DE102008023129A1

DE102008023129A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Vorbereiten eines Bauteils aus oberflächlich oxidierendem Metall, insbesondere aus Aluminium, zum Schweißen

Info

Publication number: DE102008023129A1
Application number: DE102008023129A
Authority: DE
Inventors: Josef Liebl
Original assignee: SLE Electronic GmbH
Current assignee: RL AUTOMATION GMBH, DE
Priority date: 2008-05-09
Filing date: 2008-05-09
Publication date: 2009-11-12
Anticipated expiration: 2028-05-10
Also published as: DE102008023129B4

Abstract

Bei einem Verfahren zum Vorbereiten eines Bauteils aus oberflächlich oxidierendem Metall, insbesondere aus Aluminium, zum Schweißen wird zumindest ein Teilbereich der oxidierten Oberfläche des Bauteils mit aus entionisiertem Wasser erzeugtem Wasserdampf bestrahlt, so dass der mit Wasserdampf bestrahlte Oberflächenbereich nach Beendigen der Bestrahlung mit dem Wasserdampf eine durch die Bestrahlung modifizierte, definierte Oxidschicht aufweist, die vor dem Schweißen keiner weiteren Behandlung zur Modifizierung der Oberfläche unterworfen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vorbereiten eines Bauteils aus oberflächlich oxidierendem Metall, insbesondere aus Aluminium, zum Schweißen.
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.
Aus der DE 10 2006 009 993 B3 ist ein Verfahren zum Vorbereiten eines Bauteils aus oberflächlich oxidierendem Metall, insbesondere aus Aluminium, zum Schweißen bekannt, bei dem zumindest ein Teilbereich der oxidierten Oberfläche des Bauteils mit aus entionisiertem Wasser erzeugtem überhitztem Wasserdampf bestrahlt wird, so dass der mit überhitztem Wasser dampf bestrahlte Oberflächenbereich nach der Bestrahlung eine durch die Bestrahlung modifizierte, definierte Oxidschicht aufweist, die vor dem Schweißen keiner weiteren Behandlung zur Modifizierung der Oberfläche unterworfen wird. Eine Bestrahlung der Oberfläche mit überhitztem Wasserdampf, das heißt Wasserdampf, bei dem die Wassermoleküle praktisch gasförmig vorhanden sind, erfordert einen hohen Energieaufwand und ist daher teuer.
Aus der JP 05 209282 A ist bekannt, die Adhäsionseigenschaften und die Korrosionswiderstandsfähigkeit eines Bauteils aus Aluminiumlegierung, wie es für verklebte Strukturen eines Schiffes verwendet wird, zu verbessern. Dazu wird die Oberfläche des Bauteils aus Aluminiumlegierung vor dem Verkleben behandelt, indem das Bauteil entfettet, mit Alkali geätzt und in heißem Wasser, einer feuchten Atmosphäre oder unter Druckdampf auf über 50°C erwärmt wird, um auf der Oberfläche des Bauteils eine Aluminiumoxidschicht mit einer Dicke zwischen 0,02 und 1,5 μm auszubilden.
Aus der DE 199 42 785 A1 ist ein Verfahren zum Entfernen von festen Verarbeitungsrückständen, Oberflächenbeschichtungen oder Oxidschichten von Bauteilen aus oberflächenoxidierendem Metall 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 Gegenstanden 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 Gegenstanden, der während der Behandlung der Gegenstände um die Längsachse der Behandlungskammer gedreht wird, beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges und einfach durchführbares Verfahren zum Vorbereiten eines Bauteils aus oberflächlich oxidierendem Metall, insbesondere aus Aluminium, zum Schweißen zu schaffen, bei dem zwischen dem Vorbereitungsschritt und dem Schweißen ein längerer Zeitraum liegen kann, ohne dass die Prozessparameter und die Qualität der späteren Schweißverbindung dadurch beeinflusst werden. Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung anzugeben.
Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass bei der Bestrahlung des Bauteils mit üblichem Wasserdampf, der aus entionisiertem Wasser erzeugt wird, eine vorhandene Oxidschicht des oberflächlich oxidierenden Metalls in einen wohl definierten, modifizierten Zustand übergeht oder sich dabei bildet. Diese Oxidschicht ermöglicht wohl definierte Schweißbedingungen, die entsprechend den jeweiligen Umständen, wie Material und Dicke der zu verschweißenden Bauteile eingestellt werden. 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 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.
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 der Ansprüche 8 und 9 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 gleichen oder zumindest ähnlichen Metallen 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 mit einer Fördereinrichtung 12 vorgesehen, auf der zu behandelnde Bauteile 14 durch die Kammer hindurch transportierbar sind. Im dargestellten Beispiel weist die Kammer 10 linksseitig und rechtsseitig Klappen 16 auf, die beispielsweise senkrecht verschiebbar sind, um seitliche Öffnungen der Kammer freizugeben. Linksseitig der Kammer 10 ist eine Fördereinrichtung 18 vorgesehen, mit der zu behandelnde Bauteile 14 in die Kammer eingeführt werden können. Rechtsseitig ist eine Fördereinrichtung 20 vorgesehen, mit der behandelte Bauteile 14 aus der Kammer ausgeleitet werden können.
Weiter ist ein Dampferzeuger 22 zum Erzeugen von Wasserdampf vorgesehen, der über eine Zufuhrleitung 24 einzelnen in der Behandlungskammer 10 angeordneten Düsen 26 zugeleitet werden kann. Aus dem vorzugsweise oberen Bereich der Kammer 10 geht eine Dampfrückleitung 28 ab, die in den Dampferzeuger 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 < 20 μS/cm wird dem Dampferzeuger 22 über eine Zuleitung 34 zugeführt.
Aufbau und Funktion des Dampferzeugers 22 sowie der Reinigungseinrichtung 32 sind an sich bekannt und werden daher nicht im Einzelnen erläutert.
Die Funktion der Vorrichtung ist wie folgt:
Im Dampferzeuger 22 erzeugter Wasserdampf wird durch die Düsen 26 hindurch unmittelbar auf die in der Behandlungskammer 10 befindlichen Bauteile 14 gestrahlt, wobei die Bauteile 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 den Dampferzeuger 22 rückgeführt, wo er nach Erhitzen 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 unterbrochen, die Klappen 16 werden geöffnet und die behandelten Bauteile 14 werden über die Fördereinrichtung 20 unmittelbar einer benachbarten Schweißstation zugeführt oder bis zum Schweißen gelagert. Über die Fördereinrichtung 18 wird die Behandlungskammer 10 erneut mit Bauteilen beschickt, die nach Schließen der Klappen 16 mit Wasserdampf bestrahlt werden.
Typische Prozessparameter sind wie folgt:
Im Dampferzeuger 22 besteht ein Druck zwischen 4 bar und 7 bar, vorzugsweise zwischen 5 bar und 8 bar. Die Düsen 26 haben einen Austrittsdurchmesser zwischen 0,8 mm und 1,6 mm, beispielsweise 1 mm, und sind von der Oberfläche der Bauteile zwischen 1 cm und 10 cm, vorzugsweise zwischen 2 cm und 5 cm entfernt. Der auf die Oberfläche der Bauteile 14 gelangen de Dampf hat eine Temperatur zwischen 70°C und 95°C, vorzugsweise zwischen 80°C und 90°C, so dass auf die Oberfläche der Bauteile Nassdampf gelangt. In der Behandlungskammer 10 herrscht Umgebungsdruck.
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 müssen nicht an ihrer gesamten Oberfläche mit 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 befindlichen Oxidschicht. Als weiterer günstiger Nebeneffekt trocknen die behandelten Bauteile wegen ihrer Erwärmung durch den Wasserdampf rasch nach, so dass das Schweißen sehr kurzfristig nach der Behandlung erfolgen kann. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich, da erfindungsgemäß vorbereitete Bauteile nach der Behandlung mit 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 und Bauteil, die Wasserdampftemperatur, die Bauteilevortemperatur und den Öffnungswinkel der Düse 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: Dampferzeuger
24: Zufuhrleitung
26: Düse
28: Dampfrückleitung
30: Wasserrückleitung
32: Reinigungseinrichtung
34: Zuleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102006009993 B3 [0006]
- JP 05209282 A [0007]
- DE 19942785 A1 [0008]
- DE 3432507 A1 [0009]
- DE 19609783 A1 [0010]
- DE 19700237 B4 [0011]

Claims

Verfahren zum Vorbereiten eines Bauteils aus oberflächlich oxidierendem Metall, insbesondere aus Aluminium, zum Schweißen, bei welchem Verfahren zumindest ein Teilbereich der oxidierten Oberfläche des Bauteils mit aus entionisiertem Wasser erzeugtem Wasserdampf bestrahlt wird, so dass der mit Wasserdampf bestrahlte Oberflächenbereich nach Beendigen der Bestrahlung mit dem Wasserdampf eine durch die Bestrahlung modifizierte, definierte Oxidschicht aufweist, die vor dem Schweißen keiner weiteren Behandlung zur Modifizierung der Oberfläche unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der auf das Bauteil gelangende Wasserdampf eine Temperatur zwischen 70°C und 95°C, bevorzugt zwischen 80°C und 90°C hat.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der auf das Bauteil gelangende Wasserdampf aus einer auf die zu bestrahlende Oberfläche gerichteten, von der Oberfläche zwischen 1 cm und 10 cm entfernten Düse mit einem Austrittsdurchmesser zwischen 0,8 mm und 1,6 mm austritt, strömungsoberhalb der ein Druck zwischen 4 und 7 bar herrscht und wobei sich die zu bestrahlende Oberfläche in einer Luftatmosphäre unter Umgebungsbedingungen befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Bestrahlungsdauer zwischen wenigen Sekunden und mehreren Minuten liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Bauteil vor dem Bestrahlen mit Wasserdampf vorgereinigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das mit 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 einen Dampferzeuger (22) zum Erzeugen von Wasserdampf durch Erhitzen von entionisiertem Wasser, eine Fördereinrichtung zum Fördern des Wasserdampfes zu wenigstens einer Düse (26), aus der der überhitzte Wasserdampf austritt und anschließend auf die Oberfläche des zu bestrahlenden Bauteils (14) trifft.
Vorrichtung nach Anspruch 7, enthaltend eine Kammer (10), in die der Wasserdampf aus einer Mehrzahl von Düsen (26) austritt und deren Wände wenigstens eine verschließbare Öffnung zum Einleiten und Ausleiten des mit Wasserdampf zu bestrahlenden Bauteils (14) und eine weitere Öffnung aufweist, die mit der Einrichtung zum Erzeugen von überhitztem Wasserdampf über eine Rückführleitung (28) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Düse(n) (26) einen Austrittsdurchmesser zwischen 0,8 mm und 1,6 mm hat (haben), die zu behandelnde Oberfläche einen Abstand zwischen 1 cm und 10 cm von der (den) Düsen(n) hat (haben) und im Dampferzeuger ein Druck zwischen 3 und 7 bar herrscht.