DE102006030507A1

DE102006030507A1 - Verfahren zum thermischen Fügen zweier Bauteile

Info

Publication number: DE102006030507A1
Application number: DE102006030507A
Authority: DE
Inventors: Jens Dr. Bunte; Michael Dr. Niemeyer; Klaus Dr. Koglin
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2006-07-01
Filing date: 2006-07-01
Publication date: 2008-01-03

Abstract

Bei einem Verfahren zum thermischen Fügen zweier aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehender Bauteile werden die beiden Bauteile in einer Fügezone erwärmt. In die Fügezone wird ein Zusatzmaterial zugeführt. Das Bauteil aus dem Material mit dem höheren Wärmeausdehungskoeffizient wird in einem sich an die Fügezone anschließenden Bereich gekühlt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Fügen zweier aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehender Bauteile nach der im Oberbegriff der Ansprüche 1 und 3 näher definierten Art. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum thermischen Fügen zweier aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehender Bauteile gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 9.
Aus der DE 43 24 349 A1 ist ein Lötverfahren zur Herstellung von Metallverbundkonstruktionen, insbesondere von Aluminiumverbundkonstruktionen bekannt. Dabei wird ein Flussmittel zusammen mit einem ein Eutektikum bildenden Zusatzwerkstoff verwendet, der unter Wärmeeinwirkung eine metallurgische Bindung zwischen den Metallen der zu verbindenden Metallteile durch Erzeugung eines eutektischen Schmelzflusses in der Oberfläche dieser Metallteile herstellt.
Die DE 100 17 453 B4 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Schweiß- bzw. Lötverbindung zwischen einem mit Zink oder Aluminium beschichteten Stahl- und einem Aluminiumwerkstoff unter Verwendung einer ZnAl-Legierung als Zusatzwerkstoff. Durch Verwendung der ZnAl-Legierung als Zusatzwerkstoff soll das Auftreten intermetallischer Phasen soweit als möglich vermieden werden, um eine Verbindung zu schaffen, die hohen mechanischen Beanspruchungen standhält.
Bei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten Verfahren zum thermischen Fügen, wie beispielsweise dem Laserstrahllöten, kommt es aufgrund der erforderlichen Wärmeeinbringung bei der Herstellung von metallischen Mischverbindungen aus Materialkombinationen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, insbesondere beim Verbinden eines Aluminium- mit einem Stahlwerkstoff, zu einer Relativbewegung zwischen den Fügepartnern, da die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu unterschiedlichen Längungen der beiden Bauteile führen. Durch das Erstarren des Lots werden diese Relativbewegungen eingefroren, was zu Problemen hinsichtlich der Maßhaltigkeit der erzeugten Werkstücke sowie zu einem Verzug der Bauteile führen kann.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Fügen zweier aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehender Bauteile zu schaffen, durch welches bzw. welche trotz der unterschiedlichen Längung der Bauteile maßhaltige und spannungsfreie Werkstücke hergestellt werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Durch die erfindungsgemäße gezielte Reduzierung der Temperatur des Bauteils aus dem Material mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten und die damit verbundene Reduzierung der geometrischen Ausbreitung der thermisch beeinflussten Zone wird die sich aufgrund der Erwärmung desselben ergebende Ausdehnung so kompensiert, dass im Idealfall beide Bauteile sich um denselben Betrag längen, so dass sich keine unterschiedliche Längung ergibt und ein maßhaltiges Werkstück hergestellt werden kann. Auch die sich ansonsten ergebenden Verspannungen zwischen den Bauteilen treten durch die erfindungsgemäße Lösung nicht nur oder in erheblich geringerer Ausprägung auf, da sich beide Bauteile beim Abkühlen im wesentlichen gleich verhalten können.
Ein alternatives Verfahren ergibt sich aus den Merkmalen von Anspruch 3.
Alternativ zu der Kühlung des Bauteils mit der höheren Wärmeausdehnung kann auch das Bauteil mit der größeren Wärmeausdehnung erwärmt werden, um eine im wesentlichen gleiche Längenausdehnung der beiden Bauteile zu erreichen und damit die bereits oben genannten Vorteile hinsichtlich Maßhaltigkeit und Verspannungsfreiheit zu erzielen.
In einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Breite des sich an die Fügezone anschließenden, erwärmten bzw. gekühlten Bereichs erheblich größer als die Breite der Fügezone ist. Durch eine ausreichende Breite des gekühlten bzw. erwärmten Bereichs wird sichergestellt, dass sich der beschriebene vorteilhafte Effekt auch bei der Herstellung einer Vielzahl von Werkstü cken nacheinander im Sinne einer Serienfertigung einstellt.
Selbstverständlich können die beiden Verfahren auch kombiniert werden, beispielsweise um keine zu starke Abkühlung bzw. Erwärmung erforderlich zu machen.
Eine die oben genannte Aufgabe lösende Vorrichtung ist in Anspruch 9 angegeben.
Mit der erfindungsgemäßen, in dem sich an die Fügezone anschließenden Bereich vorgesehene Kühleinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders einfach realisieren.
Zusätzliche Bauteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung können vermieden werden, wenn die Kühleinrichtung so ausgebildet ist, dass sie zum Andrücken des aus dem Material mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehenden Bauteils an das andere Bauteil geeignet ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
Es zeigt:
1 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
2 eine Ansicht der Vorrichtung gemäß dem Pfeil II von 1.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum thermischen Fügen zweier Bauteile 2 und 3, die aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen. Bei dem ersten Bauteil 2 handelt es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um ein aus einem Aluminiumwerkstoff bestehendes Dach 2a einer Karosserie eines in seiner Gesamtheit nicht dargestellten Kraftfahrzeugs, wohingegen das Bauteil 3 als aus einem Stahlwerkstoff bestehender Seitenwandrahmen 3a des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist, an dem das Dach 2a mittels des nachfolgend beschriebenen Verfahrens des thermischen Fügens angebracht wird. Wie üblich weist das Kraftfahrzeug zwei im wesentlichen parallel zueinander verlaufende Seitenwandrahmen 3a auf, wobei im vorliegenden Fall jedoch lediglich einer dargestellt ist.
Die beiden Bauteile 2 und 3 werden in einer Fügezone 4 miteinander verbunden, wobei sie zuvor mittels einer Einrichtung 5 zum Erwärmen der beiden Bauteile 2 und 3 auf eine ausreichende Temperatur, z. B. 400°C, gebracht werden. Die Einrichtung 5 ist im vorliegenden Fall durch einen Laserstrahl 5a gebildet, es könnte sich jedoch auch um einen Elektronenstrahl oder um eine ein Plasma erzeugende Einrichtung handeln, mit dem die beiden Bauteile 2 und 3 erwärmt werden. In dem Fall des Einsatzes des Laserstrahls 5a oder des Elektronenstrahls erfolgt das Erwärmen der Bauteile 2 und 3 in der Fügezone 4 somit mittels eines Strahlverfahrens. Des weiteren ist eine Einrichtung 6 zum Zuführen eines Zusatzmaterials 7 in die Fügezone 4 vorgesehen. Bei dem Zusatzmaterial 7 handelt es sich im vorliegenden Fall um ein Lot, so dass das mit der Vorrichtung 1 durchführbare Verfahren zum thermischen Fügen der beiden Bauteile 2 und 3 in dem hierin beschriebenen Ausführungsbeispiel Laserstrahllöten ist. Da die prinzipielle Vorgehensweise beim Laserstrahllöten an sich bekannt ist, muss es an dieser Stelle nicht näher erläutert werden und es können bei diesem Verfahren an die Ausgestaltung der jeweiligen Bauteile 2 und 3, an die für die beiden Bauteile 2 und 3 verwendeten Materialien sowie an die Festigkeitsanforderungen angepasste Parameter eingesetzt werden. Beim Laserstrahllöten der beiden Bauteile 2 und 3 handelt es sich um einen fortschreitenden Prozess, bei dem der Laserstrahl 5a und das Zusatzmaterial 7 kontinuierlich entlang der beiden Bauteile 2 und 3 bewegt werden.
Um für eine gleichmäßige Ausdehnung der beiden aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehenden Bauteile 2 und 3 während der Erwärmung bzw. während des sich unmittelbar daran anschließenden thermischen Fügens zu sorgen, wird im vorliegenden Fall das Bauteil 2 aus dem Material mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizient, also das Dach 2a, in einem sich an die Fügezone 4 anschließenden Bereich 8 gekühlt. Hierfür weist die Vorrichtung 1 eine Kühleinrichtung 9 auf, die im vorliegenden Fall als flüssigkeitsgekühlte, rohrförmige Schiene 9a ausgebildet ist, im wesentlichen parallel zu der Fügezone 4 verläuft und gleichzeitig zum Andrücken des Bauteils 2 an das Bauteil 3 geeignet ist bzw. dient. Durch das Abkühlen mittels der Kühleinrichtung 9 wird in dem sich an die Fügezone 4 anschließenden Bereich 8 eine erhebliche Temperaturverringerung und dadurch eine entsprechend geringere Wärmeausdehnung erreicht. Die Schiene 9a besteht aus einem metallischen Werkstoff, vorzugsweise aus einem Kupferwerkstoff, und ist mit einer nicht dargestellten Hebe- und Senkeinrichtung versehen, so dass sie in der Lage ist, das Dach 2a auf die beiden Seitenrahmen 2b zu pressen. Hierbei sollte darauf geachtet werden, dass die an die Kontur des zu kühlenden Bauteils 2 angepasste Schiene 9a kein Hindernis für die Einrichtung 5 zum Erwärmen der beiden Bauteile 2 und 3 sowie für die Einrichtung 6 zum Zuführen des Zusatzmaterials 7 darstellt. Alternativ kann die Schiene 9a auch an der Unterseite des Daches 3a vorgesehen sein.
Durch die Verwendung der Schiene 9a ist die Breite des sich an die Fügezone 4 anschießenden gekühlten Bereichs 8 erheblich größer als die Breite der Fügezone 4 selbst, so dass eine schnelle Wärmeabfuhr aus dem Bereich der Fügezone 4 sichergestellt ist. Die Flüssigkeitskühlung der rohrförmigen Schiene 9a ist im Hinblick auf einen Serieneinsatz der Vorrichtung 1 und des damit ausgeführten Verfahrens sinnvoll, da eine nicht gekühlte Andruckeinrichtung zwar für eine kurzfristige Abkühlung des Bauteils 2 sorgen könnte, es bei der Serienfertigung jedoch zu einer derartigen Erwärmung der Schiene 9a käme, dass nur eine geringe Anzahl an Werkstücken hergestellt werden könnte.
Alternativ zu der Abkühlung des Bauteils 2 aus dem Material mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten wäre es auch möglich, das Bauteil 3 aus dem Material mit dem niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten zu erwärmen, beispielsweise indem der Laserstrahl in einer entsprechenden Breite auf das Bauteil 3 aufgebracht wird, wobei selbstverständlich auch andere Möglichkeiten zur Erwärmung des Bauteils 3 bestehen. Auch in diesem Fall könnte sich bei entsprechender Auslegung der Erwärmung, die in dem sich an die Fügezone 4 anschließenden Bereich 8 zu einer höheren Temperatur als in der Fügezone 4 selbst führen sollte, eine im wesentlichen identische Längung der beiden Bauteile 2 und 3 ergeben. Auch eine Kombination der Abkühlung des Bauteils 2 und der Erwärmung des Bauteils 3 wäre in diesem Zusammenhang denkbar, zum Beispiel wenn sich durch eine Kühlung alleine noch nicht der gewünschten Effekt erzielen lässt.
Alternativ zu der Verbindung eines Stahl- mit einem Aluminiumwerkstoffs mittels Löten könnte das beschriebene Verfahren beispielsweise auch zum Verschweißen eines Aluminium- mit einem Magnesiumwerkstoffes eingesetzt werden. Des weiteren ist es selbstverständlich auch zum thermischen Fügen anderer Bauteile als dem Dach 2a und dem Seitenwandrahmen 3a geeignet.

Claims

Verfahren zum thermischen Fügen zweier aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehender Bauteile, wobei die beiden Bauteile in einer Fügezone erwärmt werden, und wobei in die Fügezone ein Zusatzmaterial zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) aus dem Material mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizient in einem sich an die Fügezone (4) anschließenden Bereich (8) gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (3) aus dem Material mit dem niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten in einem sich an die Fügezone (4) anschließenden Bereich (8) erwärmt wird.
Verfahren zum thermischen Fügen zweier aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehender Bauteile, wobei die beiden Bauteile in einer Fügezone erwärmt werden, und wobei in die Fügezone ein Zusatzmaterial zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (3) aus dem Material mit dem niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten in einem sich an die Fügezone (4) anschließenden Bereich (8) erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) aus dem Material mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizient in einem sich an die Fügezone (4) anschließenden Bereich (8) gekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des sich an die Fügezone (4) anschließenden, erwärmten bzw. gekühlten Bereichs (8) erheblich größer als die Breite der Fügezone (4) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Bauteil (2) aus einem Aluminiumwerkstoff und das andere Bauteil (3) aus einem Stahlwerkstoff bestehen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) aus dem Aluminiumwerkstoff das Dach (2a) eines Kraftfahrzeugs und das Bauteil (3) aus dem Stahlwerkstoff ein Seitenwandrahmen (3a) sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen der Bauteile (2, 3) in der Fügezone (4) mittels eines Strahlverfahrens erfolgt.
Vorrichtung zum thermischen Fügen zweier aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehender Bauteile, mit einer Einrichtung zum Erwärmen der beiden Bauteile in einer Fügezone und mit einer Einrichtung zum Zuführen eines Zusatzmaterials in die Fügezone, dadurch gekennzeichnet, dass in einem sich an die Fügezone (4) anschließenden Bereich (8) eine mit dem aus dem Material mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehenden Bauteil (2) in Berührungsverbindung stehende Kühleinrichtung (9) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (9) so ausgebildet ist, dass sie zum Andrücken des aus dem Material mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehenden Bauteils (2) an das andere Bauteil (3) geeignet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (9) als flüssigkeitsgekühlte, rohrförmige Schiene (9a) ausgebildet ist, welche an die Kontur des zu kühlenden Bauteils (2) angepasst ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (9) aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere einem Kupferwerkstoff, besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (5) zum Erwärmen der beiden Bauteile (2, 3) in der Fügezone (4) als Laserstrahl (5a), Elektronenstrahl oder ein Plasma erzeugende Einrichtung ausgebildet ist.