DE102006009993B3

DE102006009993B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Vorbereiten eines Bauteils aus oberflächlich oxidierendem Metall, insbesondere aus Aluminium, zum Schweißen oder Kleben

Info

Publication number: DE102006009993B3
Application number: DE200610009993
Authority: DE
Inventors: Josef Liebl
Original assignee: SLE Electronic GmbH
Current assignee: RL AUTOMATION GMBH, DE
Priority date: 2006-03-03
Filing date: 2006-03-03
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2026-03-04
Also published as: WO2007101627A1; DE102006009993B9

Abstract

Bei einem Verfahren zum Vorbereiten von Bauteilen aus oberflächlich oxidierendem Metall, insbesondere aus Aluminium, zum Schweißen oder Kleben, werden die Bauteile überhitztem Wasserdampf ausgesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vorbereiten eines Bauteils aus oberflächlich oxidierendem Metall, insbesondere aus Aluminium, zum Schweißen oder Kleben.
Aluminium findet in neuerer Zeit wegen seines geringen Gewichts zunehmend Verwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Fahrwerksteilen, bei denen, sofern sie gefedert sind, eine Gewichtsverminderung zusätzlich Komfort erhöhend wirkt.
Blanke Aluminiumoberflächen bilden an der Luft rasch eine Oxidschicht, die unmittelbar auf der Aluminiumoberfläche vorzugsweise aus Korund (α-Al₂O₃) besteht. Über dieser Sperrschicht entsteht je nach Lagerdauer, Umgebungsbedingungen usw. eine nicht genau definierte Deckschicht aus Aluminiumoxid, Aluminiumoxidhydroxid und/oder Aluminiumhydroxid.
Für das Schweißen von Aluminium ist eine wohl definierte Oberfläche wichtig, um einwandfreie Schweißqualität sicherzustellen. Die vorstehend genannten undefinierten Deckschichten wirken sich störend auf die Schweiß- bzw. Nahtqualität hinsichtlich deren Festigkeit, Einschlüssen usw. aus.
Um eine einwandfreie Schweißqualität zu erzielen, ist bekannt, mittels aufwändiger Verfahren, beispielsweise mittels Tauch-Druckumfluten, sowohl die Sperrschicht als auch die Deckschicht zu entfernen und die blanke Oberfläche zu passivieren. Dabei werden die zu verschweißenden Teile zunächst vorentfettet, dann nachentfettet, dann in mehreren Stufen fließgespült, anschließend passiviert, dann wieder in mehreren Stufen fließgespült und abschließend getrocknet. Um die Kosten zu reduzieren, wird beispielsweise lediglich eine Spritzreinigung durchgeführt, bei der die zu verschweißenden Bauteile vorentfettet werden, dann hauptentfettet werden, anschließend mehrfach gespült werden, in einem letzten Spülschritt mit entionisiertem Wasser gespült werden, und dann getrocknet werden. Diese Spritzreinigung führt jedoch zu nicht voll befriedigenden Ergebnissen.
Auch für das Verkleben von Bauteilen aus oberflächlich oxidierendem Metall mit anderen Bauteilen ist eine wohldefinierte Oberfläche vorteilhaft.
Aus der DE 199 42 785 A1 ist ein Verfahren zum Entfernen von festen Verarbeitungsrückständen, Oberflächenbeschichtungen oder Oxidschichten von Bauteilen aus oberflächenoxidierendem Metall, beispielsweise Aluminiumlegierungen bekannt. Dazu werden ausgewählte Oberflächenbereiche mittels Heißdampf bestrahlt, wodurch feste, flüssige oder pastenförmige Oberflächenbeschichtungen, auch Verschmutzungen, und Oxidschichten entfernt werden. Nach der örtlichen Entfernung der Oxidschicht können dann direkte Bearbeitungen, wie Fügearbeitsgänge, z.B. Schweißen oder Kleben erfolgen. Dabei wird davon ausgegangen, dass die mit Heißdampf behandelte Oberfläche frei von Oxidschichten ist, so dass sich beispielsweise ein Schweißvorgang unmittelbar an die Bestrahlung mit überhitztem Wasserdampf anschließen muss, damit nicht die Neubildung einer Oxidschicht das Schweißen nachteilig beeinflusst.
Die DE 34 32 507 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen von Gegenständen, bei dem bzw. der eine Spritz- oder Sprühdüse mit Hilfe eines Arbeitsautomaten in vorgebbarem Abstand von der Oberfläche eines jeweiligen Gegenstandes auf auswählbare Stellen an der Oberfläche bewegt wird. Typischerweise wird mit Wasser oder Dampf, gegebenenfalls unter Zusetzung eines chemischen Reinigungspräparates, gereinigt.
Aus der DE 196 09 783 A1 ist ein Verfahren zum Reinigen von Gegenständen sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens bekannt, bei dem bzw. der zweiphasig gearbeitet wird, indem zunächst eine Flüssigreinigung mit einer Reinigungsflüssigkeit aus organischem Lösungsmittel und wässrigem Reinigungsmittel gereinigt wird, auf die eine Dampfphasenreinigung erfolgt, wobei die Dampfphase durch Destillation des organischen Lösungsmittels erzeugt wird.
In der DE 197 00 237 B4 ist eine Behandlungskammer für eine Reinigungsanlage mit einem Transportkasten zur Aufnahme von zu reinigenden Gegenständen, der während der Behandlung der Gegenstände um die Längsachse der Behandlungskammer gedreht wird, beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Vorbereiten eines Bauteils aus oberflächlich oxidierendem Metall, insbesondere aus Aluminium, zum Schweißen oder Kleben zu schaffen, bei dem zwischen dem Vorbereitungsschritt und dem Schweißen bzw. Kleben ein längerer Zeitraum liegen kann, ohne dass die Qualität der späteren Schweiß- oder Klebeverbindung nachteilig beeinflusst wird.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass bei der Bestrahlung mit überhitztem Wasserdampf, der aus entionisiertem Wasser erzeugt wird, die Oxidschicht des oberflächlich oxidierenden Metalls nicht abgetragen wird, sondern in einen wohl definierten, modifizierten Zustand übergeht, der definierte, einstellbare Schweißbedingungen ermöglicht. Diese Bedingungen bleiben auch bei Lagerung des behandelten Bauteils in schmutzfreier und trockener Atmosphäre während mehrerer Tage erhalten, da die Oberfläche durch die modifizierte Oxidschicht weiterhin passiviert ist. Überraschenderweise wird durch die Bestrahlung mit überhitztem Wasserdampf, der aus entionisiertem Wasser besteht, die Randzone bzw. die unregelmäßige Deckschicht aus Aluminiumoxid, -oxidhydroxid und -hydroxid homogenisiert, wodurch ein Schweißfachmann die für eine exakt reproduzierbare Schweißnaht erforderlichen Schweißparameter genau einstellen kann. Auch die Bedingungen für eine anschließende Verklebung sind wohl definiert.
Die Unteransprüche 2 bis 6 sind auf vorteilhafte Durchführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet.
Der Anspruch 7 kennzeichnet den grundsätzlichen Aufbau einer Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird mit den Merkmalen des Anspruchs 8 in vorteilhafter Weise weitergebildet.
Die Erfindung ist ganz allgemein zum Vorbereiten von Bauteilen zum Schweißen oder Kleben geeignet, die aus oberflächlich oxidierendem Metall bestehen. Besonders gut eignet sich die Erfindung für die Vorbereitung von Aluminiumbauteilen zum Schweißen.
Wenn die Verbindung der Bauteile miteinander durch Verschweißen erfolgt, werden im Allgemeinen aus gleichem oder zumindest ähnlichem Metall bestehende, vorbereitete Bauteile miteinander verschweißt. Durch Verkleben können dagegen Bauteile aus unterschiedlichen Materialien miteinander verbunden werden, z.B. ein Bauteil aus Aluminium und ein Bauteil aus einem anderen Metall, Kunststoff, Verbundwerkstoff usw.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer schematischen Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch darstellt, mit weiteren Einzelheiten erläutert.
Gemäß der einzigen Figur ist eine Behandlungskammer 10 vorgesehen, in der eine Fördereinrichtung 12 vorgesehen ist, auf der zu behandelnde Bauteile 14 durch die Kammer hindurch transportierbar sind. Im dargestellten Beispiel weist die Behandlungskammer 10 linksseitig und rechtsseitig Klappen 16 auf, die beispielsweise senkrecht verschiebbar sind, um seitliche Öffnungen der Behandlungskammer 10 freizugeben. Linksseitig der Behandlungskammer 10 ist eine Fördereinrichtung 18 vorgesehen, mit der zu behandelnde Bauteile 14 in die Behandlungskammer 10 eingeführt werden können. Rechtsseitig ist eine Fördereinrichtung 20 vorgesehen, mit der behandelte Bauteile 14 aus der Behandlungskammer 10 ausgeleitet werden können.
Weiter ist eine Einrichtung 22 zum Erzeugen von überhitztem Wasserdampf vorgesehen, der über eine Zufuhrleitung 24 einzelnen in der Behandlungskammer 10 angeordneten Düsen 26 zugeleitet werden kann. Aus dem vorzugsweise oberen Bereich der Behandlungskammer 10 geht eine Dampfrückleitung 28 ab, die in die Einrichtung 22 mündet. Vom Boden der Behandlungskammer 10 geht eine Wasserrückleitung 30 ab, die durch eine Reinigungseinrichtung 32 führt, in der vorzugsweise durch Filtern und Abscheiden Schmutz vom Wasser getrennt wird, und anschließend in die Einrichtung 22 führt. Geeignetes, beispielsweise entionisiertes Frischwasser mit einer Leitfähigkeit < 20μS/cm wird der Einrichtung 22 über eine Zuleitung 34 zugeführt.
Aufbau und Funktion der Einrichtung 22 zum Erzeugen von überhitztem Wasserdampf sowie der Reinigungseinrichtung 32 sind an sich bekannt und werden daher nicht erläutert.
Die Funktion der Vorrichtung ist wie folgt:
In der Einrichtung 22 wird überhitzter Wasserdampf derart erzeugt, dass dieser überhitzte Wasserdampf an den Düsen 26 mit einer Temperatur von etwa 150°C und einem Druck von etwa 6 bar zur Verfügung steht. Die in der Behandlungskammer 10 befindlichen Bauteile 14 werden unmittelbar mit dem überhitzten Wasserdampf bestrahlt, wobei sie sowohl gereinigt werden als auch ihre Oberfläche in einen wohl definierten, oxidierten Zustand gebracht wird.
Der in der Behandlungskammer 10 weiterhin vorhandene Wasserdampf wird über die Dampfrückleitung 28 in die Einrichtung 22 rückgeführt, wo er nach Nacherhitzen wieder zur Verfügung steht. Das kondensierte Wasser wird nach Reinigung und erforderlichenfalls zusätzlicher Entionisierung ebenfalls in die Einrichtung 22 rückgeführt, so dass über die Zuleitung 34 nur wenig frisches entionisiertes Wasser zugesetzt werden muss, weil der gesamte Wasserdampfprozess im Kreislauf geführt ist. Nach genügend langer Verweildauer wird die Bestrahlung mit überhitztem Wasserdampf unterbrochen, die Klappen 16 werden geöffnet und die behandelten Bauteile 14 werden über die Fördereinrichtung 20 unmittelbar einer benachbarten Schweißstation zugeführt. Über die Fördereinrichtung 18 wird die Behandlungskammer 10 erneut mit Bauteilen 14 beschickt, die nach Schließen der Klappen 16 mit überhitztem Wasserdampf bestrahlt werden.
Die beschriebene Vorrichtung bzw. das beschriebene Verfahren kann in vielfältiger Weise abgeändert werden. Beispielsweise kann der Betrieb kontinuierlich erfolgen, indem die Klappen 16 jeweils nur dann geöffnet werden, wenn sich ein Bauteil 14 unter ihnen hindurch bewegt. Der Prozess muss nicht notwendigerweise im Kreis geführt werden. Bei einer besonders einfachen Ausführungsform wird ein Bauteil lediglich beispielsweise mittels einer von Hand gehaltenen Düse ausreichend lange mit überhitztem Wasserdampf beaufschlagt. Die Bauteile 14 müssen nicht an ihrer gesamten Oberfläche mit überhitztem Wasserdampf bestrahlt werden; es genügt, wenn nur diejenigen Stellen bestrahlt werden, die anschließend verschweißt werden.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielte Kombination aus hoher thermischer Energie und hoher kinetischer Energie sorgt sowohl für eine gründliche Oberflächenreinigung der Bauteile von beispielsweise Schmierstoffen nach einem Umformvorgang, Staub usw., als auch für die überraschende und erwünschte Modifikation der auf der Aluminiumoberfläche der Bauteile 14 befindlichen Oxidschicht. Als weiterer günstiger Nebeneffekt trocknen die behandelten Bauteile 14 wegen ihrer Erwärmung durch den überhitzten Wasserdampf rasch nach, so dass das Schweißen sehr kurzfristig nach der Behandlung erfolgen kann. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich, da erfindungsgemäß vorbereitete Bauteile 14 nach der Behandlung mit überhitztem Wasserdampf in schmutzfreier und trockener Atmosphäre durchaus mehrere Tage zwischengelagert werden können, bevor sie geschweißt werden. Die Behandlungsdauer mit dem überhitzten Wasserdampf hängt von der Bauteilgeometrie, der Verschmutzung, der Vorlagerung usw. ab und kann zwischen einigen Millisekunden und mehreren Minuten liegen, wobei die erforderliche Behandlungszeit auch durch die Geometrie der Dampfstahldüse(n) sowie den Abstand zwischen Düse 26 und Bauteil 14 die Wasserdampftemperatur, die Bauteilevortemperatur und den Öffnungswinkel der Düse 26 beeinflusst wird. Bei besonders schweren Verschmutzungen kann auch eine Vorreinigung der Bauteile von Vorteil sein, auf die dann die Wasserdampfbehandlung zur Erzeugung einer definierten, schweißbaren Oberfläche folgt.

10: Behandlungskammer
12: Fördereinrichtung
14: Bauteil
16: Klappe
18: Fördereinrichtung
20: Fördereinrichtung
22: Einrichtung
24: Zufuhrleitung
26: Düse
28: Dampfrückleitung
30: Wasserrückleitung
32: Reinigungseinrichtung
34: Zuleitung

Claims

Verfahren zum Vorbereiten eines Bauteils aus oberflächlich oxidierendem Metall, insbesondere aus Aluminium, zum Schweißen oder Kleben, bei welchem Verfahren zumindest ein Teilbereich der oxidierten Oberfläche des Bauteils mit aus entionisiertem Wasser erzeugtem, überhitztem Wasserdampf bestrahlt wird, so dass der mit überhitztem Wasserdampf bestrahlte Oberflächenbereich nach Beendigen der Bestrahlung mit überhitztem Wasserdampf eine durch die Bestrahlung modifizierte, definierte Oxidschicht aufweist, die vor dem Schweißen oder Kleben keiner weiteren Behandlung zur Modifizierung der Oberfläche unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der auf das Bauteil gelangende, überhitzte Wasserdampf eine Temperatur von etwa 150°C hat.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der auf das Bauteil gelangende, überhitzte Wasserdampf einen Druck von etwa 6 bar hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Bestrahlungsdauer zwischen einigen Millisekunden und mehreren Minuten liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Bauteil vor dem Bestrahlen mit überhitztem Wasserdampf vorgereinigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das mit überhitztem Wasserdampf bestrahlte Bauteil vor dem Verschweißen oder Verkleben in schmutzfreier, trockener Atmosphäre bis zu mehreren Tagen zwischengelagert wird.
Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, enthaltend eine Einrichtung (22) zum Erzeugen von überhitztem Wasserdampf aus entionisiertem Wasser, eine Zufuhrleitung (24) zum zuführen des überhitzten Wasserdampfes zu wenigstens einer Düse (26), aus der der überhitzte Wasserdampf austritt und anschließend auf die Oberfläche des zu behandelnden Bauteils (14) trifft.
Vorrichtung nach Anspruch 7, enthaltend eine Behandlungskammer (10), in die der überhitzte Wasserdampf aus einer Mehrzahl von Düsen (26) austritt und deren Wände wenigstens eine verschließbare Öffnung zum Einleiten und Ausleiten des mit überhitztem Wasserdampf zu bestrahlenden Bauteils (14) und eine weitere Öffnung aufweist, die mit der Einrichtung zum Erzeugen von überhitztem Wasserdampf über eine leitung (28) verbunden ist.