DE10359564B4

DE10359564B4 - Verfahren zum Verbinden von Bauteilen

Info

Publication number: DE10359564B4
Application number: DE2003159564
Authority: DE
Inventors: Bernd Hohenberger; Reiner Ramsayer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-12-18
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2023-12-19
Also published as: DE10359564A1

Abstract

Verfahren zum Verbinden von Bauteilen (10, 15; 25, 26), wobei die Bauteile (10, 15; 25, 26) aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Schmelzpunkten bestehen, bei dem ein erstes Bauteil (10; 25), welches den höheren Schmelzpunkt aufweist, eine Ausnehmung (11; 27) aufweist, durch die ein Fortsatz (16; 28) eines zweiten, den niedrigeren Schmelzpunkt aufweisenden Bauteils (15; 26) ragt und dabei aus der Ausnehmung (11; 27) hervorsteht, wobei das zweite Bauteil (15; 26) einen in einer Richtung wirkenden Anschlag ausbildet und wobei das zweite Bauteil (15; 26) zumindest im Bereich des Fortsatzes (16; 26) teilweise auf eine Temperatur oberhalb seines Schmelzpunktes erwärmt wird, so dass der Fortsatz (16; 26) zumindest teilweise aufschmilzt, die Ausnehmung (11; 27) zumindest teilweise ausfüllt und mit einem aus der Ausnehmung (11; 27) herausragenden Haltebereich (23; 31) eine formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Bauteilen (10, 15; 25, 26) herstellt, und wobei der Abkühlvorgang der Bauteile mittels einer Nachheizstrategie...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilen. In der Fertigungstechnik werden schon lange Fertigungsverfahren zum Verbinden artgleicher sowie artungleicher Werkstoffe bei möglichst großen tolerierbaren Toleranzen gesucht. Speziell in der Automobilindustrie werden temperaturbeständige elektrische Verbindungen zur Kontaktierung von Sensoren und Aktoren benötigt. Dabei werden zunehmend artungleiche Verbindungen eingesetzt. Insbesondere erlangen zunehmend Verbindungen von beispielsweise Kupferwerkstoffen mit Aluminiumwerkstoffen an Bedeutung. Aluminium- und Kupferwerkstoffe zeichnen sich gleichermaßen durch hohe thermische als auch elektrische Leitfähigkeit aus. Eine Verbindung dieser beiden Werkstoffe scheitert derzeit noch an geeigneten Verbindungstechniken. Gängige Schmelzschweißverfahren (Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen und andere Verfahren) führen bei diesen Werkstoffen aufgrund deren thermischer und physikalischer Kenngrößen zu einer ausgesprochen starken Bildung sogenannter intermetallischer Phasen. Diese sind extrem spröde, d. h. bei ungünstiger Belastung treten Risse und damit ein Versagen der Verbindung auf.

Verschiedene Verfahren zum Verbinden von Bauteilen sind aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise DE-AS 1 182 510 ein Verfahren zum thermischen Verbinden von zwei parallele Kanten aufweisenden Blechen, welche insbesondere aus einem relativ gut und einem relativ schlecht wärmeleitenden Material bestehen. Dabei ragt das Blech mit dem niedrigeren Schmelzpunkt über den Fügebereich hinaus und dieser Überstand wird ohne Einsatz zusätzlichen Materials zur Bildung der thermischen Verbindung abgeschmolzen.

Weiter sind auch aus JP 200117443 A und DE 100 07 926 C1 Verfahren zum Verbinden von Bauteilen bekannt, wobei ein Fortsatz des einen Bauteils in bzw. durch eine Ausnehmung des anderen Bauteils reicht.

In den Lehren der oben genannten Schriften ist es jedoch nicht vorgesehen, den Abkühlvorgang der verbundenen Bauteile mittels einer Nachheizstrategie zu begleiten.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbinden von Bauteilen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass insbesondere artungleiche Werkstoffe besonders sicher verbunden werden können und die Qualität und Zuverlässigkeit der Verbindung weiter erhöht wird gegenüber bisher bekannten Verfahren. Dabei sind nicht nur die oben angesprochenen Verbindungen aus Kupfer und Aluminium, sondern beispielsweise auch Kupfer/Stahl- oder Aluminium/Stahl-Verbindungen gemeint. Gleichzeitig ist das Verfahren dazu geeignet, innerhalb kürzester Zeit eine Vielzahl von Fügeverbindungen herzustellen. Dadurch, dass auf eine großflächige, schmelzförmige Verbindung zwischen den Bauteilen verzichtet wird, läßt sich insbesondere die Gefahr sogenannter intermetallischer Phasen reduzieren, wodurch eine dauerhafte, mechanisch und thermisch stabile Verbindung erzielt wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verbinden von Bauteilen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Um eine große Anzahl an Fügeverbindungen in kurzer Taktzeit herstellen zu können, wird vorzugsweise eine Laserstrahlquelle zur berührungslosen Energieeinbringung in den Verbindungsbereich eingesetzt. Insbesondere bei der Verwendung von Aluminium als zu erwärmendem Werkstoff eignet sich ein Diodenlaser, da Aluminium ein ausgeprägtes Absorptionsmaximum im Wellenlängenbereich des Diodenlasers aufweist. Zur Verbesserung des Prozessablaufes ist es in einer bevorzugten Ausführungsform weiterhin vorgesehen, auch das erste Bauteil, insbesondere im Verbindungsbereich, zumindest teilweise aufzuheizen. Zur besseren Vernetzung der Materialien beider Werkstoffe ist es weiterhin vorteilhaft, eine Oberflächenbeschichtung vorzusehen. Ohne weitere Hilfsmittel lassen sich die beiden Bauteile miteinander verbinden, wenn das eine Bauteil beim Fügeprozess einen Anschlag für das andere Bauteil ausbildet.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

1 die Anordnung zweier Bauteile zu Beginn des Fügevorgangs in einer vereinfachten Seitenansicht,

2 die beiden Bauteile nach Abschluss des Fügevorgangs in einer vereinfachten Seitenansicht,

3 zwei Bauteile in Form von Stanzgittern, bevor diese miteinander verbunden werden, in Seitenansicht und

4 die Verbindung der beiden Bauteile gemäß 3, ebenfalls in Seitenansicht.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der 1 ist ein erstes, flaches bzw. plattenförmiges Bauteil 10 mit einer Ausnehmung in Form einer Öffnung 11 dargestellt. Die Öffnung 11 besitzt vorzugsweise eine geschlossene Kontur, das heißt, dass die Öffnung 11 die Form eines Durchbruchs bzw. eines Durchgangsloches aufweist. Weiterhin ist ein zweites Bauteil 15 erkennbar, welches im wesentlichen unterhalb des ersten Bauteils 10 positioniert ist. Das zweite Bauteil 15 weist einen stiftförmigen Fortsatz 16 auf, welcher die Öffnung 11 durchdringt und die Oberseite 17 des ersten Bauteils 10 überragt.
Der Durchmesser bzw. der Umfang des Fortsatzes 16 ist geringer als der Durchmesser bzw. der Innenumfang der Öffnung 11, so dass zwischen dem Fortsatz 16 und der Öffnung 11 ein ringförmiger Spalt 18 ausgebildet ist. Je größer der Spalt 18, desto einfacher ist eine Positionierung des ersten Bauteils 10 zum zweiten Bauteil 15, d.h. desto eher können Fertigungsungenauigkeiten zwischen den Bauteilen 10, 15 ausgeglichen werden. Fertigungs- oder Positionierungenauigkeiten zwischen den beiden Bauteilen 10, 15 äußern sich dahingehend, dass der Fortsatz 16 nicht mittig innerhalb der Öffnung 11 angeordnet ist.
Weiterhin ist das Volumen des Fortsatzes 16 größer als das Volumen, welches von der Öffnung 11 gebildet ist. Insbesondere ist das Volumen des oberhalb der Oberseite 17 des ersten Bauteils 10 befindlichen Abschnitts des Fortsatzes 16 größer als das von dem Spalt 18 gebildete Volumen.
Ferner erkennt man in der 1, dass das zweite Bauteil 15 mit seiner Oberseite 19 einen Anschlag für das erste Bauteil 10 ausbildet, indem das erste Bauteil 10 mit seiner Unterseite 21 auf der Oberseite 19 des zweiten Bauteils 15 formschlüssig aufsitzt. Dadurch läßt sich zum einen eine exakte Positionierung des zweiten Bauteils 15 zum ersten Bauteil 10 bezüglich deren Höhenpositionierung zueinander bewirken, und zum zweiten verschließt die Oberseite 21 des zweiten Bauteils 15 den Spalt 18 in Richtung zum zweiten Bauteil 15 hin.
Die beiden Bauteile 10, 15 können aus gleichen oder artgleichen, oder aber aus unterschiedlichen bzw. artungleichen Materialien bestehen. Als Materialien kommen insbesondere Aluminium-, Kupfer- oder Stahlwerkstoffe in Betracht. Bevorzugt weisen die beiden für die Bauteile 10, 15 verwendeten Materialien unterschiedliche Schmelztemperaturen auf, wobei die Schmelztemperatur des ersten Bauteils 10 höher ist als die Schmelztemperatur des zweiten Bauteils 15.
Zum Verbinden der beiden Bauteile 10, 15 wird der Fortsatz 16 des zweiten Bauteils 15 mittels einer Wärmequelle bis auf eine Temperatur oberhalb seines Schmelzpunktes erwärmt. Als Wärmequellen kommen dabei die unterschiedlichsten Wärmequellen in Betracht, insbesondere jedoch Wärmequellen, welche ihre Energie berührungslos in ein Bauteil einbringen, wie Induktions- oder Laserstrahlquellen. Bevorzugt wird eine Laserstrahlquelle als Wärmequelle verwendet, da diese hohe Taktzahlen infolge hoher Energieeinbringung und hoher Positioniergenauigkeit ermöglicht. Wenn das zweite Bauteil 15 bzw. dessen Fortsatz 16 Aluminium enthält bzw. aus Aluminium besteht und das erste Bauteil Kupfer enthält eignet sich insbesondere ein Diodenlaser, da Aluminium ein ausgeprägtes Absorptionsmaximum im Wellenlängenbereich des Diodenlasers aufweist und so gewährleistet ist, dass das Aluminium weit vor dem Kupfer zu schmelzen beginnt.
Grundsätzlich sollte die Wärmeübertragung derart erfolgen, dass lediglich der Fortsatz 16 des zweiten Bauteils 15 aufgescholzen wird, wohingegen die Temperatur des ersten Bauteils 10 unterhalb dessen Schmelztemperatur bleibt. Weiterhin sollte die Temperatur so gewählt sein, dass ein Verdampfen von Material vermieden wird.
Je nach Werkstoffkombination kann es zur Verbesserung der Verbindung der beiden Bauteile 10, 15 vorteilhaft sein, auch das erste Bauteil 10 gezielt zu erwärmen, bevorzugt auf eine Temperatur unterhalb seines Schmelzpunktes. Dies kann mit derselben Wärmequelle wie für das zweite Bauteil 15, oder aber mittels einer anderen Wärmequelle erfolgen. Die Erwärmung des zweiten Bauteils 15 bzw. des ersten Bauteils 10 kann dabei jeweils anhand eines vorgegebenen Temperaturprofils, vorzugsweise geregelt, erfolgen.
Auch kann es zur Verbesserung der Verbindung vorteilhaft sein, insbesondere das erste Bauteil 10, zumindest im Verbindungsbereich, mit einer Beschichtung, beispielsweise mit Zinn oder Nickel, zu versehen.
In dem in der 1 dargestellten Beispiel weist der von einer nicht dargestellten Laserstrahlquelle erzeugte Laserstrahl 22 eine trichterförmige Form auf, so dass der Laserstrahl 22 sowohl auf die Oberseite des Fortsatzes 16, als auch auf dessen Umfangsfläche einwirkt. Die Form des Laserstrahls 22 ist ferner so gewählt, dass dieser nicht auf das erste Bauteil 10 sowie die Oberseite 19 des zweiten Bauteils 15 im Bereich des Spaltes 18 einwirkt. Mit dieser Ausbildung wird bewirkt, dass lediglich der Fortsatz 16 erwärmt bzw. verflüssigt wird. Jedoch ist es durchaus auch denkbar, dass der Laserstrahl 22 auf beide Bauteile 10, 15 einwirkt.
In der 2 sind die Bauteile 10, 15 dargestellt, nachdem der von dem Laserstrahl 22 geschmolzene Fortsatz 16 erstarrt ist. Man erkennt, dass der Fortsatz 16 nunmehr zapfenförmig ausgebildet ist, wobei der über die Oberseite 17 des ersten Bauteils 10 ragende Abschnitt 23 des Fortsatzes 16 eine gewölbte Form aufweist und die Öffnung 11 im ersten Bauteil 10 überragt, so dass ein Formschluss zwischen den beiden Bauteilen 10, 15 gebildet ist. Ferner ist der Spalt 18 vollständig mit Material des Fortsatzes 16 ausgefüllt.
Der Abkühlvorgang der Bauteile 10, 15 erfolgt mittels einer gezielten Nachheizstrategie. Es wird sichergestellt, dass der Spalt 18 vollständig mit Material ausgefüllt ist. Diese Nachheizstrategie, sowie natürlich auch das Aufheizen der Bauteile 10, 15 läßt sich regeln, indem die Temperatur der Bauteile 10, 15 mittels eines geeigneten Wärmesensors, beispielsweise mittels einer Thermokamera, einer CCD- oder CMOS-Kamera, eines Pyrometers oder einer Photodiode erfasst und als Steuerungsgröße zur Regelung der Wärmequelle verwendet wird.
In den 3 und 4 ist eine Verbindung zweier Stanzgitterbauteile 25, 26 vor und nach dem Fügevorgang dargestellt. Dabei ist die Öffnung 27 in dem einen Stanzgitterbauteil 25 vorzugsweise konisch ausgebildet, um ein einfacheres Einführen bzw. Durchstecken des zweiten Stanzgitterbauteils 26 mit dessen umgebogenen Abschnitt 28 zu ermöglichen. Der Querschnitt des Abschnitts 28 ist dabei rechteckförmig und die Öffnung 27 weist in Draufsicht (nicht dargestellt) ebenfalls eine rechteckförmige Gestalt auf. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel bildet der nicht umgebogene Abschnitt 29 des Stanzgitterbauteils 26 einen der Positionierung der Teile bildenden Anschlag aus. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel füllt der erstarrte, zuvor aufgescholzene Bereich des Abschnitts 28 jedoch nicht die gesamte Öffnung 27 aus (4). Dies rührt daher, dass ein Austreten von Material aus der Unterseite der Öffnung 27 auf der dem Abschnitt 29 abgewandten Seite vermieden werden muß, damit überhaupt die gewünschte formschlüssige Verbindung hergestellt werden kann. Dies wird dadurch erzielt, dass der Abschnitt 28 lediglich in seinem oberen Bereich so lange erwärmt bzw. verflüssigt wird, bis der pilzförmige Kopf 31 gebildet wird.

Claims

Verfahren zum Verbinden von Bauteilen (10, 15; 25, 26), wobei die Bauteile (10, 15; 25, 26) aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Schmelzpunkten bestehen, bei dem ein erstes Bauteil (10; 25), welches den höheren Schmelzpunkt aufweist, eine Ausnehmung (11; 27) aufweist, durch die ein Fortsatz (16; 28) eines zweiten, den niedrigeren Schmelzpunkt aufweisenden Bauteils (15; 26) ragt und dabei aus der Ausnehmung (11; 27) hervorsteht, wobei das zweite Bauteil (15; 26) einen in einer Richtung wirkenden Anschlag ausbildet und wobei das zweite Bauteil (15; 26) zumindest im Bereich des Fortsatzes (16; 26) teilweise auf eine Temperatur oberhalb seines Schmelzpunktes erwärmt wird, so dass der Fortsatz (16; 26) zumindest teilweise aufschmilzt, die Ausnehmung (11; 27) zumindest teilweise ausfüllt und mit einem aus der Ausnehmung (11; 27) herausragenden Haltebereich (23; 31) eine formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Bauteilen (10, 15; 25, 26) herstellt, und wobei der Abkühlvorgang der Bauteile mittels einer Nachheizstrategie erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Fortsatz (16; 28) des zweiten Bauteils (15; 26) und der Ausnehmung (11; 27) des ersten Bauteils (10; 25) ein Spalt (18) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (18) des ersten Bauteils (10) vollständig von der Oberseite (19) des zweiten Bauteils (15) abgedeckt ist und dass das Volumen des aus dem Spalt (18) herausragenden Abschnitts des Fortsatzes (16) größer ist als das von dem Spalt (18) zwischen den beiden Bauteilen (10, 15) gebildete Volumen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung zumindest des zweiten Bauteiles (15; 26) mittels einer Laserstrahlquelle, insbesondere mittels eines Diodenlasers, erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum zweiten Bauteil (15; 26) auch das erste Bauteil (10; 25), insbesondere in dem Verbindungsbereich, zumindest teilweise erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (10; 25) zumindest im Verbindungsbereich mit einer Oberflächenbeschichtung versehen wird, welche eine Vernetzung des verflüssigten Bereichs des zweiten Bauteils (15; 26) mit dem beschichteten Bereich bewirkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil Aluminium enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Bauteile (10, 15; 25, 26) beim Aufheizen und/oder Nachheizen der Bauteile (10, 15; 25, 26) mittels eines Sensors überwacht wird und dass in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur zumindest die Wärmequelle für das zweite Bauteil (15; 26) angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (18) durch die Nachheizstrategie beim Abkühlvorgang der Bauteile vollständig mit Material ausgefüllt wird.