DE19805402A1

DE19805402A1 - Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von Bauteilen mittels einer aus Verbindungsmaterial gebildeten Naht

Info

Publication number: DE19805402A1
Application number: DE19805402A
Authority: DE
Inventors: Gerd E A Prof Dr Rer Nat Meier
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1998-02-11
Filing date: 1998-02-11
Publication date: 1999-08-12
Anticipated expiration: 2018-02-12
Also published as: DE19805402C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von Bauteilen mittels einer aus Verbindungsmaterial gebildeten Naht. Verfahren dieser Art werden der Hauptgruppe "Fügen" der Fertigungsverfahren zugeordnet. Unter Fügen wird das auf Dauer angelegte Verbinden von zwei oder mehreren Werkstücken geometrisch bestimmter oder unbestimmter Form verstanden.

Ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art ist als Gasschmelz schweißen (Gasschweißen) oder Autogen-Schweißen bekannt. Hierbei bringt eine Brenngas-Sauerstoff- bzw. Brenngas-Luft-Flamme die Schweißstelle auf Schmelztemperatur. In der Schweißfuge fehlen der Werkstoff wird durch einen Zusatzdraht zugegeben, so daß Wärme und Schweißzusatz getrennt zugeführt werden. Der Werkstoff der Bauteile wird hierbei örtlich aufgeschmolzen und auf eine Temperatur gebracht, die typischerweise über 2000°C liegt. Beim Abkühlen der Schweißstelle kommt es zu einer Verbindung des Verbindungsmaterials mit den Materialien der Bauteile. Durch die beim Aufschmelzen vorliegenden hohen Temperaturen kommt es zu Grobkornbildung, während kurze Erwärmungszeiten und große Abkühlungsgeschwindigkeiten eine unvollständige Gefügeumwandlung und das Zurückbleiben von Eigenspannungen im Material der Bau teile zur Folge haben. Ein weiteres Problem ist die Tendenz der Bauteile, sich unter Einfluß hoher Temperaturen zu verziehen. Die Möglichkeit des Verbindens von Materialien unterschiedlicher Werkstoffe ist nur eingeschränkt vorhanden. So treten insbeson dere Schwierigkeiten bei der Verbindung von Aluminiumbauteilen auf, da durch die Erwärmung die Kaltverfestigung der Aluminium bauteile aufgehoben wird.

Ein weiteres Verfahren der eingangs beschriebenen Art ist als Löten bekannt. Unter Löten versteht man das Verbinden erwärmter, in festem Zustand verbleibender Metalle durch ein schmelzendes metallisches Verbindungsmaterial. Dabei müssen die Bauteile an der Lötstelle mindestens die Arbeitstemperatur erreicht haben. Diese liegt stets höher als der untere Schmelzpunkt des Lotes und kann knapp unterhalb des oberen Schmelzpunktes liegen. Damit flüssige Lote benetzen und fließen können, müssen die Ober flächen der Bauteile metallisch rein sein. Hierfür ist es erforderlich, Oxidschichten zu entfernen und ggf. durch Fluß mittel zu lösen oder zu reduzieren. Die Festigkeit von Lötver bindungen beruht auf Oberflächenbindung zwischen dem Werkstoff des Bauteils und dem Lot und auf Diffusion einer oder mehrerer Komponenten des Lotes in den Werkstoff des Bauteils und umge kehrt. Es wird zwischen Weichlöten und Hartlöten unterschieden, wobei Weichlöten bei einer Arbeitstemperatur unterhalb von 450°C und Hartlöten bei einer Arbeitstemperatur oberhalb von 450°C durchgeführt wird. Die Festigkeit von Lötverbindungen ist gerin ger als die von Schweißverbindungen und nimmt mit der Dauer der Belastung ab, da die Lote unter Last kriechen. Zusätzlich sinkt die Festigkeit von Lötverbindungen bei steigender Temperatur. Die Möglichkeit der Materialpaarung zu verbindender Bauteile ist ebenfalls begrenzt.

Aus der US 5,302,414 und der EP 0 484 533 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten bekannt. Bei diesem Ver fahren zum Beschichten von Bauteilen werden Partikel aus Metall, Legierungen oder Nichtleitern mit einer Korngröße zwischen 1 bis 50 µm in eine Gasströmung eingeführt. Die Gasströmung weist Überschallgeschwindigkeit auf, nimmt die Partikel des Verbin dungsmaterials mit und beschleunigt sie. Die Gas-Parti kel-Mischung ist auf die Oberfläche des Bauteils gerichtet. Die Partikel des Verbindungsmaterials in der Gas-Partikel-Mischung weisen eine Geschwindigkeit von 300 bis 1200 m/s auf. Aufgrund der kinetischen Energie der Partikel kommt es zu einer Verbin dung der Partikel mit der Oberfläche des Bauteils. Dieses Verfahren dient zum Beschichten der Oberfläche von Bauteilen insbesondere zum Verschleißschutz, Korrosionsschutz und zur elektrischen Isolation bzw. Leitung. Ein Einsatz des Verfahrens zum Verbinden von Bauteilen ist nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen, mit dem das Verbin den von nahezu beliebigen Materialien ermöglicht und dem Entstehen von Eigenspannungen in den zu verbindenden Bauteilen entgegengewirkt wird.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art dadurch erreicht, daß schnelle Partikel des Verbindungsmaterials auf die Oberflächen der miteinander zu verbindenden Teile bzw. des bereits auf getragenen Verbindungs materials gerichtet werden, so daß sie sich aufgrund ihrer kinetischen Energie mit den Bauteilen bzw. dem bereits aufge tragenen Verbindungsmaterial verbinden.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, Bauteile nicht durch Erwärmen und Aufschmelzen im Kontaktbereich und nachfolgendes Abkühlen zu verbinden, sondern die Verbindung der Bauteile durch Beschuß mit schnellen Partikeln eines Verbindungsmaterials herzustellen. Speziell in der Luftfahrttechnik besteht der Wunsch, Bauteile von Flugzeugen nicht durch Vernietungen o. dgl. sondern durch stoffschlüssige Verbindungen herzustellen, da die Anforderungen an Haltbarkeit und Dichtigkeit der Verbindungen besonders hoch sind. Hierbei ist es von großer Bedeutung, Formänderungen der Bauteile, beispielsweise Verziehen der zu verbindenden Bauteile, zu vermeiden. Des weiteren finden in der Luftfahrttechnik verstärkt Leichtmetalle Anwendung, die nicht oder nur mit hohem Aufwand durch mit Aufschmelzen arbeitenden Verfahren verbindbar sind. Beim Verfahren der vorliegenden Erfindung beruht die Haftung des Verbindungsmaterials auf den Oberflächen der Bauteile auf Mechanismen, die von mechanischer Verklammerung bis hin zur metallischen Bindung reichen und nicht zu einem Verziehen der Bauteile führen. Des weiteren weisen mit dem Verfahren hergestellte Nähte eine hervorragende Variabilität von Form und Dicke auf, die leicht an die strukturmechanischen Anforderungen der jeweiligen Verbindung angepaßt werden kann. Die Anpassung erfolgt dabei durch Steuerung der Verweilzeit des Strahls auf den zu verbindenden Bauteilen und durch Einstellung der Menge der Partikel des Verbindungsmaterials. Die Temperatur der Partikel des Verbindungsmaterials liegt bei dem neuen Verfahren typischerweise unterhalb der Schmelztemperatur des Verbindungsmaterials und des Materials der zu verbindenden Bauteile. Etwaige Erwärmungen der zu verbindenden Bauteile sind auf die unmittelbare Umgebung der auf die Bauteile auftreffenden Partikel beschränkt, woraus keine Formänderungs- oder Verzugsgefahr der zu verbindenden Bauteile resultiert.

Die Partikel des Verbindungsmaterials können in einem Freistrahl beschleunigt werden. Hierdurch ist es möglich, die zur Verbin dung des Verbindungsmaterials mit den Materialien der Bauteile notwendige Geschwindigkeit der Partikel des Verbindungsmaterials von den Gasmolekülen des Freistrahls auf die Partikel des Ver bindungsmaterials zu übertragen.

Der Freistrahl kann ein Überschallfreistrahl sein. Insbesondere, wenn die Geschwindigkeit des Freistrahls oberhalb von 600 m/s liegt, bleiben die Partikel des Verbindungsmaterials auf den Bauteilen haften. Die für die Haftung kritische Geschwindigkeit der Partikel des Verbindungsmaterials ist abhängig von der verwendeten Kombination Verbindungsmaterial/Bauteilmaterial.

Der Freistrahl kann durch Beschleunigung eines Gases hohen Druckes durch eine konvergent-divergente Düse erzeugt werden. Bei dieser Düse kann es sich beispielsweise um eine Lavaldüse handeln, die das Erreichen einer hohen Strahlgeschwindigkeit ermöglicht. Die Geschwindigkeit des Freistrahls am Düsenende ist hierbei eine obere Schranke für die Geschwindigkeit der Partikel des Verbindungsmaterials.

Das den Freistrahl bildende Trägergas kann ein Leichtgas sein. Dadurch läßt sich die maximale Strahlgeschwindigkeit zusätzlich erhöhen. Mit reinem Helium als Trägergas kann beispielsweise eine Strahlgeschwindigkeit von 1000 bis 1200 m/s erreicht werden.

Die Partikel des Verbindungsmaterials können eine Korngröße zwischen 1 bis 50 µm aufweisen. Korngrößen in diesem Bereich gestatten das Beschleunigen der Partikel des Verbindungs materials durch das Trägergas hoher kinetischer Energie und gleichzeitig ein effektives Aufbringen der Partikel des Verbin dungsmaterials auf den Oberflächen der Bauteile bzw. auf dem bereits aufgetragenen Verbindungsmaterial. Es handelt sich bei den Partikeln des Verbindungsmaterials folglich nicht um einzelne Atome oder kleinere Moleküle sondern um eine größere Anzahl von Elementarteilchen. Hierdurch ist sowohl die Zusammen setzung als auch die grundsätzliche Struktur des Verbindungs materials von vornherein festlegbar. Weiterhin ist der Impuls der Partikel des Verbindungsmaterials so groß, daß sie von dem Staudruck vor den zu verbindenden Bauteilen nicht wie das sie zunächst führende Trägergas seitlich abgelenkt werden, sondern tatsächlich mit hoher kinetischer Energie auf die zu verbinden den Bauteile auftreffen.

Das Material der zu verbindenden Bauteile und das Verbindungs material können metallisch sein. Hierdurch wird das Eingehen von metallischen Bindungen zwischen Teilchen des Verbindungs materials und Teilchen des Materials der Bauteile ermöglicht. Es kann eine nahezu unbegrenzte Anzahl von Materialpaarungen miteinander verbunden werden. So können Bauteile gleichen oder unterschiedlichen Materials mit Partikeln eines gleichen oder unterschiedlichen Verbindungsmaterials verbunden werden. Es können auch mehrere unterschiedliche Verbindungsmaterialien verwendet werden, beispielsweise bei Unterteilung der Naht in Haftgrundschichten auf den Bauteilen und ein oder mehreren Mittelschichten zwischen den Haftgrundschichten der Bauteile. Hierdurch kann die Festigkeit der Verbindung erhöht werden, und es sind noch mehr Materialien kombinierbar, zwischen denen keine unmittelbare Verbindung möglich wäre. Somit ist es mit dem neuen Verfahren im Gegensatz zu Schweiß- oder Lötverfahren möglich, beispielsweise ein Bauteil aus Aluminium mit einem anderen Bauteil aus Silber unter Verwendung von Kupfer als Verbindungs material zu verbinden.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen einer Vor richtung zum stoffschlüssigen Verbinden von Bauteilen mittels einer aus Verbindungsmaterial gebildeten Naht weiter erläutert und beschrieben. Das Prinzip dieser Vorrichtung ist aus der US 5,302,414 und der EP 0 484 533 A1 bekannt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Teils der Vorrichtung zum stoffschlüssigen Verbinden von Bauteilen,

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Teils der Vorrichtung zum schlüssigen Verbinden von Bauteilen mit einer zusätzlichen Absaugeinrichtung und

Fig. 3 die vollständige Vorrichtung zum stoffschlüssigen Verbinden von Bauteilen.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 mit einer einen konvergent divergenten Querschnitt aufweisenden Lavaldüse 2 dargestellt. An ihrem einen Ende wird der Lavaldüse 2 ein sich in Richtung des Pfeils 3 bewegendes Trägergas 4 durch einen Kanal 5 zugeführt. Senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung des Kanals 5 tritt eine weitere Düse 6 in die Lavaldüse 2 ein. Durch die Düse 6 gelangen Partikel 7 eines Verbindungsmaterials gemäß Pfeil 8 in die Lavaldüse 2. Die Partikel 7 werden vom Trägergas 4 mitgenommen und bewegen sich gemäß Pfeil 9 fort. Dabei bildet sich ein Kern partikelstrahl 10 aus, der mittig zwischen den Wandungen 11 entlang der horizontalen Symmetrieachse der Lavaldüse 2 ver läuft. Die Partikel 7 im Kernpartikelstrahl 10 verlassen die Lavaldüse 2 an ihrem offenen Ende und treffen auf die Ober flächen der zu verbindenden Bauteile 12, 13 unter Ausbildung einer die Bauteile 12, 13 verbindenden Naht 14, während das Trägergas entlang der Pfeile 34 abströmt. Die Bauteile 12, 13 werden an ihrer der Lavaldüse 2 abgewandten Seite durch eine Abstützung 35 unterstützt, womit eine Zerstörung der Bauteile 12, 13 durch die Strömung des Trägergases 4 verhindert wird.

In Fig. 2 ist eine koaxial zur Lavaldüse 2 angeordnete Absaug düse 15 dargestellt. Die Absaugdüse 15 nimmt die Lavaldüse 2 vollständig auf und weist Öffnungen 16, 17 zur Aufnahme des Kanals 5 bzw. der Düse 6 der Lavaldüse 2 auf. Die Absaugdüse 15 ist an ihrem den zu verbindenden Bauteilen 12, 13 zugewandten Ende offen ausgebildet. Dieses offene Ende der Absaugdüse 15 befindet sich in direkter Nähe zu den zu verbindenden Bauteilen 12, 13, so daß die sich nicht an den Bauteilen 12, 13 anlagern den Partikel 7 des Verbindungsmaterials und das Trägergas 4 nicht in die Umgebung gelangen, sondern sich entlang der Pfeile 18 und im weiteren Verlauf entgegen der Hauptbewegungsrichtung gemäß Pfeil 9 des Kernpartikelstrahls 10 in Richtung der Pfeile 19 fortbewegen. Die Partikel 7 und das Trägergas 4 durchströmen dabei die von der zylindrischen äußeren Oberfläche 20 der Lavaldüse 2 und der ebenfalls zylindrischen inneren Oberfläche 21 der Ansaugdüse 15 begrenzte Ringfläche in Richtung der Pfeile 19 und gelangen in eine Mischkammer 22. Aus der Mischkammer 22 werden die abgesaugten Partikel 7 des Verbindungsmaterials wieder der Düse 6 zugeführt und treten gemäß Pfeil 8 wieder in die Lavaldüse 2 ein, um erneut in Richtung der zu verbindenden Bauteile 12, 13 beschleunigt zu werden.

In Fig. 3 ist ein Kompressor 23 über eine Leitung 24 und einen Regler 25 mit einem Druckkessel 26 und über einen Regler 27 mit der Mischkammer 22 verbunden. Die Mischkammer 22 steht über einen Regler 28 mit einer Vorratskammer 29 für Partikel 7 des Verbindungsmaterials in Kontakt. Die Mischkammer 22 ist über einen Regler 30 und eine Leitung 31 mit der hier nicht darge stellten Düse 6 der Lavaldüse 2 verbunden. Der Druckkessel 26 ist über einen Regler 32 und eine Leitung 33 mit dem hier nicht dargestellten Kanal 5 der Lavaldüse 2 verbunden.

Im Betrieb der Vorrichtung 1 zum stoffschlüssigen Verbinden von Bauteilen ergeben sich somit folgende Verhältnisse:
Das unter Druck stehende Trägergas 4 im Kompressor 23 gelangt über die Leitung 24 und den Regler 25 in den Druckkessel 26 und über den Regler 27 in die Mischkammer 22. Aus der Vorratskammer 29 gelangen Partikel 7 beispielsweise aus Kupfer mit einer Korngröße von etwa 25 µm über den Regler 28 in die Mischkammer 22. In der Mischkammer 22 werden die Partikel 7 mit dem Träger gas 4, beispielsweise Helium, in einem einstellbaren Verhältnis durchmischt und verlassen die Mischkammer 22 durch den Regler 30. Das im Druckkessel mit Druck beaufschlagte Trägergas 4 gelangt über den Regler 32 in die Leitung 33 und tritt mit hoher Geschwindigkeit entlang des Kanals 5 in die Lavaldüse 2 ein. Das Trägergas-Partikel-Gemisch strömt durch die Leitung 31 und tritt gemäß Pfeil 8 in die Düse 6 und in die Lavaldüse 2 ein. Die Partikel 7 des Verbindungsmaterials werden durch das Trägergas 4 hoher kinetischer Energie in Richtung des Pfeils 9 beschleu nigt und bilden dabei den Kernpartikelstrahl 10 entlang der horizontalen Symmetrieachse der Lavaldüse 2 aus. Am offenen Ende der Lavaldüse 2 treffen die Partikel 7 mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberflächen der zu verbindenden Bauteile 12 und 13, beispielsweise aus Silber und Aluminium bzw. auf das bereits aufgetragene Verbindungsmaterial auf. Dabei bilden die Partikel 7 auf den Oberflächen der zu verbindenden Bauteile 12, 13 die Naht 14 aus, die fest mit den Oberflächen der Bauteile 12, 13 verbunden ist und somit eine unlösbare Verbindung der Bauteile 12, 13 herstellt. Die Verbindungsmechanismen reichen dabei von mechanischer Verklammerung bis hin zu metallischer Bindung. Bei der Auswahl der Geometrie der Naht 14 ist zu berücksichtigen, daß das Erreichen der Nahtstelle 14 durch die Partikel 7 ungehindert möglich sein muß.

Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung

2

Lavaldüse

3

Pfeil

4

Trägergas

5

Kanal

6

Düse

7

Partikel

8

Pfeil

9

Pfeil

10

Kernpartikelstrahl

11

Wandung

12

Bauteil

13

Bauteil

14

Naht

15

Absaugdüse

16

Öffnung

17

Öffnung

18

Pfeil

19

Pfeil

20

Oberfläche

21

Oberfläche

22

Mischkammer

23

Kompressor

24

Leitung

25

Regler

26

Druckkessel

27

Regler

28

Regler

29

Vorratskammer

30

Regler

31

Leitung

32

Regler

33

Leitung

34

Pfeil

35

Abstützung

Claims

1. Verfahren (1) zum stoffschlüssigen Verbinden von Bauteilen (12, 13) mittels einer aus Verbindungsmaterial gebildeten Naht (14), dadurch gekennzeichnet, daß schnelle Partikel (7) des Verbindungsmaterials auf die Oberflächen der miteinander zu verbindenden Bauteile (12, 13) bzw. des bereits aufgetragenen Verbindungsmaterials gerichtet werden, so daß sie sich aufgrund ihrer kinetischen Energie mit den Bauteilen (12, 13) bzw. dem bereits aufgetragenen Verbindungsmaterial verbinden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Partikel (7) des Verbindungsmaterials unterhalb der Schmelztemperatur des Verbindungsmaterials und des Materials der zu verbindenden Bauteile (12, 13) liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel (7) des Verbindungsmaterials in einem Freistrahl beschleunigt werden

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Freistrahl ein Überschallfreistrahl ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Freistrahls oberhalb von 500 m/s und insbe sondere oberhalb von 600 m/s liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der Freistrahl durch Beschleunigung eines Trägergases (4) hohen Druckes durch eine konvergent-divergente Düse (2) erzeugt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß das den Freistrahl bildende Trägergas (4) ein Leichtgas ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel (7) des Verbindungsmaterials eine Korngröße zwischen 1 bis 50 µm aufweisen.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der zu verbindenden Bauteile (12, 13) und das Verbindungsmaterial metallisch sind.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des einen Bauteils (12) Aluminium, des anderen Bauteils (13) Silber, ist und als Verbindungsmaterial Kupfer verwendet wird.