Fügepartner (10) vor einem Aufbringen der Schicht aus dem Zusatzwerkstoff auf dem ersten Fügepartner (10) zu entfernen.
- Vorrichtung nach
Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbehandlungseinrichtung (2) eingerichtet ist, um die Oxidschicht auf dem ersten Fügepartner (10) mechanisch zu entfernen, insbesondere ist die Vorbehandlungseinrichtung (2) eingerichtet, um die Oxidschicht auf dem ersten Fügepartner (10) mittels Bürsten, Schleifen, Läppen und/oder Polieren zu entfernen. - Vorrichtung nach
Anspruch 6 oder7 , dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungseinrichtung (3) eine Einrichtung für ein thermisches Spritzen ist, insbesondere eine Einrichtung zum Kaltgasspritzen oder zum atmosphärischen Plasmaspritzen. - Vorrichtung nach
Anspruch 6 ,7 oder8 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißeinrichtung (5) eingerichtet ist, um Fügepartner (10, 20) mittels eines Pressschweißverfahrens, insbesondere mittels Rührreibschweißen, Rührreibpunktschweißen, Reibschweißen, Diffusionsschweißen miteinander zu verbinden. - Vorrichtung nach einem der
Ansprüche 6 bis9 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Glättungseinrichtung (4) vorgesehen ist, die eingerichtet ist, um die Schicht aus dem Zusatzwerkstoff vor einem Verschweißen der Fügepartner (10, 20) mechanisch zu glätten.
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| DE102021213241.3A DE102021213241A1 (de) | 2021-11-24 | 2021-11-24 | Verfahren und Vorrichtung zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner |
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| DE102021213241.3A DE102021213241A1 (de) | 2021-11-24 | 2021-11-24 | Verfahren und Vorrichtung zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner |
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- 2021-11-24 DE DE102021213241.3A patent/DE102021213241A1/de active Pending
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