DE102008003616A1

DE102008003616A1 - Verfahren zur Verbindung mehrerer Teile durch Kaltgasspritzen

Info

Publication number: DE102008003616A1
Application number: DE102008003616A
Authority: DE
Inventors: Heinz-Ingo Schneider
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2008-01-09
Filing date: 2008-01-09
Publication date: 2009-07-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung herkömmlicherweise schwer herstellbarer Verbindungskombinationen von Metallteilen, insbesondere Aluminium-Kupfer, Aluminium-Titan, Aluminium-Stahl, Kupfer-Stahl, Stahl-Titan-Verbindungskombinationen. Die Erfindung zeichnet sich durch ein Aneinanderanlegen mindestens zweier Metallteile und Kaltgasspritzen eines Metalls auf die Metallteile zur Erzeugung einer stoffschlüssigen Verbindung der Metallteile aus. Die zu verbindenden Teile werden dabei thermisch und mechanisch lediglich gering belastet und erzeugte Verbindungen sind homogen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Auf dem Gebiet der Verbindungstechnik gibt es eine Anzahl von schwer herstellbaren Verbindungskombinationen von Metallen. Derartige Verbindungskombinationen sind beispielsweise die von Aluminium und Kupfer, Stahl und Titan, Aluminium und Titan, Aluminium und Stahl, sowie Kupfer und Stahl, Kupfer und Zink, Stahl und Zink, Stahl und Nickel und Dergleichen. Besondere Probleme ergeben sich beim Schweißen von Aluminium mit anderen Metallen, wie es beispielsweise Kupfer ist. Insbesondere diese Verbindung wird zunehmend von der Industrie gefordert, um elektrische Aluminiumleiter zur Gewichtseinsparung sicher einsetzen zu können.
Stoffschlüssige Verbindungen herkömmlicherweise schwer schweißbarer Materialkombinationen werden herkömmlicherweise lediglich mittels Ultraschallschweißen oder Rotationsreibschweißen bereitgestellt. Stoffschlüssige Verbindungen werden alle Verbindungen genannt, bei denen die Verbindungspartner durch atomare oder molekulare Kräfte zusammengehalten werden. Sie sind gleichzeitig nicht lösbare Verbindungen, die sich nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel trennen lassen.
Das herkömmliche Ultraschallschweißen kann technologiebedingt lediglich für kleinere Teile sowie weiche Metalle, wie beispielsweise Aluminium und Kupfer angewendet werden. Eine Anwendung, beispielsweise zum Kontaktieren von Aluminiumstarterkabeln mit Durchmessern größer circa 30 mm ist auf diese Weise nicht ausführbar.
Eine weitere herkömmliche Lösung ist das Rotationsreibschweißen. Besonders nachteilig für dieses Verfahren ist das gefor derte rotationssymmetrische Teiledesign sowie die hohe Kraft- und Temperatureinwirkung auf die Teile.
Herkömmlicherweise gibt es ebenso löttechnische oder klebetechnische Lösungen. Beispielsweise kann Aluminium direkt mit Ultraschallunterstützung im Bad belotet werden. Diese Verbindungen sind erfahrungsgemäß jedoch sehr feuchtigkeitsempfindlich und müssen feuchtigkeitsdicht gekapselt werden. Andere Aluminium-Weichlötverbindungen benötigen sehr aggressive Flussmittel, deren Rückstände Korrosionsvorgänge auflösen können. Weiterhin erfüllen Weichlötverbindungen meist nicht die Temperaturanforderungen der Produkte. Hartlötprodukte sind dagegen mit einem hohen Temperatureintrag verbunden, so dass viele Bauteile, die Kunststoff oder Elektronik aufweisen, zerstört werden.
Ebenso Klebelösungen, wie beispielsweise das Kleben von Aluminiumleitern mit Nickelpartikel gefüllten Klebstoffen stellen nicht die elektrischen Eigenschaften sowie die Beständigkeit gegenüber Temperatur und Feuchtigkeitseinflüssen im Vergleich zu einer metallischen Verbindung bereit.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung herkömmlicherweise schwer herstellbarer Verbindungskombinationen von Metallteilen, insbesondere Aluminium-Kupfer, Aluminium-Titan, Aluminium-Stahl, Kupfer-Stahl, Stahl-Titan-Verbindungskombinationen, bereitzustellen, wobei die zu verbindenden Teile thermisch und mechanisch lediglich gering belastet werden und erzeugte Verbindungen insbesondere homogen sind.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Zur Anwendung kommt ein sogenanntes Kaltgasspritzen. Auf dem Gebiet der Beschichtungsverfahren hat sich das als kaltes Verfahren bezeichnete Verfahren zur Fertigungsreife entwickelt. Mit diesem Verfahren ist es möglich, Metallpartikel mit Überschallgeschwindigkeit, ohne diese aufzuschmelzen, auf zu beschichtende Substrate zu schleudern. Es ist bekannt, dass mit diesem Kaltgasspritzen fest haftende, porenfreie Schichten von bis zu 50 mm Dicke hergestellt werden können, die sich vom Ausgangsmaterial fast nicht mehr unterscheiden.
Das Kaltgasspritzen ist ein Beschichtungsverfahren, bei dem der Beschichtungswerkstoff in Pulverform mit sehr hoher Geschwindigkeit auf das Trägermaterial (Substrat) aufgebracht wird. Dazu wird ein auf wenige hundert °C aufgeheiztes Prozessgas durch Expansion in einer Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und anschließend die Pulverpartikel in den Gasstrahl injiziert. Die injizierten Spritzpartikel werden dabei auf eine so hohe Geschwindigkeit beschleunigt, dass sie im Gegensatz zu anderen thermischen Spritzverfahren auch ohne vorangehendes An- oder Aufschmelzen beim Aufprall auf das Substrat eine dichte und fest haftende Schicht bilden. Die kinetische Energie zum Zeitpunkt des Aufpralls reicht für ein vollständiges Aufschmelzen der Partikel nicht aus. Beispielsweise offenbart die DE100010521 ein Beschichten von Magnesium mit Aluminium mittels Kaltgasspritzens.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden mehrerer Teile unter Nutzung des Kaltgasspritzverfahrens.
Das Verfahren ermöglicht ein Herstellen von metallischen homogenen Verbindungen, die schmelzschweißtechnisch nicht herstellbar sind, wie es beispielsweise Titan-Stahl- oder Kupfer-Aluminium-Verbindungen sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ein schonendes Verbinden. Mittels des Kaltgasspritzens werden die Fügeteile thermisch und mechanisch lediglich gering belastet. Das Verfahren stellt eine völlig neue Verbindungstechnik dar, mit der durch den Einsatz von Zusatzmaterial nahezu jede Materialkombination realisiert werden kann. Das Verfahren eignet sich insbesondere für Aluminiumkabel. Aluminiumleiter gewinnen durch geforderten Leichtbau immer mehr an Bedeutung in der Elektro- und Automobilindustrie.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Kaltgasspritzen mindestens eines Metalls mindestens eines der Metallteile auf die Metallteile. Damit kann eine Verbindung besonders homogen bereit gestellt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein aneinander Anlegen eines Anschlusselements und eines elektrischen Leiters und ein Kaltgasspritzen von Metall des Anschlusselements auf das Anschlusselement und den Leiter.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Schieben eines Anschlusselements mit einer Öffnung über einen elektrischen Leiter mit einer der Öffnung entsprechenden Querschnittsfläche derart, dass eine Stirnfläche des Anschlusselements bündig mit einer Stirnfläche des Leiters ist und Kaltgasspritzen vom Metall des Anschlusselements auf die Stirnflächen. Auf diese Weise können Anschlusselement und Leiter besonders vorteilhaft stoffschlüssig angebunden werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Schieben eines Anschlusselements mit einer Öffnung über einen elektrischen Leiter mit einer der Öffnung entsprechenden Querschnittsfläche derart, dass das Anschlusselement den Leiter überragt, so dass eine Begrenzung für das durch Kaltgasspritzen aufgebrachte Metall gegeben ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Schieben eines Anschlusselements mit einer Öffnung über einen elektrischen Leiter mit einer der Öffnung entsprechenden Querschnittsfläche derart, dass der Leiter das Anschlusselement überragt, so dass das durch Kaltgasspritzen aufgebrachte Metall eine äußere überstehende Mantelfläche des Leiters mit der Stirnfläche des Anschlusselementes verbindet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Anlegen eines, insbesondere im Querschnitt rechteckigen, elektrischen Leiters auf eine Seite eines flächigen Anschlusselements und ein Kaltgasspritzen von Metall des Anschlusselements auf den elektrischen Leiter und das Anschlusselement. Auf diese Weise kann besonders einfach ein elektrischer Leiter direkt in die Schicht des Anschlusselements eingespritzt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Anlegen eines flächigen Teils in eine dem flächigen Teil entsprechende Öffnung eines Trägerteils und ein Kaltgasspritzen von Metall auf den Grenzbereich von dem flächigen Teil und dem Trägerteil. Auf diese Weise kann besonders einfach beispielsweise eine Kehlnahtgeometrie erzeugt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein aneinander Fixieren der mindestens zwei Metallteile mittels eines Halters. Auf diese Weise kann das Verbinden besonders sicher bereitgestellt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Abdecken nicht zu benetzender Bereiche mittels einer Maske. Nicht zu benetzende Bereiche bedeutet, dass Bereiche nicht mit dem kaltgasgespritzten Metall bedeckt werden sollen. Auf diese Weise kann die Form der Verbindung auf einfache Weise bereitgestellt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein gleichzeitiges aneinander Fixieren der mindestens zwei Metallteile und ein Abdecken nicht zu benetzender Bereiche mittels eines Maskierungshalters. Das heißt auf einfache Weise sind die Funktionen des Fixierens und des Abdeckens durch einen Maskierungshalter bereitgestellt.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei der Verwendung von Aluminiumlitzen beziehungsweise Massivkabeln ist es notwendig, den aus Aluminium hergestellten Leiter mit den Anschlusselementen die vorrangig aus Kupfer bestehen, zu verbinden. Es ist erforderlich, den Aluminiumleiter mit dem Kupfer stoffschlüssig anzubinden, um elektrochemische Reaktionen zwischen Kupfer und Aluminium zu vermeiden. Eine durch Kaltgasspritzen aufgetragene Kupferschicht kann in diesem Ausführungsbeispiel den aus Aluminium bestehenden Leiter direkt mit einem Kupferanschlusselement verbinden. Beim Aufbringen der Metallpartikel wird die Aluminiumoxidschicht vom Aluminiumleiter durch die ersten auftreffenden Metallpartikel, ähnlich wie beim Sandstrahlen, entfernt. Die folgenden mit hoher kinetischer Energie auftreffenden Kupferteilchen bilden dann sofort, ohne eine erneute Oxidation der Aluminiumoberfläche zuzulassen, eine fest haftende homogene Schicht. Gleichzeitig wird auch diese Kupferschicht auf dem Anschlusselement aufgebaut, wodurch eine gute elektrische und mechanische Verbindung zwischen dem aus Aluminium bestehenden Leiter und dem Kupferanschlusselement gebildet wird. 1 zeigt eine Düse 1, die ebenso als „Gun" bezeichnet wird, einen Gasstrom 2 mit Kupferpartikeln, die auf circa 500 bis 1500 m/s beschleunigt sind. Bezugszeichen 3 bezeichnet die Oberfläche, bestehend aus der Stirnfläche des Aluminiumleiters und Stirnfläche des Anschlusselements, auf der eine homogene Kupferschicht aufgebracht wird. Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Abdeckung, die gleichzeitig ein Halter ist. Bezugszeichen 5 bezeichnet ein Anschlusselement aus Kupfer. Bezugszeichen 6 bezeichnet eine Aluminiumlitze mit einer Isolation. Eine Litze bezeichnet einen elektrischen Leiter aus dünnen Einzeldrähten. Anstelle einer Litze kann ebenso ein massiver elektrischer Leiter verwendet werden. Grundsätzlich kann anstelle von Kupfer ebenso das Spritzen von Materialkombinationen durch das Verwenden von Pulvergemischen erfolgen. Bekannt sind beispielsweise das Aufbringen von CuMgNi, FeNiMo und so weiter.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein Anbinden dünner Aluminiumlitze kann ebenso durch direktes Einspritzen in eine Kupferschicht erfolgen. Ein Aluminiumleiter 3 wird auf einem Anschlusselement 5 fixiert. Eine Kupferschicht wird auf dem Anschlusselement 5 aufgetragen bis der Aluminiumleiter 3 vollständig bedeckt ist. Eine metallische Verbindung zwischen dem Aluminiumleiter 3 und dem Anschlusselement 5 besteht nur auf einer Strahldüse 1 zugewandten Seite. Bezugszeichen 1 bezeichnet die Düse. Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Gasstrom mit Metallpartikeln, beispielsweise aus Kupfer. Die Metallpartikel sind auf eine Geschwindigkeit von circa 500 bis 1500 m/s beschleunigt. Bezugszeichen 3 bezeichnet einen Leiter aus Aluminium. Bezugszeichen 4 bezeichnet einen Niederhalter, der gleichzeitig eine Maske ist. Bezugszeichen 5 bezeichnet ein Anschlusselement, das beispielsweise Kupfer aufweist.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das dritte Ausführungsbeispiel zeigt die Erzeugung einer Kehlnahtgeometrie durch das Kaltgasspritzverfahren. Ein plattenförmiges zu befestigendes Teil 4 wird durch eine aufgespritzte Metallschicht in die Kante zwischen dem zu verbindenden plattenförmigen zu befestigenden Teil 4 und einem Trägerteil oder Grundkörper 6 befestigt. Das plattenförmige zu befestigende Teil 4 kann beispielsweise ein Titan-Strahlauskoppelfenster einer Röntgendrehanodenröhre als Grundkörper 6 sein, wobei dieser Edelstahl aufweist. Die aufgespritzte Metallschicht kann beispielsweise Titan oder Kupfer aufweisen. Das Trägerteil oder der Grundkörper 6 kann beispielsweise der Stahlkörper der Drehanodenröhre sein. Die nicht zu benetzenden Teile werden mittels einer Abdeckung 5 maskiert. Die aus gleichem oder artfremdem Material entstan dene Kehlnaht schafft eine metallische, dichte Verbindung zwischen den Teilen. Bezugszeichen 1 kennzeichnet eine Düse oder „Gun". Bezugszeichen 2 kennzeichnet einen Gasstrom mit Metallpartikeln, beispielsweise Titan. Die Metallpartikel sind auf ca. 500 bis 1500 m/s beschleunigt. Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Kante zwischen dem zu befestigenden plattenförmigen Teil 4 und dem Grundkörper 6, an der eine Kehlnahtgeometrie abgeschieden wird.
Als Kehlnaht wird hier die Verbindung verstanden, die durch das Aufspritzen des Zusatzmaterials in die Kante zwischen den zu verbindenden Teilen entsteht. Die zu verbindenden Teile müssen sich hierzu vorzugsweise im Nahtbereich überlappen, so dass zwischen ihnen eine Kante entsteht, die je nach Anwendungsfall unterschiedlich hoch mit durch Kaltgasspritzen aufgebrachtem Zusatzmaterial ausgefüllt wird.
Bezugszeichen 4 bezeichnet ein zu befestigendes Teil, z. B. ein Titanfenster. Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Abdeckung, die gleichzeitig ein Halter ist. Bezugszeichen 6 kennzeichnet einen Grundkörper, beispielsweise eine Drehanodenröhre bestehend aus Edelstahl.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 100010521 [0010]

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Verbindungskombinationen von Metallteilen, insbesondere Aluminium-Kupfer, Aluminium-Titan, Aluminium-Stahl, Kupfer-Stahl, Stahl-Titan, Stahl-Zink, Kupfer-Zink, Stahl-Nickel-Verbindungskombinationen, gekennzeichnet durch aneinander Anlegen mindestens zweier Metallteile und Kaltgasspritzen mindestens eines Metalls auf die Metallteile zur Erzeugung einer stoffschlüssigen Verbindung der Metallteile.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Kaltgasspritzen mindestens eines Metalls mindestens eines der Metallteile auf die Metallteile.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch aneinander Anlegen eines Anschlusselements und eines elektrischen Leiters und Kaltgasspritzen von Metall des Anschlusselements auf das Anschlusselement und den Leiter.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch Schieben eines Anschlusselements mit einer Öffnung über einen elektrischen Leiter mit einer der Öffnung entsprechenden Querschnittsfläche derart, dass eine Stirnfläche des Anschlusselements bündig mit einer Stirnfläche des Leiters ist, so dass durch das Kaltgasspritzen von Metall auf beide Stirnflächen, diese verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch Schieben eines Anschlusselements mit einer Öffnung über einen elektrischen Leiter mit einer der Öffnung entsprechenden Querschnittsfläche derart, dass das Anschlusselement den Lei ter überragt, so dass eine Begrenzung für das durch Kaltgasspritzen aufgebrachte Metall gegeben ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch Schieben eines Anschlusselements mit einer Öffnung über einen elektrischen Leiter mit einer der Öffnung entsprechenden Querschnittsfläche derart, dass der Leiter das Anschlusselement überragt, so dass das durch Kaltgasspritzen aufgebrachte Metall eine äußere überstehende Mantelfläche des Leiters mit der Stirnfläche des Anschlusselementes verbindet.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch Anlegen eines elektrischen Leiters auf eine flächige Seite eines flächigen Anschlusselements und Kaltgasspritzen von Metall des Anschlusselements auf den elektrischen Leiter und das Anschlusselement.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Anlegen eines flächigen Teils in eine dem flächigen Teil entsprechende Öffnung eines Trägerteils und Kaltgasspritzen von Metall auf den Grenzbereich von dem flächigen Teil und dem Trägerteil.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch aneinander Fixieren der mindestens zwei Metallteile mittels eines Halters.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch Abdecken nicht zu benetzender Bereiche mittels einer Maske.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch gleichzeitiges Aneinander Fixieren der mindestens zwei Metallteile und Abdecken nicht zu benetzender Bereiche mittels eines Maskierungshalters.
Verbindungskombinationen von Metallteilen, insbesondere Aluminium-Kupfer, Aluminium-Titan, Aluminium-Stahl, Kupfer-Stahl, Stahl-Titan, Stahl-Zink, Kupfer-Zink, Stahl-Nickel-Verbindungskombinationen, dadurch gekennzeichnet, dass diese nach einem der Verfahren 1 bis 11 erzeugt worden sind.
Elektrische und mechanische Verbindungen dadurch gekennzeichnet, dass diese nach einem der Verfahren 1 bis 11 bereitgestellt worden sind.