WO2015172797A1 - Fügeverfahren und -vorrichtung zum verbinden von zwei metallbauteilen, insbesondere einem stahlbauteil mit einem aluminiumbauteil; entsprechendes verbundbauteil - Google Patents

Fügeverfahren und -vorrichtung zum verbinden von zwei metallbauteilen, insbesondere einem stahlbauteil mit einem aluminiumbauteil; entsprechendes verbundbauteil Download PDF

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surface portion
component
joining method
metal
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Rüdiger BROCKMANN
Oliver Muellerschoen
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Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a joining method for joining a first metal component, in particular a steel component, with a second metal component, in particular an aluminum component, in particular an aluminum sheet component.
  • the invention relates to a device for carrying out such a joining method.
  • the invention relates to a composite component which is produced by such a method.
  • Joining methods have been developed for non-identical metal components, such as steel and aluminum components. Examples include laser welding with and without additives or combined processes, such as the laser MIG hybrid process.
  • a problem with the conventional thermal joining methods is the formation of brittle, intermetallic phases, which are caused by the mixing of z.
  • B Aluminum can arise with steel. These brittle phases affect both static and dynamic strength of the connection. Furthermore, with some aluminum alloys, there is a risk that the aluminum components consisting of these alloys become brittle or even cracked due to the melting of their surface during a conventional welding process.
  • the invention has set itself the task of providing a joining method for connecting a first metal component with a second metal component, which is characterized by a high strength of the compound.
  • a joining method according to the invention for connecting a first metal component to a second metal component at least one Surface portion of the first metal component by means of a thermal processing beam provided with a microstructure.
  • the microstructure which is introduced by means of a thermal machining beam, is distinguished in comparison with a microstructuring, which by means of mechanical methods, such as. As sandblasting, etc., is introduced by a high roughness, diversity and fineness of the microstructures formed.
  • Another advantage of the microstructuring by means of a thermal processing beam is that flexible microstructures for the respective joining task can be created flexibly simply by varying the processing parameters.
  • a laser beam to form the microstructuring is particularly advantageous.
  • a laser beam of a solid-state laser is used.
  • other types of lasers such as CO 2 lasers.
  • a surface portion of a second metal member is disposed in the region of the surface portion of the first metal member and bonded to the microstructured surface portion of the first metal member.
  • the compound of the two metal surfaces formed in this way is characterized by a high strength.
  • a metal component is not to be understood as a component which necessarily consists entirely of metal or even of a single metal or a single metal alloy.
  • the decisive factor is that the surface of the component to be joined is formed from a metal or a metal alloy.
  • a steel or aluminum component is not necessarily to be understood as a component that is formed exclusively of steel or aluminum. Rather, the respective surface to be joined is formed from steel or aluminum.
  • the terms steel and aluminum are of course synonymous with steel or aluminum alloy.
  • two metal components are joined together to form a semifinished product or an already largely shaped structural component by the joining method.
  • the surface portion of the second metal component is softened prior to bonding.
  • the softening can be carried out, for example, inductively or by means of a thermal machining beam, preferably by means of a laser beam.
  • the surface portion of the second metal component may also be microstructured prior to bonding.
  • a thermal machining beam preferably a laser beam
  • the problem of the brittle intermetallic phases is reduced because the two surfaces already intermesh with each other to a high degree on microstructure level by the joining of the softened or microstructured surface portion of the second metal component with the microstructured surface portion of the first metal component. Due to the process, it is not necessary for both to be softened when the join partners meet. Possibly In fact, none of the surfaces to be joined may soften when meeting or at least none of the surfaces to be joined may be melted.
  • a positive and / or material-locking connection of the metal components is formed when connecting the surface sections due to the microstructuring of the surface section of the first metal component and due to the softening and / or microstructuring of the surface section of the second metal component. This ensures a firm connection at the microstructure level.
  • microstructures of the surface section of the first and / or the second metal component are used to introduce pore-like microstructures.
  • the micropores allow a pronounced clawing of the joining partners with each other.
  • capillary forces can form through the micropores, which additionally promote the mutual penetration of the joining partners.
  • the micropores have depths in the range from 50 ⁇ m to 2000 ⁇ m, in particular in the range from 100 ⁇ m to 1000 ⁇ m, and / or diameter in the range from 25 ⁇ m to 1000 ⁇ m, in particular in the range from 50 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • micropores are preferably characterized by the fact that they are predominantly deeper than wide.
  • a variant of the invention is characterized in which by the microstructuring of the surface portion of the first and / or second metal component at least partially undercut microstructures, in particular pore-like microstructures with undercuts are introduced.
  • the penetration, hooking and interlocking of the joining partners is supported by the pressing.
  • a (mechanical) deformation of the metal components at the same time to ensure good surface investment.
  • the requirements for the dimensional accuracy of the joining partners before the joining process are reduced by this integrated forming process.
  • the pressing takes place by means of at least one pressing device, in particular a pressure press or a pressure roller, which is characterized by a gentle surface-pressing, in particular in a continuous process management.
  • a pressing device in particular a pressure press or a pressure roller, which is characterized by a gentle surface-pressing, in particular in a continuous process management.
  • the surface section of the first and / or the second metal component are microstructured or softened after arranging the surface sections towards each other.
  • the surface portion of the second metal component can be arranged in the not yet softened or non-microstructured state to the already microstructured surface portion of the first metal component and only then softened or microstructured.
  • the surface portion of the second metal component can be arranged in the not yet softened or non-microstructured state to the also not yet micro-structured surface portion of the first metal component.
  • the metal components process engineering advantages. Without further ado, the areas to be connected later are to be identified on the already positioned components, so that they can be specifically processed.
  • the metal components are microstructured and / or softened prior to mutual positioning, a particularly precise positioning of the metal components relative to one another must be ensured in order for the machined surface sections to meet one another during the connection.
  • the machining of the surface sections of at least one of the two metal components is made possible with mutually arranged metal components by the first and / or second metal component are deformed before softening and / or microstructuring such that between the surface portions a Eindringpalt for a thermal Processing beam is formed, by means of which the softening and / or microstructuring is performed.
  • the Eindringpalt be ensured by a previous shaping of the metal components.
  • the shape of mutually arranged metal components reduce the demands on the dimensional accuracy of the metal components.
  • the penetration or clawing of the joining partners is particularly promoted in a preferred variant in that the already microstructured surface section of the first metal component is heated for joining.
  • the material of the second metal component does not cool down, or at least more slowly, when it comes in contact with the heated material of the first metal component, and thereby can penetrate better into the microstructure.
  • the microstructuring of the first metal component is optionally softened by the heating, which further promotes the mutual penetration or clawing.
  • the heating is particularly advantageous in the process variant in which the surface portion of the second metal component is softened.
  • the surface portion of the first metal component is heated only to temperatures below its melting point, so that the microstructure is at least largely maintained.
  • it may be advantageous that it is heated to a temperature above the softening or even the melting point of the surface portion of the second metal component to be joined.
  • the heating can be effected, for example, inductively or by means of a thermal machining beam.
  • it is advantageously even by means of the same thermal processing beam, with which the Surface portion of the second metal component is softened and / or microstructured.
  • the heating can take place simultaneously with the softening or microstructuring of the second metal component.
  • the joining of the metal components takes place at least partially in a continuous process.
  • at least one of the processing steps "microstructuring the surface portion of the first metal component", “softening and / or microstructuring the surface portion of the second metal component” and / or “connecting the surface portions” is not performed in one step in a larger connection area, but continuously over some
  • first the microstructuring is carried out in a continuous process on the surface section of the first metal component, then the two metal components are positioned relative to one another ,
  • the surface portion of the second metal component is softened, wherein the surface portion is pressed in the softened state on the microstructured surface portion of the first metal component, wherein preferably the surface portion of the second metal component is heated to below its melting temperature for softening.
  • This process variant is particularly advantageous for aluminum alloys which tend to become brittle when heated above the melting temperature. Also, the formation of undesirable intermetallic phases is counteracted.
  • the microstructured surface portion of the first Metal component with the softened and / or microstructured surface portion of the second metal component are also connected by means of an additive.
  • an additive for example, a thermoplastic or reactive adhesive material, powder or wire can be used as an additive.
  • the reactive adhesive material at least selectively, be activated by means of the thermal processing beam (laser beam).
  • the additive may in particular have the advantage that it leads to or contributes to a desired electrical insulation of the joining partners.
  • a second aspect of the invention relates to an apparatus for carrying out a joining method described above and below.
  • the device comprises at least one device for microstructuring at least one surface section of a first metal component, in particular a laser processing device, a device for softening and / or microstructuring at least one surface section of a second metal component, in particular a laser processing device and a component holder and / or handling, around the surface section of the first metal component in the region of the surface portion of the second metal component to be determined or arranged.
  • a device for microstructuring at least one surface section of a first metal component in particular a laser processing device
  • a device for softening and / or microstructuring at least one surface section of a second metal component in particular a laser processing device and a component holder and / or handling, around the surface section of the first metal component in the region of the surface portion of the second metal component to be determined or arranged.
  • a pressing device is provided in order to press the surface sections towards one another.
  • a dispensing device for an additive may also be provided.
  • z. B. in the use of laser processing devices on and serve the same laser processing device for microstructuring or softening of the two surface sections.
  • a third aspect of the invention relates to a composite component of at least two metal components, which is produced by a joining method described above and below.
  • the composite component may be a motor vehicle steel frame which is connected to a body panel made of aluminum in accordance with the joining method according to the invention.
  • FIG. 1 is a scanning electron micrograph of a metal component, in particular a steel component, according to a first embodiment, a scanning electron microstructure of a metal component, in particular a steel component, according to a second embodiment, a scanning electron microstructure of a microstructure of a metal component, in particular a steel component according to a schematic representation of a device for carrying out a joining method of two metal components using the example of a production line, a schematic representation of a first example of a composite component of two metal components in the region of the joint and a schematic representation of a second example of a composite component of two metal components in the region of the joint.
  • At least one metal component microstructuring means a thermal processing beam introduced before the metal component is connected to another metal component.
  • the achieved microstructure and the method of microstructuring will be explained in more detail below with reference to FIGS. 1 to 3.
  • FIGS. 1 to 3 show scanning electron images of the surface of a metal component 1 in the form of a steel component 1 with such a microstructure 2 according to various examples. In the figures 1 and 2 sectional views of the metal surface are shown.
  • FIG. 3 shows a view of the microstructured metal surface (left side) and a detailed detail of this view (right side).
  • the microstructuring 2 is characterized by an irregular pore-like microstructure. It has micropores 3 with different shapes, each of which has fissured pore walls 4. It can be seen a variety of undercuts 5.
  • the micropores 3 have depths and diameters of the order of several hundred micrometers. It can be clearly seen that the microstructure 2 represents a porous structure in the submillimeter range. It is characterized by a high roughness, diversity and fineness.
  • microstructures 2 shown have been introduced into the metal surface by means of a thermal machining beam in the form of a laser beam.
  • the micropores 3 result from craters that arise when the laser beam strikes the surface.
  • a laser beam of a solid-state laser is used.
  • a diode-pumped disk laser is used.
  • An example is a TruMicro series 7000 short pulse laser from Trumpf Laser GmbH. It has an average power of up to 750 watts.
  • the wavelength is 1030 square meters with a pulse length of 30 ns, a beam quality of 20 mm-mrad, a maximum pulse energy of 80mJ and a repetition rate of 5 to 100 kHz.
  • the microstructure 2 is introduced.
  • a laser scanner optics eg with a galvanometer scanner
  • an axis movement eg of a robot to which the laser scanner optics is attached
  • a uniform structuring can be generated continuously on a large metal surface.
  • the scanner optics installed on a robot arm moves the metal surface to be processed with the help of a distance control.
  • High area rates are achieved.
  • a structuring with an area rate of greater than 4 to 5 cm 2 / s and a roughening depth in the range of 100 pm to 1000 pm can be achieved.
  • FIGS. 4 to 6 various variants of a joining method of two metal components, in particular a steel 1 and an aluminum component 6, using such a microstructure 2 are shown.
  • a surface section 7 of the steel component 1 is provided with a microstructure 2. Subsequently, the microstructured surface section 7 is arranged in the region of the surface section 8 of the aluminum component 6. An additive in the form of a reactive adhesive material 9 is supplied to the joining region, by means of which the surface sections 7, 8 of the components 1, 6 are connected to one another.
  • a modified variant of the surface portion 8 of the aluminum component is also provided with a microstructure (only indicated in Figure 4) before the two components 1, 6 are connected together.
  • a surface section 7 of the steel component 1 is provided with a microstructure 2 and is subsequently arranged in the region of the surface section 8 of the aluminum component 6. Then, the surface portion 8 of the aluminum member 6 is softened. This is done indirectly via the steel component 1 by means of a laser beam 10.
  • the laser beam 10 is for this purpose on the Aluminum component 6 facing away from the steel component 1. Since the steel component 1 has a substantially higher melting point than the aluminum component 6, the aluminum component 6 can be heated via the steel component 1 to a significant softening, without affecting the steel component 1, in particular the microstructure 2 of the steel component 1.
  • a compression of the components 1, 6 takes place with a laser beam 10 tracked pressure roller 11 on the part of the steel component. 1
  • the laser beam 10 is directed directly onto the surface section 8 to be softened for softening the surface section 8 of the aluminum component 6 via an indentation gap 12 between the two components 1, 6.
  • the Eindringpalt 12 may be formed by a Umformrolle not shown at least one of the two components 1, 6 deformed before softening and / or microstructuring accordingly.
  • a final compression of the components 1, 6 is effected by means of a pressure roller 11 on the part of the aluminum component 6.
  • a pressure roller 11 may additionally be provided on the side of the steel component.
  • FIG. 7 shows a method in which a softening of the surface section 8 of the aluminum component 6 by means of a laser beam 10 is effected, which is directed to the steel component 1 side facing away from the aluminum component 6.
  • the steel component 1 is heated by a further laser beam 10, which is directed, for example, toward the side of the steel component 1 facing away from the aluminum component 6.
  • the individual processing steps can be performed, for example, at different workstations in a production line, but also on a single system of static components.
  • a pressure roller or pressure rollers may be installed on the laser processing head, which serves for softening and / or microstructuring.
  • FIG. 8 shows by way of example a device 13 for carrying out a joining process, which is designed as part of a production line.
  • the apparatus comprises a multi-axis robot 15 with a laser processing optical system 16 for producing a microstructure 2 on a steel frame 17.
  • a device designed as a handling robot 18 for positioning an aluminum sheet 19 is provided.
  • a multi-axis robot 15 with a laser processing optical system 16 is provided at the next station, which serves for softening and / or microstructuring a surface section of the aluminum sheet 19.
  • a pressure roller 1 1 is attached as a pressing device to press the aluminum sheet 19 for final connection to the steel frame 17.
  • a dispensing device (not shown) for an additive may also be installed on the laser processing optics 16.
  • FIG. 9 shows a first example of a composite component 20 made of a steel component 1 and an aluminum component 6 in the region of the joint of the two components 1, 6.
  • the aluminum component 6 facing surface portion 7 of the steel component 1 was provided with a microstructure 2 according to the method described above.
  • the surface portion 8 was heated, but only to a temperature below the melting point of the aluminum component 6.
  • the still soft aluminum has penetrated into the pore structure of the steel component 1.
  • the aluminum partially penetrates into undercuts 5 of the pore structure of the steel surface with the formation of undercuts. This results in a firm connection of the two components 1, 6.
  • FIG. 10 shows a second example of a composite component 20 made of a steel component 1 and an aluminum component 6 in the region of the joint of the two components 1, 6.
  • the surface portions 7, 8 of the steel 1 and the aluminum component 6 were provided with a microstructure 2.
  • the connection is made with the aid of a layer 21 of an additive, in particular a reactive adhesive material 9, which has penetrated into the micropores 3 with the formation of undercuts.
  • This layer 21 also supports an electrical insulation of the two components 1, 6.
  • the composite component 20 shown could, for. B. be prepared by means of the illustrated with reference to FIG 4 joining method.
  • FIGS. 9 and 10 it can be seen that as a result of the softening or microstructuring of the surface section 8 of the aluminum component 6, a positive and / or material-locking connection of the metal components 1, 6 is formed, which is characterized by a particularly high strength.

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Abstract

Ein Fügeverfahren wird beschrieben, bei welchem ein erstes Metallbauteil (1), insbesondere ein Stahlbauteil, mit einem zweiten Metallbauteil (6), insbesondere einem Aluminiumbauteil verbunden wird. Wenigstens ein Oberflächenabschnitt (7) des ersten Metallbauteils (1) wird mittels eines thermischen Bearbeitungsstrahls (10), insbesondere mittels eines Laserstrahls, mit einer Mikrostrukturierung (2) versehen, bevor die beiden Metallbauteile (1, 6) miteinander verbunden werden. Des Weiteren werden eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens sowie ein durch ein solches Fügeverfahren hergestelltes Verbundbauteil beschrieben.

Description

Fügeverfahren zum Verbinden von zwei Metallbauteilen, insbesondere einem
Stahlbauteil mit einem Aluminiumbauteil
Die Erfindung betrifft ein Fügeverfahren zum Verbinden eines ersten Metallbauteils, insbesondere eines Stahlbauteils, mit einem zweiten Metallbauteil, insbesondere einem Aluminiumbauteil, im Speziellen einem Aluminiumblechbauteil.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Fügeverfahrens. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verbundbauteil, welches durch ein solches Verfahren hergestellt ist.
Stand der Technik
Vor allem im Automobilbau gewinnt der Einsatz von Verbundbauteilen aus artungleichen Metallwerkstoffen zunehmend an Bedeutung. Vorteilhaft am Einsatz solcher Verbundbauteile ist z. B. die Möglichkeit, eine Gewichtsreduktion zu erzielen, wobei gleichzeitig die mechanischen Eigenschaften beibehalten oder sogar verbessert werden können. Eine besondere Rolle spielen hierbei Verbundbauteile aus einem Stahl- und einem Aluminiumbauteil. Für den erfolgreichen Einsatz von Verbundbauteilen ist aber insbesondere der Fügeprozess der artungleichen Metallbauteile ein kritischer Punkt.
Neben mechanischen Fügeverfahren sind in den letzten Jahren thermische Fügeverfahren für artungleiche Metallbauteile, wie Stahl- und Aluminiumbauteile, entwickelt worden. Beispielhaft zu nennen sind, das Laserstrahlschweißen mit und ohne Zusatzstoff oder auch kombinierte Verfahren, wie der Laser-MIG- Hybridprozess. Ein Problem bei den herkömmlichen thermischen Fügeverfahren ist die Ausbildung von spröden, intermetallischen Phasen, die durch die Durchmischung von z. B: Aluminium mit Stahl entstehen können. Diese spröden Phasen beeinträchtigen sowohl die statische als auch die dynamische Festigkeit der Verbindung. Des Weiteren besteht bei einigen Aluminiumlegierungen die Gefahr, dass die aus diesen Legierungen bestehenden Aluminiumbauteile durch ein Aufschmelzen ihrer Oberfläche bei einem herkömmlichen Schweißprozess verspröden oder sogar Risse aufweisen.
In einem anderen technischen Gebiet, nämlich dem thermischen Beschichten von einem Bauteil, ist es bekannt, die Oberfläche des Bauteils mittels gepulster Laserstrahlen unter Bildung von mikroskopischen Hinterschnitten aufzurauen, um die Haftung der aufgespritzten Beschichtung zu verbessern. Solche Beschichtungsverfahren werden beispielsweise durch die DE 10 2007 023 418 B4 und die DE 10 2009 051 717 A1 beschrieben. Aufgabe der Erfindung
Ausgehend vom Stand der Technik hat sich die Erfindung zur Aufgabe gesetzt, ein Fügeverfahren zum Verbinden eines ersten Metallbauteils mit einem zweiten Metallbauteil bereitzustellen, welches sich durch eine hohe Festigkeit der Verbindung auszeichnet.
Beschreibung der Erfindung
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Fügeverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1.
Im Falle eines erfindungsgemäßen Fügeverfahrens zum Verbinden eines ersten Metallbauteils mit einem zweiten Metallbauteil wird wenigstens ein Oberflächenabschnitt des ersten Metallbauteils mittels eines thermischen Bearbeitungsstrahls mit einer Mikrostrukturierung versehen. Die Mikro- strukturierung, die mittels eines thermischen Bearbeitungsstrahls eingebracht wird, zeichnet sich im Vergleich zu einer Mikrostrukturierung, die mittels mechanischen Verfahren, wie z. B. Sandstrahlen usw., eingebracht wird, durch eine hohe Rauhigkeit, Diversität und Feinheit der gebildeten Mikrostrukturen aus. Ein weiterer Vorteil der Mikrostrukturierung mittels eines thermischen Bearbeitungsstrahls ist, dass allein durch Variieren der Bearbeitungsparameter flexibel optimale Mikrostrukturen für die jeweilige Fügeaufgabe erstellt werden können.
Aufgrund seiner Bearbeitungspräzision, insbesondere im Mikrobereich, und seiner hohen Wirtschaftlichkeit, ist der Einsatz eines Laserstrahls zur Bildung der Mikrostrukturierung von besonderem Vorteil. Bevorzugt wird ein Laserstrahl eines Festkörperlasers eingesetzt. Es ist aber auch denkbar anderer Lasertypen, wie CO2-Laser einzusetzen.
Hinsichtlich der Mikrostrukturierung wird auf die diesbezüglichen Erläuterungen in den bereits genannten Dokumenten DE 10 2007 023 418 B4 und DE 10 2009 051 717 A1 ausdrücklich Bezug genommen und deren Inhalt durch Referenzierung aufgenommen.
Ein Oberflächenabschnitt eines zweiten Metallbauteils wird im Bereich des Oberflächenabschnitts des ersten Metallbauteils angeordnet und mit dem mikrostrukturierten Oberflächenabschnitt des ersten Metallbauteils verbunden. Die auf diese Weise gebildete Verbindung der beiden Metalloberflächen zeichnet sich durch eine hohe Festigkeit aus.
Besonders vorteilhaft ist die Anwendung des Fügeverfahrens bei Metallbauteilen aus artungleichen Metallen bzw. Metalllegierungen, da für solche Fügepartner spezifische Probleme, wie die bereits erwähnten intermetallischen Phasen usw., vermieden oder zumindest reduziert werden können. Insbesondere ist die Anwendung des Fügeverfahrens beim Verbinden eines Stahlbauteils mit einem Aluminiumbauteil, vorzugsweise einem Aluminiumblech, in der Praxis von hoher Bedeutung.
Generell wird darauf hingewiesen, dass unter einem Metallbauteil kein Bauteil zu verstehen ist, das zwingend vollständig aus Metall oder sogar aus einem einzigen Metall bzw. einer einzigen Metalllegierung besteht. Maßgeblich ist, dass die zu verbindende Oberfläche des Bauteils aus einem Metall bzw. einer Metalllegierung gebildet ist. Insofern ist ein Stahl- oder Aluminiumbauteil auch nicht unbedingt als ein Bauteil zu verstehen, das ausschließlich aus Stahl oder Aluminium gebildet ist. Vielmehr ist die jeweilige zu verbindende Oberfläche aus Stahl bzw. Aluminium gebildet. Im Übrigen stehen die Begriffe Stahl und Aluminium selbstverständlich gleichbedeutend für Stahl- bzw. Aluminiumlegierung.
Durch das Fügeverfahren werden insbesondere zwei Metallbauteile zu einem Halbzeug oder zu einem bereits weitgehend geformten Strukturbauteil miteinander verbunden.
Im Falle einer besonders bevorzugten Variante des Fügeverfahrens wird der Oberflächenabschnitt des zweiten Metallbauteils vor dem Verbinden erweicht. Die Erweichung kann beispielsweise induktiv oder mittels eines thermischen Bearbeitungsstrahls, vorzugsweise mittels eines Laserstrahls erfolgen.
Alternativ oder ergänzend kann der Oberflächenabschnitt des zweiten Metallbauteils vor dem Verbinden auch mikrostrukturiert werden. Die oben genannten Vorteile für eine Mikrostrukturierung mittels eines thermischen Bearbeitungsstrahls, vorzugsweise eines Laserstrahls, gelten entsprechend.
Die Problematik der spröden intermetallischen Phasen wird reduziert, da durch das Fügen des erweichten oder mikrostrukturierten Oberflächenabschnitts des zweiten Metall bauteils mit dem mikrostrukturierten Oberflächenabschnitt des ersten Metallbauteils die beiden Oberflächen bereits in hohem Maß auf Mikrostrukturebene ineinandergreifen. Prozessbedingt müssen beim Aufeinandertreffen der Fügepartner nicht beide erweicht sein. Gegebenenfalls kann sogar keine der zu verbindenden Oberflächen beim Aufeinandertreffen erweicht oder zumindest keine der zu verbindenden Oberflächen aufgeschmolzen sein. Bei einer bevorzugten Variante des Fügeverfahrens bildet sich beim Verbinden der Oberflächenabschnitte aufgrund des Mikrostrukturierens des Oberflächenabschnitts des ersten Metallbauteils und aufgrund des Erweichens und/oder Mikrostrukturierens des Oberflächenabschnitts des zweiten Metallbauteils eine form- und/oder stoffschlüssige Verbindung der Metallbauteile. Damit ist eine feste Verbindung auf Mikrostrukturebene gewährleistet.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel werden beim Mikrostrukturieren des Oberflächenabschnitts des ersten und/oder des zweiten Metallbauteils porenartige Mikrostrukturen eingebracht. Die Mikroporen ermöglichen ein ausgeprägtes Verkrallen der Fügepartner miteinander. Außerdem können sich durch die Mikroporen Kapillarkräfte bilden, die zusätzlich das gegenseitige Durchdringen der Fügepartner fördern.
Beispielsweise weisen die Mikroporen Tiefen im Bereich von 50 μητι bis 2000 pm, insbesondere im Bereich von 100 pm bis 1000 pm, und/oder Durchmesser im Bereich von 25 pm bis 1000 pm, insbesondere im Bereich von 50 pm bis 500 pm, auf.
Die Mikroporen zeichnen sich vorzugsweise dadurch aus, dass sie überwiegend tiefer als breit sind.
Ebenfalls durch eine besonders hohe Festigkeit der Verbindung zeichnet sich eine Variante der Erfindung aus, bei welcher durch das Mikrostrukturieren des Oberflächenabschnitts des ersten und/oder zweiten Metallbauteils zumindest teilweise hinterschnittene Mikrostrukturen, insbesondere porenartig Mikrostrukturen mit Hinterschnitten, eingebracht werden.
Im Falle eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels werden die Oberflächenschnitte des ersten und zweiten Metallbauteils zum Verbinden aufeinander gepresst. Das Eindringen, Verhaken und Verzahnen der Fügepartner wird durch das Verpressen unterstützt. Vorzugsweise kann beim Anpressen zugleich eine (mechanische) Umformung der Metallbauteile erfolgen, um gute Flächenanlage zu gewährleisten. Die Anforderungen an die Maßhaltigkeit der Fügepartner vor dem Fügeprozess werden durch diesen integrierten Umformvorgang reduziert.
Vorzugsweise erfolgt die Verpressung mittels wenigstens einer Anpressvorrichtung, insbesondere einer Andrückpresse oder einer Anpressrolle, die sich durch ein oberflächenschonendes Verpressen auszeichnet, insbesondere bei einer kontinuierlichen Prozessführung.
Bei einer bevorzugten Variante werden der Oberflächenabschnitt des ersten und/oder des zweiten Metallbauteils nach dem Anordnen der Oberflächenabschnitte zueinander mikrostrukturiert bzw. erweicht. So kann beispielsweise der Oberflächenabschnitt des zweiten Metallbauteils im noch nicht- erweichten bzw. nicht-mikrostrukturierten Zustand an den bereits mikrostrukturierten Oberflächenabschnitt des ersten Metallbauteils angeordnet werden und erst anschließend erweicht oder mikrostrukturiert werden.
Alternativ kann der Oberflächenabschnitt des zweiten Metallbauteils im noch nicht- erweichten bzw. nicht-mikrostrukturierten Zustand an den ebenfalls noch nicht- mikrostrukturierten Oberflächenabschnitt des ersten Metallbauteils angeordnet werden. In beiden Fällen ergeben sich durch das vorgeschaltete zueinander Anordnen der Metallbauteile prozesstechnische Vorteile. Ohne Weiteres sind an den bereits zueinander positionierten Bauteilen die später zu verbindenden Bereiche zu identifizieren, so dass diese gezielt bearbeitet werden können. Wenn jedoch die Metallbauteile vor dem gegenseitigen Anordnen mikrostrukturiert und/oder erweicht werden, muss eine besonders präzise Positionierung der Metallbauteile zueinander gewährleistet sein, damit die bearbeiteten Oberflächenabschnitte beim Verbinden aufeinander treffen. Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Bearbeitung der Oberflächenabschnitte zumindest eines der beiden Metallbauteile bei zueinander angeordneten Metallbauteilen ermöglicht, indem das erste und/oder zweite Metallbauteil vor dem Erweichen und/oder dem Mikrostrukturieren derart verformt werden, dass zwischen den Oberflächenabschnitten ein Eindringspalt für einen thermischen Bearbeitungsstrahl gebildet wird, mittels dessen das Erweichen und/oder Mikrostrukturieren durchgeführt wird. Alternativ oder ergänzend kann der Eindringspalt durch eine vorhergehende Formgebung der Metallbauteile gewährleistet sein. Durch die Formgebung bei zueinander angeordneten Metallbauteilen reduzieren sich aber die Anforderungen an die Maßhaltigkeit der Metallbauteile.
Das Eindringen bzw. Verkrallen der Fügepartner wird bei einer bevorzugten Variante besonders befördert, indem der bereits mikrostrukturierte Oberflächen- abschnitt des ersten Metallbauteils zum Verbinden erwärmt wird. Das Material des zweiten Metallbauteils erkaltet nicht oder zumindest langsamer, wenn es in Kontakt mit dem erwärmten Material des ersten Metallbauteils kommt, und kann dadurch besser in die Mikrostrukturierung eindringen. Die Mikrostrukturierung des ersten Metallbauteils wird durch das Erwärmen gegebenenfalls weicher, was dem gegenseitigen Eindringen bzw. Verkrallen weiter förderlich ist. Das Erwärmen ist vor allem bei der Verfahrensvariante von Vorteil, bei welcher der Oberflächenabschnitt des zweiten Metallbauteils erweicht wird.
Vorzugsweise wird der Oberflächenabschnitt des ersten Metallbauteils nur auf Temperaturen unterhalb seines Schmelzpunktes erwärmt, so dass die Mikrostruktur zumindest weitgehend erhalten bleibt. Es kann aber von Vorteil sein, dass er auf eine Temperatur oberhalb des Erweichungs- oder sogar des Schmelzpunktes des zu verbindenden Oberflächenabschnitts des zweiten Metallbauteils erwärmt wird.
Die Erwärmung kann beispielsweise induktiv oder mittels eines thermischen Bearbeitungsstrahls bewirkt werden. Gegebenenfalls erfolgt sie vorteilhafterweise sogar mittels desselben thermischen Bearbeitungsstrahls, mit welchem der Oberflächenabschnitt des zweiten Metallbauteils erweicht und/oder mikrostrukturiert wird. Die Erwärmung kann bei einer bevorzugten Variante zeitgleich mit dem Erweichen bzw. Mikrostrukturieren des zweiten Metallbauteils erfolgen.
Vorzugsweise erfolgt das Fügen der Metallbauteile wenigstens teilweise in einem kontinuierlichen Verfahren. So wird wenigstens einer der Bearbeitungsschritte „Mikrostrukturieren des Oberflächenabschnitts des ersten Metallbauteils", „Erweichen und/oder Mikrostrukturieren des Oberflächenabschnitts des zweiten Metallbauteils" und/oder„Verbinden der Oberflächenabschnitte" nicht in einem Schritt in einem größeren Verbindungsbereich durchgeführt, sondern kontinuierlich über eine gewisse Zeit hin. Beispielsweise wird zunächst die Mikrostrukturierung in einem kontinuierlichen Prozess an dem Oberflächenabschnitt des ersten Metallbauteils durchgeführt. Dann werden die beiden Metallbauteile zueinander positioniert. Nun erfolgt ein Erweichen und/oder Mikrostrukturieren des Oberflächenabschnitts und zeitlich überlappend das Verbinden der Oberflächenabschnitte ebenfalls in einem kontinuierlichen Prozess.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Oberflächenabschnitt des zweiten Metallbauteils erweicht, wobei der Oberflächenabschnitt im erweichten Zustand auf den mikrostrukturierten Oberflächenabschnitt des ersten Metallbauteils gepresst wird, wobei vorzugsweise der Oberflächenabschnitt des zweiten Metallbauteils zum Erweichen auf unterhalb seiner Schmelztemperatur erwärmt wird. Diese Verfahrensvariante ist insbesondere bei Aluminiumlegierungen von Vorteil, die beim Erhitzen oberhalb der Schmelztemperatur dazu neigen, brüchig zu werden. Auch wird der Ausbildung von unerwünschten intermetallischen Phasen entgegengewirkt.
Alternativ kann aber auch ein Erwärmen auf Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur erfolgen, so dass ein Erweichen in Form eines Aufschmelzens erfolgt.
Vorzugsweise kann der mikrostrukturierte Oberflächenabschnitt des ersten Metallbauteils mit dem erweichten und/oder mikrostrukturierten Oberflächenabschnitt des zweiten Metallbauteils auch mit Hilfe eines Zusatzstoffes verbunden werden. Beispielsweise kann ein thermoplastisches oder reaktives Klebermaterial, Pulver oder Draht als Zusatzstoff verwendet werden. Gegebenenfalls kann das reaktive Klebermaterial, zumindest punktuell, mittels des thermischen Bearbeitungsstrahls (Laserstrahl) aktiviert werden. Der Zusatzstoff kann insbesondere den Vorteil haben, dass er zu einer gewünschten elektrischen Isolierung der Fügepartner führt bzw. beiträgt. Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Durchführen eines vorstehend und nachfolgend beschriebenen Fügeverfahrens. Die Vorrichtung umfasst wenigstens eine Vorrichtung zum Mikrostrukturieren wenigstens eines Oberflächenabschnitts eines ersten Metall bauteils, insbesondere eine Laserbearbeitungsvorrichtung, eine Vorrichtung zum Erweichen und/oder Mikrostrukturieren wenigstens eines Oberflächenabschnitts eines zweiten Metallbauteils, insbesondere eine Laserbearbeitungsvorrichtung und eine Bauteilhalterung und/oder -handhabung, um den Oberflächenabschnitt des ersten Metallbauteils im Bereich des Oberflächenabschnitts des zweiten Metallbauteils festzulegen bzw. anzuordnen.
Optional ist eine Anpressvorrichtung, um die Oberflächenabschnitte aufeinander zupressen, vorgesehen. Gegebenenfalls kann auch eine Abgabevorrichtung für einen Zusatzstoff vorgesehen sein. Vorteilhafterweise kann z. B. beim Einsatz von Laserbearbeitungsvorrichtungen ein- und dieselbe Laserbearbeitungsvorrichtung zum Mikrostrukturieren bzw. zum Erweichen der beiden Oberflächenabschnitte dienen.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verbundbauteil aus wenigstens zwei Metallbauteilen, das nach einem vorstehend und nachfolgend beschriebenen Fügeverfahren hergestellt ist. Beispielsweise kann es sich bei dem Verbundbauteil um einen Kraftfahrzeugstahlrahmen handeln, der mit einem Karosserieblech aus Aluminium gemäß dem erfindungsgemäßen Fügeverfahren verbunden ist. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:
Fig. 1 eine Rasterelektronenaufnahme einer Mikrostrukturierung eines Metallbauteils, im Speziellen eines Stahlbauteils, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, eine Rasterelektronenaufnahme einer Mikrostrukturierung eines Metallbauteils, im Speziellen eines Stahlbauteils, gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, eine Rasterelektronenaufnahme einer Mikrostrukturierung eines Metallbauteils, im Speziellen eines Stahlbauteils, gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, schematische Darstellungen von verschiedenen Varianten eines Fügeverfahrens von zwei Metallbauteilen, eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Durchführen eines Fügeverfahrens von zwei Metallbauteilen am Beispiel einer Fertigungslinie, eine schematische Darstellung eines ersten Beispiels für ein Verbundbauteil aus zwei Metallbauteilen im Bereich der Fügestelle und eine schematische Darstellung eines zweiten Beispiels für ein Verbundbauteil aus zwei Metallbauteilen im Bereich der Fügestelle.
Generell wird an zumindest einem Metallbauteil eine Mikrostrukturierung mittels eines thermischen Bearbeitungsstrahls eingebracht, bevor das Metallbauteil mit einem anderen Metallbauteil verbunden wird. Im Folgenden wird die erzielte Mikrostruktur sowie das Verfahren des Mikrostrukturierens anhand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert. Die Figuren 1 bis 3 zeigen Rasterelektronenaufnahmen der Oberfläche eines Metallbauteils 1 in Form eines Stahlbauteils 1 mit einer solchen Mikrostrukturierung 2 gemäß verschiedenen Beispielen. In den Figuren 1 und 2 sind Schnittdarstellungen der Metalloberfläche gezeigt. In der Figur 3 ist eine Ansicht auf die mikrostrukturierte Metalloberfläche (linke Seite) sowie ein Detailausschnitt dieser Ansicht (rechte Seite) abgebildet.
Sämtlichen Figuren 1 bis 3 ist zu entnehmen, dass die Mikrostrukturierung 2 sich durch eine unregelmäßige porenartige Mikrostruktur auszeichnet. Sie weist Mikroporen 3 mit verschiedenen Formen auf, die jeweils zerklüftete Porenwände 4 besitzen. Es ist eine Vielzahl an Hinterschnitten 5 zu erkennen. Die Mikroporen 3 weisen Tiefen und Durchmesser in einer Größenordnung von mehreren hundert Mikrometern auf. Es ist gut zu erkennen, dass die Mikrostrukturierung 2 eine poröse Struktur im Submilimeterbereich darstellt. Sie zeichnet sich durch eine hohe Rauhigkeit, Diversität und Feinheit aus.
Die gezeigten Mikrostrukturierungen 2 sind mittels eines thermischen Bearbeitungsstrahls in Form eines Laserstrahls in die Metalloberfläche eingebracht worden. Die Mikroporen 3 ergeben sich durch Krater, die beim Auftreffen des Laserstrahls auf die Oberfläche entstehen.
Bevorzugt wird ein Laserstrahl eines Festkörperlasers verwendet. Im Speziellen wird ein diodengepumpter Scheibenlaser eingesetzt. Als Beispiel ist ein Kurzpulslaser der TruMicro Serie 7000 der Fa. Trumpf Laser GmbH zu nennen. Er weist eine mittlere Leistung von bis zu 750 Watt auf. Die Wellenlänge beträgt 1030 qm mit einer Pulslänge von 30 ns, einer Strahlqualität von 20 mm-mrad, einer maximalen Pulsenergie von 80mJ und mit einer Repetitionsrate von 5 bis 100 kHz.
Mittels der Kurzpulslaserstrahlung, angepasster Optikbrennweite und Strahlformung wird die Mikrostrukturierung 2 eingebracht. Bei Versuchen wurde ein TruMicro 7050 mit LLK-D 04 (400 pm Kerndurchmesser), InteliSCAN 30 (Strahlablenkungseinheit der Firma Scanlab mit 30 mm freier Apertur) und 80 mm f-theta Linse (sill) verwendet. Durch die Überlagerung einer kontinuierlichen Scannerbewegung einer Laserscanneroptik (z. B. mit Galvanometerscanner) mit einer Achsbewegung (z.B. eines Roboters, an dem die Laserscanneroptik befestigt ist) kann eine gleichmäßige Strukturierung kontinuierlich auf einer großen Metalloberfläche erzeugt werden. Die an einem Roboterarm installierte Scanneroptik fährt mit Hilfe einer Abstandsregelung die zu bearbeitende Metalloberfläche ab. Es werden hohe Flächenraten erreicht. So ist eine Strukturierung mit einer Flächenrate von größer 4 bis 5 cm2/s und einer Aufrauhungstiefe im Bereich von von 100 pm bis 1000 pm zu erzielen.
Beispielhaft werden anhand der Figuren 4 bis 6 verschiedene Varianten eines Fügeverfahrens von zwei Metallbauteilen, insbesondere eines Stahl- 1 und eines Aluminiumbauteils 6, unter Einsatz einer solchen Mikrostrukturierung 2 gezeigt.
Gemäß Figur 4 wird ein Oberflächenabschnitt 7 des Stahlbauteils 1 mit einer Mikrostrukturierung 2 versehen. Anschließend wird der mikro strukturierte Oberflächenabschnitt 7 im Bereich des Oberflächenabschnitts 8 des Aluminiumbauteils 6 angeordnet. Ein Zusatzstoff in Form eines reaktiven Klebermaterials 9 wird dem Fügebereich zugeführt, mittels dessen die Oberflächenabschnitte 7, 8 der Bauteile 1 , 6 miteinander verbunden werden. Bei einer abgewandelten Variante wird der Oberflächenabschnitt 8 des Aluminiumbauteils ebenfalls mit einer Mikrostrukturierung (in Figur 4 nur angedeutet) versehen, bevor die beiden Bauteile 1 , 6 miteinander verbunden werden.
Im Falle des Fügeverfahrens, das in Figur 5 angedeutet ist, wird auch zunächst ein Oberflächenabschnitt 7 des Stahlbauteils 1 mit einer Mikrostrukturierung 2 versehen und wird anschließend im Bereich des Oberflächenabschnitts 8 des Aluminiumbauteils 6 angeordnet. Dann wird der Oberflächenabschnitt 8 des Aluminiumbauteils 6 erweicht. Dies erfolgt indirekt über das Stahlbauteil 1 mittels eines Laserstrahls 10. Der Laserstrahl 10 wird hierzu auf der dem Aluminiumbauteil 6 abgewandten Seite auf das Stahlbauteil 1 gerichtet. Da das Stahlbauteil 1 einen wesentlichen höheren Schmelzpunkt als das Aluminiumbauteil 6 aufweist, kann das Aluminiumbauteil 6 über das Stahlbauteil 1 bis zu einer signifikanten Erweichung erwärmt werden, ohne dass das Stahlbauteil 1 , insbesondere die Mikrostrukturierung 2 des Stahlbauteils 1 , beeinträchtigt wird. Eine Verpressung der Bauteile 1 , 6 erfolgt mit einer dem Laserstrahl 10 nachgeführten Anpressrolle 11 seitens des Stahlbauteils 1 .
Bei dem Verfahren gemäß Figur 6 wird im Unterschied zu dem Verfahren gemäß der Figur 5 der Laserstrahl 10 zum Erweichen des Oberflächenabschnitts 8 des Aluminiumbauteils 6 über einen Eindringspalt 12 zwischen den beiden Bauteilen 1 , 6 direkt auf den zu erweichenden Oberflächenabschnitt 8 gerichtet. Eventuell kann der Eindringspalt 12 gebildet werden, indem eine nicht gezeigte Umformrolle zumindest eines der beiden Bauteile 1 , 6 vor dem Erweichen und/oder dem Mikrostrukturieren entsprechend verformt.
Gleichzeitig mit der Erwärmung der Aluminiumoberfläche kann auch die gegenüberliegende Stahloberfläche erwärmt werden. Dies kann vorzugsweise durch an der Aluminiumoberfläche gestreute oder reflektierte Strahlung erfolgen. Durch eine geeignete Parameterwahl kann somit eine schonende und energiesparende Erwärmung der Stahloberfläche erzielt werden, welche den nachfolgenden Fügeprozess unterstützt.
Bei dem Beispiel gemäß Figur 6 wird eine abschließende Verpressung der Bauteile 1 , 6 mittels einer Anpressrolle 11 seitens des Aluminiumbauteils 6 bewirkt. Im Rahmen der Verpressung ergibt sich zudem eine Umformung des Aluminiumbauteils 6, so dass sich der Eindringspalt 12 (wieder) schließt, und das Aluminiumbauteil 6 im Fügebereich flächig am Stahlbauteil 1 anliegt. Optional kann zusätzlich eine Anpressrolle 11 auf Seiten des Stahlbauteils vorgesehen sein.
Schließlich ist in Figur 7 ein Verfahren gezeigt, bei welchem ein Erweichen des Oberflächenabschnitts 8 des Aluminiumbauteils 6 mittels eines Laserstrahls 10 bewirkt wird, welcher auf die dem Stahlbauteil 1 abgewandten Seite des Aluminiumbauteils 6 gerichtet ist. Gleichzeitig erfolgt eine Erwärmung des Stahlbauteils 1 durch einen weiteren Laserstrahl 10, der beispielsweise auf die dem Aluminiumbauteil 6 abgewandte Seite des Stahlbauteils 1 gerichtet ist. Abschließend erfolgt eine Verpressung der Bauteile 1 , 6, wie anhand des Beispiels gemäß Figur 5 beschrieben, mittels einer nachgeführten Anpressrolle 1 1.
Hinsichtlich der vorrichtungsgemäßen Realisierung der beschriebenen Fügeverfahren ergibt sich eine Vielzahl unterschiedlicher Möglichkeiten. Die einzelnen Bearbeitungsschritte können beispielsweise an verschiedenen Arbeitsstationen in einer Fertigungslinie, aber auch an einer einzigen Anlage an ruhenden Bauteilen durchgeführt werden. Beispielsweise kann eine Anpressrolle bzw. können Anpressrollen an dem Laserbearbeitungskopf installiert sein, der zum Erweichen und/oder Mikrostrukturieren dient.
In Figur 8 ist beispielhaft eine Vorrichtung 13 zum Durchführen eines Fügeverfahrens dargestellt, welche als Teil einer Fertigungslinie ausgebildet ist. Im Speziellen handelt es sich um eine Fertigungslinie für ein Karosseriebauteil 14 eines Kraftfahrzeugs. Die Vorrichtung umfasst einen Mehrachsroboter 15 mit einer Laserbearbeitungsoptik 16 zum Erzeugen einer Mikrostrukturierung 2 an einem Stahlrahmen 17. Des Weiteren ist eine als ein Handhabungsroboter 18 ausgebildete Vorrichtung zum Positionieren eines Aluminiumblechs 19 vorgesehen. An der nächsten Station ist wiederum ein Mehrachsroboter 15 mit einer Laserbearbeitungsoptik 16 vorgesehen, die zum Erweichen und/oder Mikrostrukturieren eines Oberflächenabschnitts des Aluminiumblechs 19 dient. An der Laserbearbeitungsoptik 16 ist als Anpressvorrichtung eine Anpressrolle 1 1 befestigt, um das Aluminiumblech 19 zum finalen Verbinden auf den Stahlrahmen 17 zu pressen. Gegebenenfalls kann an der Laserbearbeitungsoptik 16 auch eine nicht gezeigte Abgabevorrichtung für einen Zusatzstoff installiert sein.
Fig. 9 zeigt ein erstes Beispiel eines Verbundbauteils 20 aus einem Stahlbauteil 1 und einem Aluminiumbauteil 6 im Bereich der Fügestelle der beiden Bauteile 1 , 6. Der dem Aluminiumbauteil 6 zugewandte Oberflächenabschnitt 7 des Stahlbauteils 1 wurde mit einer Mikrostrukturierung 2 nach dem oben beschriebenen Verfahren versehen. Vor dem Verbinden der Bauteile 1 , 6 wurde der dem Stahlbauteil 1 zugewandte Oberflächenabschnitt 8 des Aluminiumbauteils 6 mittels eines Laserstrahls 10 erweicht. Hierzu wurde der Oberflächenabschnitt 8 erwärmt, aber nur auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Aluminiumbauteils 6. Beim anschließenden Zusammenpressen der Bauteile 1 , 6 ist das noch weiche Aluminium in die Porenstruktur des Stahlbauteils 1 eingedrungen. Insbesondere dringt das Aluminium unter Ausbildung von Hintergriffen teilweise in Hinterschnitte 5 der Porenstruktur der Stahloberfläche ein. Es ergibt sich eine feste Verbindung der beiden Bauteile 1 , 6. Das gezeigte Verbundbauteil 20 könnte z. B. mittels der anhand der Figuren 5 bis 7 beschriebenen Fügeverfahren hergestellt sein. Fig. 10 ist ein zweites Beispiel eines Verbundbauteils 20 aus einem Stahlbauteil 1 und einem Aluminiumbauteil 6 im Bereich der Fügestelle der beiden Bauteile 1 , 6 zu entnehmen. In diesem Fall wurden die Oberflächenabschnitte 7, 8 des Stahl- 1 und des Aluminiumbauteils 6 mit einer Mikrostrukturierung 2 versehen. Die Verbindung erfolgt mit Hilfe einer Schicht 21 eines Zusatzstoffs, insbesondere eines reaktiven Klebermaterials 9, das unter Ausbildung von Hintergriffen in die Mikroporen 3 eingedrungen ist. Diese Schicht 21 unterstützt auch eine elektrische Isolierung der beiden Bauteile 1 , 6. Das gezeigte Verbundbauteil 20 könnte z. B. mittels des anhand Figur 4 erläuterten Fügeverfahrens hergestellt sein. Anhand der Figuren 9 und 10 ist ersichtlich, dass durch das Erweichen oder Mikrostrukturieren des Oberflächenabschnitts 8 des Aluminiumbauteils 6 eine form- und/oder stoffschlüssige Verbindung der Metallbauteile 1 , 6 gebildet wird, die sich durch eine besonders hohe Festigkeit auszeichnet.

Claims

Patentansprüche
Fügeverfahren zum Verbinden eines ersten Metallbauteils (1 ), insbesondere eines Stahlbauteils, mit einem zweiten Metallbauteil (6), insbesondere einem Aluminiumbauteil, im Speziellen einem Aluminiumblechbauteil, wobei wenigstens ein Oberflächenabschnitt (7) des ersten Metallbauteils (1 ) mittels eines thermischen Bearbeitungsstrahls (10), insbesondere mittels eines Laserstrahls, mit einer Mikrostrukturierung (2) versehen wird, wobei das zweite Metallbauteil (6) im Bereich des Oberflächenabschnitts (7) des ersten Metallbauteils (1 ) angeordnet wird, und wobei der mikrostrukturierte Oberflächenabschnitt (7) des ersten Metallbauteils (1) mit einem Oberflächenabschnitt (8) des zweiten Metallbauteils (6) verbunden wird.
Fügeverfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der
Oberflächenabschnitt (8) des zweiten Metallbauteils (6) vor dem Verbinden erweicht und/oder mikrostrukturiert wird, insbesondere mittels eines thermischen Bearbeitungsstrahls (10), vorzugsweise mittels eines Laserstrahls.
Fügeverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich beim Verbinden der Oberflächenabschnitte (7, 8) aufgrund des Mikrostrukturierens des Oberflächenabschnitts (7) des ersten Metallbauteils (1 ) und aufgrund eines Erweichens und/oder Mikrostrukturierens des Oberflächenabschnitts (8) des zweiten Metallbauteils (6) eine form- und/oder stoffschlüssige Verbindung der Metallbauteile (1 , 6) bildet.
Fügeverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bei dem Mikrostrukturieren des Oberflächenabschnitts (7, 8) des ersten und/oder zweiten Metallbauteils (1 , 6) porenartige Mikrostrukturen (3) eingebracht werden, vorzugsweise mit Tiefen im Bereich von 50 μιη bis 2000 μιη und/oder Durchmessern im Bereich von 25 pm bis 1000 Mm.
5. Fügeverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Mikrostrukturieren des Oberflächenabschnitts (7, 8) des ersten und/oder zweiten Metallbauteils (1 , 6) zumindest teilweise hinterschnittene Mikrostrukturen (3) eingebracht werden.
6. Fügeverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenabschnitte (7, 8) des ersten und zweiten Metallbauteils (1 , 6) zum Verbinden aufeinander gepresst werden, insbesondere mittels wenigstens einer Anpressvorrichtung (11 ).
7. Fügeverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenabschnitt (7, 8) des ersten und/oder des zweiten Metallbauteils (1 , 6) nach dem Anordnen des zweiten Metallbauteils (6) im Bereich des Oberflächenabschnitts (7) des ersten Metallbauteils (1 ) mikrostrukturiert und/oder erweicht werden. 8. Fügeverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bereits mikrostrukturierte Oberflächenabschnitt (7) des ersten Metallbauteils (1 ) zum Verbinden der Oberflächenabschnitte (7, 8), vorzugsweise beim Erweichen bzw. Mikrostrukturieren des zweiten Metallbauteils (6), erwärmt wird, insbesondere induktiv oder mittels eines thermischen Bearbeitungsstrahls (10) erwärmt wird, vorzugsweise mittels desselben thermischen Bearbeitungsstrahls (10) erwärmt wird, mit welchem der Oberflächenabschnitt (8) des zweiten Metallbauteils (6) erweicht und/oder mikrostrukturiert wird. 9. Fügeverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Metallbauteil (1 , 6) vor dem Erweichen und/oder dem Mikrostrukturieren des Oberflächenabschnitts (8) des zweiten Metallbauteils (6) derart verformt werden, dass zwischen den Oberflächenabschnitten (7, 8) ein Eindringspalt (12) für einen thermischen Bearbeitungsstrahl (10) gebildet wird, mittels dessen das Erweichen und/oder Mikrostrukturieren durchgeführt wird. 10. Fügeverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Prozessschritte „Mikrostrukturieren des Oberflächenabschnitts (7) des ersten Metallbauteils (1)", „Erweichen und/oder Mikrostrukturieren des Oberflächenabschnitts (8) des zweiten Metallbauteils (6)" und„Verbinden der Oberflächenabschnitte (7, 8)" in einem kontinuierlichen Prozess über einen Verbindungsbereich hinweg erfolgt.
11. Fügeverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenabschnitt (8) des zweiten Metallbauteils (6) erweicht wird, wobei der Oberflächenabschnitt (8) im erweichten Zustand auf den mikrostrukturierten Oberflächenabschnitt (7) des ersten Metallbauteils (1) gepresst wird, wobei vorzugsweise der Oberflächenabschnitt (8) des zweiten Metallbauteils (6) zum Erweichen auf eine Temperatur unterhalb seiner Schmelztemperatur erwärmt wird.
12. Fügeverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mikrostrukturierte Oberflächenabschnitt (7) des ersten Metallbauteils (1 ) mit dem erweichten und/oder mikrostrukturierten Oberflächenabschnitt (8) des zweiten Metallbauteils (6) mit Hilfe eines Zusatzstoffes (9), insbesondere von Draht, Pulver oder eines thermoplastischen oder reaktiven Klebermaterials, verbunden wird.
13. Vorrichtung (13) zum Durchführen eines Fügeverfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend:
- eine Vorrichtung (15) zum Mikrostrukturieren wenigstens eines
Oberflächenabschnitts (7) eines ersten Metallbauteils (1 ), insbesondere eine Laserbearbeitungsvorrichtung,
- eine Vorrichtung (15) zum Erweichen und/oder Mikrostrukturieren wenigstens eines Oberflächenabschnitts (8) eines zweiten Metallbauteils (6), insbesondere eine Laserbearbeitungsvorrichtung,
- eine Bauteilhalterung und/oder -handhabung (18), um die Oberflächenabschnitte (7, 8) des ersten und zweiten Metallbauteils (1 , 6) zueinander festzulegen und/oder anzuordnen,
- optional eine Anpressvorrichtung (11) um die Oberflächenabschnitte (7, 8) aufeinander zupressen,
- optional eine Abgabevorrichtung für Zusatzstoff.
14. Verbundbauteil (14, 20) aus wenigstens zwei Metallbauteilen (1 , 6, 17, 19) hergestellt nach einem Fügeverfahren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12.
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