DE10100769B4

DE10100769B4 - Verfahren zur Herstellung einer glatten lackierbaren Oberfläche nach dem Verbinden von Aluminium-Teilen

Info

Publication number: DE10100769B4
Application number: DE10100769A
Authority: DE
Inventors: Kimberly Ann Ann Arbor Lazarz; Matthew John Canton Zaluzec
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Jaguar Land Rover Ltd; Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2000-02-02
Filing date: 2001-01-10
Publication date: 2005-07-21
Anticipated expiration: 2021-01-11
Also published as: GB2358819A; GB0102134D0; US6227435B1; GB2358819B; DE10100769A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer glatten lackierbaren Oberfläche von Aluminium-Teil-Verbindungsstellen, mit den Schritten:
Schweissen zweier Aluminiumteile unter Herstellung einer Schweissraupe an der Verbindungsstelle;
thermisches Spritzen von Aluminium-Spritzfüllmaterial mit einem Si-Anteil bis 20% auf den Schweissraupenbereich unter Herstellung einer Oberfläche niedriger Porosität; und
Schleifen des Schweissraupenbereichs mit Aluminium-Spritzfüllmaterial unter Herstelllung einer glatten lackierbaren Oberfläche an der Verbindungsstelle.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung einer glatten lackierbaren Oberfläche von Aluminium-Teil-Verbindungsstellen.
Die Notwendigkeit, das Fahrzeuggewicht zu reduzieren, um eine bessere Brennstoffeinsparung zu erreichen, hat zu einer vermehrten Verwendung von Aluminium in den strukturellen und Außen-Komponenten von Fahrzeugen geführt. Demzufolge müssen neue Verfahren entwickelt werden, welche die unterschiedlichen Materialeigenschaften von Aluminium berücksichtigen und es erlauben, daß Aluminiumteile Stahl in verschiedenen Anwendungen ersetzt.

Wenn zum Beispiel zwei Metallteile auf der Außenseite des Fahrzeugs verbunden werden, muß die Verbindungsstelle so getarnt sein, daß es nicht auffällt, daß sich dort mehr als ein Metallteil befindet. Die sogenannten nahtlos verbundenen Aluminiumkarosserie-Verkleidungen werden zur Zeit durch Schweißen und anschließendes Schleifen der Verbindungsstelle hergestellt. Eine A-Klasse Endbearbeitung einer glatten lackierbare Oberfläche kann durch Herunterschleifen der Schweißraupe erzeugt werden. Dies bewirkt eine signifikante Schwächung des Basismaterials. Messungen haben eine Schwächung von mehr als 50 % des Materials gezeigt, was ernste Folgen hinsichtlich der Unversehrtheit der Verkleidung hat. Die Material-Unversehrtheit muß nach dem Schleifen erhalten bleiben, sonst können nach der Behandlung der Verkleidung im Farbofen Verformungen an der Verbindungsstelle auftreten.

Ein Weg, das potentielle Schwächen/Verformen der Verbindungsstelle zu vermeiden, ist, zusätzliches Material in Form von Spritz-Füllmaterial, das eine lackierbare A-Klasse Endbearbeitungsgüte erzeugt, zuzufügen. Der Begriff thermisches Spritzverfahren beschreibt eine Gruppe allgemein bekannter Verfahren zum Abscheiden metallischer, nichtmetallischer und gemischt-metallisch/nichtmetallischer Beschichtungen. Diese Verfahren erfordern alle eine Wärmequelle, eine Fördervorrichtung und Versorgungsmaterial. Die Verfahren beinhalten Flammspritzen (einschließlich Verbrennungsflammspritzen) und thermisches Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff- Brennstoffspritzen (high-velocity oxy-fuel, HVOF), Plasmaspritzen (einschließlich Pulverplasmaspritzen und Draht-Lichtbogen-Abscheidung durch Plasmatransfer), elektrisches Lichtbogen-Spritzen (einschließlich Doppeldraht-Lichtbogen-Spritzen) und Explosions-Spritzen.

Eine Flammspritz-Vorrichtung scheidet typischerweise Metalle oder Keramik auf einem Substrat ab. Die Flammspritz-Vorrichtung umfaßt eine Brennkammer, die eine Mischung aus Brennstoff und Oxidationsmittel als Gas unter Druck erhält und eine Verbrennungsreaktion in einem Strom hohen Drucks und hoher Temperatur erzeugt. Die Flammspritz-Vorrichtung leitet den Verbrennungsstrom von der Brennkammer zu einer Dosierdüse. Das Spritzmaterial gelangt in den Hochgeschwindigkeitsverbrennungsstrom, der das Spritzmaterial zumindest teilweise schmilzt. Der Verbrennungsstrom atomisiert das teilweise (oder vollständig) geschmolzene Spritzmaterial und leitet es auf die Substratoberfläche.

Eine Plasmaspritzvorrichtung erzeugt und emittiert Gasplasma hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur, das ein Pulver oder Partikel zur Oberfläche des Substrats fördert. Die Plasmaspritz-Vorrichtung bildet das Gasplasma, indem Gas durch einen elektrischen Lichtbogen in der Spritzdüse geleitet wird, wodurch das Gas zu einem Plasmastrom ionisiert wird. Das Spritzmaterial, das – sofern gewünscht – vorgeheizt werden kann, wird in den Plasmastrom eingeführt und auf die Oberfläche des Substrats gerichtet.

Eine Lichtbogen-Spritz-Vorrichtung erzeugt eine elektrischen Lichtbogenzone zwischen zwei verzehrbaren Drahtelektroden. Wenn die Elektroden schmelzen, führt die Lichtbogen-Spritz-Vorrichtung die Elektrodendrähte in die Lichtbogenzone nach. Komprimiertes Gas wird in die Lichtbogenzone geleitet, wo es das geschmolzene oberflächenbildende Material atomisiert und auf die Oberfläche des Substrats fördert.

Das Lichtbogen-Spritzverfahren wird zur Zeit in der Industrie benutzt, um zusätzliches Material für große Stahlverbindungsstellen zur Verfügung zu stellen. Siliciumbronze wird erhitzt, auf der aufgerauhten Oberfläche der Schweißkomponente abgeschieden und dann zu einer glatten Endbearbeitungsgüte geschliffen.

Um die Erzielung einer A-Klasse Endbearbeitungsgüte zu unterstützen, sind diese thermischen Spritztechniken bisher nicht bei Aluminiumkarosserieverkleidungs-Verbindungsstellen verwendet worden.

Es mußten neue Verbindungsmethoden entwickelt werden, die eine Verwendung von Aluminium bei den schwierigen Verbindungsstellen-Designs, wie sie vom Fahrzeugstyling gefordert werden, ermöglichen.

Aus der DE 196 39 523 C1 ist das Auffüllen von Vertiefungen, wie Dellen oder Beulen in Aluminiumblechen bekannt, um das Blech für die Lackierung vorzubereiten. Dazu wird Füllmaterial in die Vertiefung des Blechs durch Lichtbogenspritzen aufgebracht, wobei überschüssiges Material durch Schleifen auf einheitliche Höhe mit dem Blech, dessen Vertiefung es auffüllt, gebracht wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Erzeugen einer A-Klasse Oberfläche beim Zusammenschweißen von Aluminiumteilen zu schaffen, das die Herstellung einer glatten lackierbaren Oberfläche ohne signifikante Schwächung des Basisaluminiums erlaubt.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zwei Aluminiumteile werden an einer Verbindungsstelle verschweißt, wobei eine Schweißraupe an der Verbindungsstelle gebildet wird. Aluminium-Spritz-Füllmaterial wird durch thermisches Spritzen auf einen Bereich um die Schweißraupe aufgebracht. Der Bereich um die Schweißraupe und das Aluminium-Spritz-Füllmaterial ist dann der Untergrund für eine glatte lackierbare Oberfläche an der Verbindungsstelle. Der Bereich um die Schweißraupe wird bevorzugt vor dem thermischen Spritzen aufgerauht. Das Aufrauhen erfolgt bevorzugt durch Kugelstrahlen, Grob-Schleifen oder Abscheiden eines Flußmittels, das eine chemisch gebundene Beschichtung erzeugt.

Das Aluminium-Spritz-Füllmaterial kann jede Aluminiumlegierung der 11xx oder 4xxx Serie sein und ist bevorzugt eine 1100, 4047 oder 4043 Aluminiumlegierung.

Zusätzlich kann Draht mit einer Siliciumseele eines Siliciumgehalts bis zu 20% verwendet werden. Ein bevorzugter Draht mit einer Seele enthält etwa 20% Silicium.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen sowie der begleitenden Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Erzielung einer A-Klasse Oberflächenendbearbeitungsgüte für eine Aluminium-Schweißverbindungsstelle; und
2 ein Diagramm des thermischen Spritzverfahrens mit einem elektrischen Lichtbogenverfahren.
Wie in 1 gezeigt, umfaßt ein typisches Verfahren zur Herstellung einer A-Klasse Endbearbeitungsgüte drei Basisschritte: Verbinden 10, Endbearbeitung 20 und Lackieren 30. Im Verbindungsschritt 10 werden die Aluminiumteile ausgestanzt 12. Dann werden sie zusammengeschweißt 14, beispielsweise durch Metall-Inertgasschweißen oder Plasmaschweißen. Nach dem Schweißen 14 kann die Schweißoberfläche ggf. aufgerauht werden 16, bevorzugt unter Verwendung von Verfahren wie Kugelstrahlen, Grob-Schleifen oder Abscheiden.
Die Endbearbeitungs-Schritte 20 werden nach dem Aufrauhen 16 ausgeführt. Ein Aluminium-Spritzfüllmaterial wird durch thermisches Spritzen 22 aufgebracht. Die Verbindungsstelle wird dann Gegenstand von Grob-Schleifen 24, Zwischen-Schleifen 26 und Endschleifen 28. Das Endschleifen 28 kann ein oder mehrere Endschleifschritte beinhalten. Das hier eingesetzte Endschleifen umfaßt Schleifen.
Danach findet der Lackierschritt 30 statt. Zuerst wird eine E-Schicht 32 aufgebracht. Als nächstes wird Dichtmittel, zum Beispiel eine Glasur 34 (DFL 17 Red Cap Spot Putty der PPG Industries Inc., 3800 W. 143^rd St., Cleveland, OH 44111) aufgebracht, um alle Farbfehler, die durch das thermische Spritzen verursacht worden sind, abzudecken. Die rote Glasur wird nach dem Trocknen geschliffen. Dann wird ein Primer 36 und eine Farbschicht 38 aufgetragen, gefolgt von einer Beschichtung 40 mit Klarlack.
Durch thermisches Spritzen 22 wird Aluminium-Spritzfüllmaterial auf dem Bereich um die Verbindungsstelle abgeschieden. Während der Endbearbeitung, beim Schleifen der Verbindungsstelle, wird anstelle des Karosseriealuminiums Spritz-Füllmaterial entfernt. Das thermische Spritzen erhält durch Bereitstellen dieses zusätzlichen Materials, das bei der Endbearbeitung entfernt werden kann, die strukturelle Unversehrtheit des Basisaluminiums.
2 zeigt thermisches Spritzen nach dem elektrischen Lichtbogenverfahren. Der elektrische Lichtbogen schmilzt das Aluminiummaterial. Ein Lichtbogen 113 kann zwischen zwei zugeführten Drähten 114 und 115 gezündet werden (d.h. Vollmaterialdraht, oder Draht mit einer Seele), die als Schweißelektroden dienen. Der Lichtbogen schmilzt kontinuierlich die Enden der Drähte. Von einer Düse 116 entlang eines Weges 117 wird Druckluft hinter den Lichtbogen geblasen, um geschmolzene Tröpfchen zu zerstäuben und als konischen Spritznebel 118 auf das Substrat oder Ziel 119 zu richten. Die geschmolzenen Partikel deformieren sich beim Aufprall und haften unter Bildung einer Beschichtung 121 am Substrat.
Beispiele typischer Betriebsbedingungen für das erfindungsgemäße thermische Spritzen beinhalten: Zerstäubungs- und Lichtbogen-Luftstrahl-Flußgeschwindigkeiten: etwa 1,98 m³/min, etwa 30 V und etwa 100 – 200 A. Diese Bedingungen sind nur beispielhaft angeführt und sollen nicht begrenzen.
Typische Schichtdicken liegen zwischen 0,0254 – 0,63544 cm. Eine Schicht ausreichender Dicke für eine Endoberfläche, die eine nahtlose Verbindungsstelle darstellt, ist akzeptabel.
Die folgenden Beispiele zeigen Betriebsbedingungen für zwei verschiedene Aluminium-Füllmaterialien.
Beispiel 1
Die thermische Spritz-Vorrichtung war ein Modell 8850 von Hobart Tafa Technologies, 146 Pembroke Road, Concord, NH 03301. Das Aluminium-Füllmaterial ist ein 4043 Draht. Die Oberfläche wird durch Kugelstrahlen der Schweißnaht mit Stahlschrot mit 137,9 N/mm² vorbereitet.

Abstand 10,16 cm

Zerstäubungssluft 1,982 m³/min

Lichtbogenluftstrahl 1,982 m³/min

Ampere 150

Volt 030
Beispiel 2
In diesem Beispiel wird ein Draht mit einer Seele mit 20% Silicium als Aluminium-Füllmaterial verwendet. Die Oberfläche wird durch Kugelstrahlen der Schweißnaht mit Stahlschrot bei 137,9 N/mm² hergestellt.

Abstand 10,16 cm

Zerstäubungsluft 75 m³/min

Lichtbogenstrahlluft 60 m³/min

Ampere 100-200

Volt 27
Die geeignete Mischung Legierungselemente bestimmt die Lackierbarkeit und die Erleichterung bei der Endbearbeitung. Das Aluminium-Füllmaterial ist bevorzugt ein fast unlegiertes Aluminium, wie z.B. die 11xx Aluminium-Serie, oder eine Aluminium-Silicium-Legierung wie z.B. die Aluminiumlegierungen der 4xxx Serie. Das Aluminium-Füllmaterial kann entweder ein Vollmaterialdraht oder ein Draht mit einer Seele sein. Wenn Vollmaterialdraht verwendet wird, liegt die obere Grenze des Siliciumgehaltes bei etwa 12%, dem Gehalt des Eutektikums. Ein bevorzugtes Aluminium-Füllmaterial ist 1100 Aluminium, welches das am leichtesten zu schleifende Material ist.
Die 4xxx Legierungsfamilie umfaßt hauptsächlich Aluminium und etwa 1 bis 12% Silicium. Die bevorzugten 4xxx Materialien sind die 4047 und 4043 Legierungen.
Diese Materialien bewirken gute Ergebnisse, weil sie einen hohen Siliciumanteil und eine niedrige Porosität aufweisen. Der hohe Siliciumgehalt ermöglicht geeignetes Haften des thermischen Sprays an der Aluminiumverbindungsstelle. Er ermöglicht außerdem, entsprechend der Anwesenheit von Siliciumpartikeln, eine leichtere Endbearbeitung, was das Schleifen verbessert und eine längere Standzeit des Endbearbeitungschleifpapiers ermöglicht. Da es eine niedrigere Schmelztemperatur hat als das Basismetall, verzieht es bei seiner Aufbringung auch nicht das Metall.
Draht mit einer Seele kann ebenfalls beim thermischen Spritzen als Aluminium-Füllmaterial verwendet werden. Bei einem Draht mit einer Seele besteht die Außenseite des Drahtes aus Aluminium, wie z.B. 3003 Aluminium, und der Kern in der Mitte des Drahtes aus Siliciumpulver. Draht mit einer Seele kann einen Siliciumgehalt bis zu etwa 20% aufweisen. Drähte mit einer Seele mit Siliciumgehalt bis zu 20% sind bevorzugte Aluminium-Füllmaterialien, wobei Drähte mit 20% Silicium bevorzugt sind.

10: Verbinden
12: Ausstanzen
14: Schweißen
16: Aufrauhen
20: Endbearbeitung
22: thermisches Spritzen
24: Grob-Schleifen
26: Zwischen-Schleifen
28: End-Schleifen
30: Lackieren
32: E-Schicht
34: Glasur
36: Primer
38: Farblack-Beschichtung
40: Klarlack-Beschichtung
113: Lichtbogen
114: Draht
115: Draht
116: Düse
117: Weg
118: Spritznebel
119: Substrat/Ziel
121: Beschichtung

Claims

Verfahren zur Herstellung einer glatten lackierbaren Oberfläche von Aluminium-Teil-Verbindungsstellen, mit den Schritten: Schweissen zweier Aluminiumteile unter Herstellung einer Schweissraupe an der Verbindungsstelle; thermisches Spritzen von Aluminium-Spritzfüllmaterial mit einem Si-Anteil bis 20% auf den Schweissraupenbereich unter Herstellung einer Oberfläche niedriger Porosität; und Schleifen des Schweissraupenbereichs mit Aluminium-Spritzfüllmaterial unter Herstelllung einer glatten lackierbaren Oberfläche an der Verbindungsstelle.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schweissraupenbereich vor dem Spritzen aufgerauht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schweissraupenbereich durch Kugelstrahlen, Grob-Schleifen oder Abscheiden von Flußmittel aufgerauht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 – 3, wobei das Aluminium-Spritzfüllmaterial Volldraht mit bis zu 12% Silicium aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 – 3, wobei das Aluminium-Spritzfüllmaterial eine Aluminiumlegierung der 11xx oder 4xxx Serie aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 – 3, wobei das Aluminium-Spritz-Füllmaterial ausgewählt ist aus 1100, 4047 und 4043 Aluminiumlegierungen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aluminium-Spritzfüllmaterial einen Draht mit einer Silicium-Seele mit etwa 20% Silicium aufweist.