DE102017005677A1

DE102017005677A1 - Verfahren und Vorrichtung zum thermischen Fügen von temperatursensiblen Werkstoffen, insbesondere unter Teilnahme zumindest eines Verbundwerkstoffes

Info

Publication number: DE102017005677A1
Application number: DE102017005677.3A
Authority: DE
Inventors: Khaled Alaluss; Gunnar Bürkner; Oleg Nuss
Original assignee: STEINBEIS INNOVATION GGMBH
Current assignee: STEINBEIS INNOVATION GGMBH
Priority date: 2017-06-18
Filing date: 2017-06-18
Publication date: 2018-12-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Fügen von temperatursensiblen Werkstoffen, insbesondere unter Teilnahme zumindest eines Verbundwerkstoffes, mittels eines WIG-Lichtbogens zwischen einer nicht-abschmelzenden Elektrode, insbesondere Wolframelektrode, und einem abschmelzenden Zusatzwerkstoff, insbesondere einem Zusatzdraht der als Füllstoff Zinn oder eine Zinn/Kupfer-Legierung enthält. Der Lichtbogen wird zwischen der nicht-abschmelzenden Elektrode und dem abschmelzenden Zusatzwerkstoff ausgebildet und ein Wärmeeintrag zum Fügen der Werkstoffe unter Ausbildung einer Lotverbindung wird unter Abschmelzen des Lot-Zusatzwerkstoff erreicht. Die Brennereinrichtung ist lageeinstellbar und eine Spitze der nicht-abschmelzenden Elektrode ist in verschiedenen Richtungen in Bezug auf den Lot-Zusatzwerkstoff, einen Brennerkopf sowie hinsichtlich des Abstandes zu einer Werkstückoberfläche einstellbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Fügen von temperatursensiblen Werkstoffen, insbesondere unter Teilnahme zumindest eines Verbundwerkstoffes, mittels eines Lichtogens zwischen einer nicht abschmelzen Elektrode und einem abschmelzenden Lot-Zusatzwerkstoff.
Der zunehmende Einsatz von Leichtbau-Werkstoffen bei zugleich steigenden Festigkeitsanforderungen an diese, insbesondere im Fahrzeugbau, stellt auch an die erforderlichen Fügeverfahren zur Verbindung von Werkstücken und verschiedenen Komponenten erhöhte Anforderungen. So werden zum Beispiel im Karosseriebau von Kraftfahrzeugen zunehmend zinkbeschichtete Stahl-Kunststoff-Stahl-Verbundverkstoffe eingesetzt, die allerdings aufgrund deren in diesen verwendeten Polymerschichten nicht in herkömmlicher Weise zum Beispiel im Dachbereich mit Seitenteilen von Fahrzeugenkarosserien verschweißt werden können, da die Zwischen-Kunststoffschichten keine hierfür ausreichende Temperaturstabilität besitzen und überdies Delaminationen von den Stahlblechen in Abhängigkeit vom Wärmeeintrag auftreten.
Überdies werden an derartige, insbesondere linienförmige Fügeverbindungen im Hinblick auf Dichtigkeit und Festigkeit hohe Anforderungen gestellt. Daher ist es bisher nur unzureichend gelungen, metallische, dichte und linienförmige Verbindungen an Stahl/Kunststoff/Stahl-Verbundwerkstoffen mittels thermischer Fügetechnik auszuführen und dabei Delaminationen des Stahl-Kunststoffverbundes sowie partielle Zerstörungen der Stahlfolien zu vermeiden. Vergleichbare Schwierigkeiten bestehen bei der thermischen Verbindung von Leichtbau-Funktionswerkstoffen wie zum Beispiel partikel-oder faserverstärkten Kompositen bzw. von Sandwichmaterialien, die temperatursensible Werkstoffe enthalten.
Die aus Korrosionsschutzgründen erforderliche Zinkbeschichtung von Stahlblechfolien, insbesondere im Kraftfahrzeugbau, führt zu zusätzlichen Schwierigkeiten im Hinblick auf die Benetzung der Stahlbleche bzw.-Folien und die Haftfähigkeit von thermischen Fügeverbindungen, ohne daß Beschädigungen des Korrosionsschutzes eintreten dürfen.
Dies gilt z.B. bei Bördelnähten oder Kehlnähten sowohl für Verbindungen, bei denen ein zum Beispiel aus Stahl/Polymer/Stahl bestehendes Verbundblech mit einem weiteren Verbundblech vergleichbaren Aufbaus oder auch mit einem weiteren Stahlblech oder einer Stahlfolie unitären Aufbaus verbunden werden muss.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens, zu schaffen, die es gestatten, auch Verbundwerkstoffe, die temperatursensible Materialien enthalten, wie zum Beispiel Polymerschichten, oder auch andere wärmeempfindliche Materialen stoffschlüssig mit hoher Festigkeit und Dichtigkeit miteinander zu verbinden ohne daß diese temperatursensiblen Materialien durch den stoffschlüssigen Verbindungsprozess selbst oder auch deren Anhaftung an benachbarten, weniger temperaturempfindlichen Materialien beeinträchtigt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 6 gelöst.
Erfindungsgemäß wird die stoffschlüssige Verbindung zwischen den zu verbindenden Teilen, von denen zumindest eines ein temperatursensibles Material ist oder in einem Werkstoffverbund enthält, unter Einsatz eines Lichtbogens dadurch bewirkt, dass der Lichtbogen, insbesondere WIG-Lichtbogen, nicht zwischen einer Elektrode und dem Werkstück, sondern zwischen einer nicht - abschmelzenden Elektrode wie zum Beispiel einer nicht - abschmelzenden Wolfram-Elektrode und einem abschmelzenden Lot-Zusatzmaterial, wie zum Beispiel einem Lot-Zusatzdraht der vorzugsweise einen Füller aus Zinn, gegebenenfalls unter geringfügiger Beimischung von Kupfer, enthält, zur Entstehung gebracht wird, in gewissem, wenn auch in geringem Abstand zur Werkstückoberfläche, so daß das Lot-Zusatzmaterial von diesem Lichtbogen abgeschmolzen wird und in den Nahtbereich der zu fügenden und miteinander zu verbindenden Bauteile tropft und eine entsprechende Schweiß- bzw. Lötnaht zur festen Verbindung der Werkstücke ausbildet.
Aus der DE 101 43 100 A1 ist bereits ein Verfahren und ein Einrichtung zum Wolfram-Schutzgasschweißen und-Schutzgaslöten von Metallen bekannt, bei denen Potentialanschlüsse zwischen der nicht abschmelzen Elektrode und dem abschmelzenden Zusatz -Werkstoff vorgesehen sind. Hierbei steht jedoch die Zündung des Lichtbogens und dessen Ausbildung im Vordergrund, da ohne ein stromführendes Werkstück ausgekommen werden soll und ein leistungsstarker Lichtbogen zündbar sein soll. Der Lichtbogen wird durch Konakt des Zusatzwerkstoffes auf das Werkstück übertragen, ohne dass dieses selbst ursprünglich stromführend sein muss.
Gegebenenfalls kann dabei der Lichtbogen der Vorerwärmung und damit besseren Benetzbarkeit der diesem zugewandten Werkstückoberfläche dienen.
Auf diese Weise wird eine thermische Überbeanspruchung der thermisch empfindlichen Polymer-oder sonstigen Kunststoffschicht innerhalb eines zum Beispiel Stahl-Kunststoff-Stahl-Verbundmateriales ebenso wie eine Ablösung (Delamination) der Kunststoffschicht vermieden.
Der Wärmeeintrag zum Fügen der miteinander zu verbindenden Komponenten unter Ausbildung einer Lötverbindung erfolgt praktisch ausschließlich durch den schmelzflüssigen Lot-Zusatzwerkstoff selbst.
Die nichtabschmelzede Elektrode, insbesondere Wolframelektrode 5, die die Katode im zugehörigen Stromkreislauf bildet, ist in Bezug auf ein vorauslaufendes Ende des Lot-Zusatzmateriales 4a , das die Anode bildet, in mehreren Achsen bzw. Ebenen einstellbar, d.h. mit verschiedenen Abständen positionierbar angeordnet, so daß die Elektrodenspitze sowohl in Bezug auf die Werkstückoberfläche als auch den Zusatzwerkstoff in Abhängigkeit von Zielgrößen der Prozessparameter, zu denen Materialeigenschaften der prozessbeteiligten Materialien ebenso gehören, wie die geometrischen und Lageverhältnisse der miteinander zu verbindenden Werkstücke zueinander bzw. zum Lichtbogen, einstellbar angeordnet ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den übrigen Unteransprüchen dargelegt,
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
In diesen zeigen:

1: einen WIG-Kaltdrahtbrenner zum Fügen von Stahl/Kunststoff/Stahl Verbundwerkstoffen in schematischer Darstellung;
2: einen WIG-Kaltdrahtbrennerkopf eines WIG-Kaltdrahtbrenners nach 1 in schematischer Teilschnittdarstellung;
3: einen WIG-Kaltdrahtbrennerkopf eines WIG-Kaltdrahtbrenners nach Fig, 1 in schematischer Längsschnittdarstellung (geneigt);
4: eine schematische Darstellung einer zu fügenden Werkstückpaarung mit einem Sandwich-Werkstoff, der eine temperaturempfindliche Kunststoffmaterialschicht enthält und einem Stahlblechteil.

1 zeigt in schematischer Darstellung einen Wolfram-Inertgas-Kaltdrahtbrenner, wie er zur Schweiß-bzw. Löt- Verbindung von Bauteilen verwendet werden kann, wobei zumindest eines der Bauteile ein thermisch empfindliches Material, wie zum Beispiel eine Kunststoffmaterialschicht (z.B. Polymer) enthält. Eine Brennereinrichtung 10 (nachfolgend als Brenner bezeichnet) auf dem Prinzip eines WIG-Kaltdrahtbrenners wird über ein verbundenes Schlauchpaket 1 mit Strom, Schutzgas und einem Lot-Zusatzdraht (Lot-Zusatzwerkstoff) 13 beschickt. Mit 2 ist eine Kupplung für einen Schweißroboter bezeichnet, während eine Drahtzuführung 3 des Löt-Zusatzdrahtes 13 (2) für einen Drahtvorschub des verhältnismäßig weichen Löt-Zusatzdrahtes 13 mit einem „Druck-Zug“ („Push-Pull“)- Vorschubsystem ausgerüstet ist. Als Stromquelle kann eine herkömmliche WIG-Stromquelle oder Plasma-Schweißquelle verwendet werden.
Zwischen der Spitze der Wolframelektrode 5 und einem vorauslaufenden Ende des Lot-Zusatzdrahtes 13 wird ein WIG-Lichtbogen im Abstand zu dem Werkstück 7 ausgebildet, der einer gewissen Vorwärmung des Werkstückes 7 dienen kann, jedoch keine negativen Auswirkungen auf eine innerhalb des Werkstückes 7 oder in Bezug auf einen Fügepartner vorhandene temperatursensible Kunststoffschicht hat.
Gegenüber herkömmlichen Anordnungen (in Bezug auf die Wolframelektrode 5) ist die Polung invertiert, d.h. der Löt-Zusatzdraht 13 bildet die Anode, während die Wolframelektrode 5 die Katode bildet, zwischen denen der WIG-Lichtbogen zum Abschmelzen des Lot-Zusatzdrahtes 4a gebildet wird. Die abtropfenden, schmelzflüssigen Tropfen 15 des Lot-Zusatzdrahtes 13 (s. 2) bilden unter Schwerkrafteinfluß im Verbindungsbereich der miteinander zu verbindenden Bauteile die Schweiß-bzw. Lötnaht 12 (4).
Die Schutzgasatmosphäre verhindert unerwünschte Oxidation.
Der Wärmeeintrag in das Werkstück resultiert also im Wesentlichen ausschließlich aus dem Wärmeeintrag der schmelzflüssigen Tropfen 15 des Löt-Zusatzdrahtes 13 in einer nahtbildenden Fügezone 12 der zu verbindenden Werkstücke. Hierdurch wird die Kunststoffschicht bei in dieser erreichten Temperaturen von vorzugsweise weniger als 230 °C vor Dekomposition und Ablösung ihrer innigen Verbindung zur Metallschicht, insbesondere zu den Stahlblechen bzw. Stahlfolien geschützt.
Eine solche Brennereinrichtung 10 ist zum Beispiel für die Ausführung von Bördel-oder Kehlnähten von Kraftfahrzeug-Karosserieteilen ausgelegt, von denen zumindest eines ein Verbundmaterial unter Einsatz einer wärmesensiblen Kunststoffschicht ist.
In Abhängigkeit von den Werkstück-bzw. Geometriegegebenheiten derselben wird die Spitze der Wolframelektrode 5 einerseits in Bezug auf das vorauslaufende Ende des Lot-Zusatzdrahtes 13 zur Ausbildung des Lichtbogens, andererseits in Bezug auf den Abstand zur Werkstückoberfläche, wie auch der Abstand zum vorderen Ende einer Gasdüse 9 des Brennerkopfes 6 eingestellt.
Die Brennereinrichtung 10, deren Brennerkopf 6 in den 2 und 3 genauer dargestellt ist, beinhaltet einen Brenner 4 der im Wesentlichen die Zuführung und Kontaktierung des Lot-Zusatzdrahtes 13 sowie eine hier nicht näher dargestellte Schutzgasleitung enthält. Mit dem Brennerkopf 6 ist außen eine in ihrer Position in verschiedenen Achsen bzw. Ebenen durch eine XYZ - Positioniereinheit 11 verstellbare Wolframelektrode 5 einstellbar verbunden. Das Werkstück mit einer oberflächenaktivierter Beschichtung ist mit 7 und ein Schutzgasmantel mit 8 bezeichnet.
Das eingeführte, inerte Schutzgas dient zur Kühlung der Brennereinrichtung in 10 und zum Schutz der Fügezone 12 vor den negativen Einflüssen der Sauerstoff enthalten Atmosphäre und nimmt zusätzlich zur Gravitationskraft Einfluß auf den Transport des schmelzflüssigen Lot-Werkstoffes 13 hin zur Fügezone 12 zwischen den Werkstücken. Die Lot-Zusatzdraht-Zuführung innerhalb des Brenners 4 ist in den Brenneraufbau integriert und ist mit der Wolframelektrode 5 (Katode) prozesstechnisch zusammengeschaltet. Auf diese Weise wird der WIG-Lichtbogen zwischen einer Elektrodenspitze der Wolframelektrode 5 und einer Spitze des Löt-Zusatzdrahtes 13 erhalten, wodurch eine Fokussierung des Lichtbogens auf den Löt-Zusatzdraht 13 erreicht wird. Eine Stromdüse 9 des Brennerkopfes 6 ist für eine Verbesserung der thermischen Isolation und zur Vermeidung des Anhaftens des schmelzflüssigen Lot-Zusatzmateriales 13 am Brennerkopf 6 aus Graphit gebildet. Die Wolframelektrode 5 ist justierbar am Brennerkopf 6 festgelegt.
Die 2 und 3 zeigen den Aufbau des Brennerkopfes 6 und die justierbare Festlegung der Position der Spitze der Wolframelektrode 5 im Einzelnen. Für die Erzeugung eines nicht übertragbaren Lichtbogens ist der Lot-Zusatzdraht 13 als Anode (+) und die Wolframelektrode 5 als Katode (-) geschaltet und die Spitze der Wolfram Elektrode 5 mit einem regulierbaren Abstand zum Frontende der Stromdüse 9 angeordnet. Die verstellbare Position der Wolframelektrode 5 hat einen großen Einfluß auf die Lichtbogenausbildung und somit auch auf das Fügeergebnis. Ein Stromanschluß ist mit 14 bezeichnet.
Der Lot-Zusatzdraht 13 weist vorzugsweise eine Füllung mit Zinn oder einer Zinn-Kupfer-Legierung auf.
Wie in 3 verdeutlicht, ist in Abhängigkeit von den materialtechnischen und geometrischen Gegebenheiten ein Abstand A der Spitze der Wolframelektrode 5 zu einer Längsachse des Lot-Zusatzdrahtes 13 im Bereich von ca. 0,7 mm bis 5 mm, insbesondere von ca. 1,5 mm bis 3 mm vorgesehen, ein Abstand B der Spitze der Wolfram Elektrode 5 von einem Vorderende des Brennerkopfes 6 (Stromdüsel 1) im Bereich von ca. 4 mm bis 15 mm, insbesondere ca. 7 mm bis 10 mm und ein Abstand C der Spitze der Wolframelektrode 5 von einer Werkstückoberfläche von ca. 4 mm bis 10 mm, insbesondere ca. 7 mm vorgesehen. Vorzugsweise ist die Brennereinrichtung 10 geneigt zur Werkstückoberfläche angeordnet und bildet mit ihrer Mittelachse vorzugsweiseeinen Arbeitswinkel zur Normalen auf der Werkstückoberfläche im Bereich von ca. -30° bis +30°.
Bei einem Durchmesser des Lot-Zusatzdrahtes 4a von zum Beispiel 1,2 mm oder 1,6 mm ist für eine stoffschlüssige Fügeverbindung zwischen einem Sandwichwerkstoff (Stahl/Kunststoff/Stahl) und einem Stahlblech (siehe 4) ein prozesswirksamere Wärmeeintrag von ca. 100 W bis 250 W, insbesondere von ca. 200 W bei einer Schweißgeschwindigkeit von ca. 0,5 m/min bis 2 m/min, insbesondere ca. 1,0 m/min vorgesehen. Hierbei liegt die resultierende Temperatur in einer Polymerschicht eines Stahl-Polymer-Stahl-Verbundmaterial im Bereich von ca. 150 °C bis ca. 250 °C und beträgt insbesondere weniger als 230 °C.
Auf diese Weise können hochfeste Schweiß-bzw. Löt-Verbindungen zwischen derartigen, wärmeempfindliche Schichten enthaltenden Materialien erhalten werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10143100 A1 [0009]

Claims

Verfahren zum thermischen Fügen von temperatursensiblen Werkstoffen, insbesondere unter Teilnahme zumindest eines Verbundwerkstoffes, mittels eines Lichtbogens zwischen einer nicht-abschmelzenden Elektrode und einem abschmelzenden Lot-Zusatzwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen zwischen der nicht-abschmelzenden Elektrode und dem abschmelzenden Zusatzwerkstoff ausgebildet wird und ein Wärmeeintrag zum Fügen der Werkstoffe und der Ausbildung einer Lotverbindung unter Abschmelzen des Lot-Zusatzwerkstoffes im Wesentlichen durch den Lot-Zusatzwerkstoff erfolgt.
Verfahren zum thermischen Fügen von temperatursensiblen Werkstoffen, insbesondere von Verbundwerkstoffen, mittels WIG-Lichtbogens zwischen einer nicht-abschmelzenden Elektrode und einem schmelzenden Zusatzwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwerkstoff koaxial in einer Brennereinrichtung zugeführt wird, mit einem vorauslaufenden Ende des Zusatzwerkstoffes benachbart zu einer positionseinstellbaren Spitze der nicht-abschmelzenden Elektrode, mit dem Zusatzwerkstoff als Anode und der nicht-abschmelzenden Elektrode als Katode, und wobei ein Neigungswinkel des vorauslaufenden Endes des Zusatzwerkstoffes sowie ein Abstand der Spitze der nicht-abschmelzenden Elektrode zu einer Werkstückoberfläche und zu dem vorauslaufenden Ende des Zusatzwerkstoffes in Abhängigkeit von Zielgrößen von Prozessparametern eingestellt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Lot-Zusatzwerkstoff ein Zusatzdraht mit einer Zinnfüllung oder Zinn/Kupfer-Füllung verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Abstand der Spitze der nichtabschmelzen Elektrode zu einer Längsachse des Lot-Zusatzwerkstoffes von ca. 0,7mm - 5 mm, insbesondere ca. 1,5mm - 3 mm, einem Abstand der Spitze der nicht-abschmelzenden Elektrode von einem Vorderende eines Brennerkopfes der Brennereinrichtung von ca. 4mm - 15 mm, insbesondere ca. 7mm-10 mm und einem Abstand der Spitze der nicht-abschmelzenden Elektrode von einer Werkstückoberfläche von ca. 4-10 mm, insbesondere ca. 7 mm sowie einem Arbeitswinkel der Brennereinrichtung zu einer Normalen zur Werkstückoberfläche von ca. -30° bis +30°.
Verfahren nach zumindest zu einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen prozeßwirksamen Wärmeeintrag von ca. 100 W bis 250 W, insbesondere ca. 200 W, einer Schweißgeschwindigkeit von ca. 0,5-2 m/min., insbesondere ca. 1,0 m/min. und einer resultierenden Temperatur einer Polymerschicht eines Stahl-Polymer-Stahl-Verbundmaterials von ca. 150 °C bis ca. 250 °C, insbesondere ca. 230 °C oder weniger.
Vorrichtung zum thermischen Fügen von temperatursensiblen Werkstoffen, insbesondere unter Teilnahme zumindest eines Verbundwerkstoffes, mittels eines WIG-Lichtbogens zwischen einer nicht -abschmelzen Elektrode und einem abschmelzenden Zusatzwerkstoff, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine lageeinstellbare Brennereinrichtung mit einer koaxial angeordneten Lot-Zusatzwerkstoffzuführung eines abschmelzenden Lot-Zusatzwerkstoffes und einer mittels einer Justageeinrichtung an einem Brennerkopf positionseinstellbar angeordneten, nicht-abschmelzenden Elektrode als Katode zur Ausbildung eines WIG- Lichtbogens zwischen Lot-Zusatzwerkstoff und nicht-abschmelzender Elektrode.
Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Schutzgas-Zuführungseinrichtung.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine Graphitdüse als Führungseinrichtung des Lot-Zusatzmateriales.