-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden zweier Werkstücke, die über unterschiedliche Schmelzpunkte aufweisende Werkstoffe verfügen, bei dem eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Werkstücken hergestellt wird, indem wenigstens das den niedrigeren Schmelzpunkt aufweisende Werkstück zeitweise zumindest bereichsweise auf eine Temperatur oberhalb des niedrigeren Schmelzpunktes erwärmt wird und die beiden Werkstücke in Kontakt miteinander gebracht werden.
-
Aus dem Stand der Technik sind Verbindungen mit so genannten Hybridnähten bekannt, mit denen Werkstücke, die unterschiedliche Werkstoffe aufweisen, miteinander verbunden werden. Oftmals handelt es sich hierbei, insbesondere im Fahrzeugbau, um Verbindungen zwischen Stahl- und Aluminiumbauteilen. Ein wesentlicher Unterschied zwischen den zu verbindenden Werkstücken besteht hierbei darin, dass die Werkstoffe, aus denen die Werkstücke bestehen, unterschiedliche Schmelzpunkte aufweisen. So ist der Schmelzpunkt von Aluminium deutlich geringer als der aller üblicherweise verwendeten Stahlsorten. Bei der Herstellung entsprechender Verbindungen wird das Leichtmetall, insbesondere das Aluminium, aufgeschmolzen und es wird eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Stahl erzeugt, die einer Lötverbindung entspricht.
-
Die Belastbarkeit einer derartigen Naht ist im Wesentlichen von der Oberfläche der Stahl-Blechplatine abhängig, mit der ein Leichtmetallbauteil verbunden werden soll. In diesem Zusammenhang sind aus dem Stand der Technik stumpfe und angespitzte Blechkanten bekannt, die im Wege einer stoffschlüssigen Verbindung an entsprechend geeigneten Aluminiumbauteilen befestigt werden. Durch das Anspitzen der Blechkante wird die Kontaktfläche zwischen den zu verbindenden Stahl- und Aluminiumbauteilen gegenüber Verbindungen mit nicht angespitzten Stahlblechkanten vergrößert.
-
Zur Herstellung der zuvor erwähnten Hybridnähte eignet sich beispielsweise das Cold Metal Transfer® Verfahren, wie es von der Firma Fronius eingesetzt wird. Hierbei wird das Bauteil, das einen Werkstoff mit niedrigerem Schmelzpunkt aufweist, zunächst in dem für die Herstellung einer Hybridnaht vorgesehenen Bereich auf eine Temperatur oberhalb der Schmelzpunkttemperatur erwärmt. Ferner werden die zu verbindenden Bauteile in Kontakt mit einander gebracht und abschließend der erwärmte Bereich wieder abgekühlt. Analog zu einem Lötverfahren wird auf diese Weise eine stoffschlüssige Verbindung zwischen zwei Werkstücken erzeugt, die über Werkstoffe mit unterschiedlichen Schmelzpunkttemperaturen verfügen.
-
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verbindung zwischen Werkstücken, die unterschiedliche Werkstoffe aufweisen, insbesondere Werkstoffe mit unterschiedlichen Schmelzpunkten, derart weiterzubilden, das eine höhere Nahtfestigkeit gegenüber einer reinen stoffschlüssigen Verbindung erzielt wird. Vor allem die Verbindung zwischen Stahl- und Leichtmetallwerkstücken, wie etwa Aluminiumwerkstücken, soll mit Hilfe des anzugebenden Verfahrens im Hinblick auf die Nahtfestigkeit verbessert werden.
-
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird mit Hilfe eines Verfahrens gemäß Anspruch 1 gelöst. Eine erfindungsgemäß ausgeführte Verbindung ist darüber hinaus im Anspruch 10 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
-
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Verbinden zweier Werkstücke, die über unterschiedliche Schmelzpunkte aufweisende Werkstoffe verfügen, bei dem eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Werkstücken durch Kaltmetalltransferschweißen hergestellt wird, derart weitergebildet worden, dass im Kontaktbereich der beiden Werkstücke wenigstens eines der Werkstücke derart geformt wird, dass zusätzlich eine formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Werkstücken hergestellt wird. Bei diesen Schweißverfahren wird wenigstens das den niedrigeren Schmelzpunkt aufweisende Werkstück zeitweise zumindest bereichsweise auf eine Temperatur oberhalb des niedrigeren Schmelzpunktes erwärmt wird und die beiden Werkstücke in Kontakt miteinander gebracht werden
-
Der wesentliche Gedanke der Erfindung beruht somit darin, zusätzlich zu der bei Hybrid-Nähten üblicherweise vorgesehenen stoffschlüssigen Verbindung zwischen unterschiedlichen Werkstoffen eine formschlüssige Verbindung zwischen den zu verbindenden Werkstücken vorzusehen. Auf diese Weise wird die Nahtfestigkeit erhöht und ein Lösen der Verbindung zuverlässig erschwert.
-
Um eine entsprechende zusätzliche formschlüssige Verbindung zwischen Werkstücken, die unterschiedliche Werkstoffe aufweisen, auszubilden, sind verschiedene technische Ausführungsformen denkbar, die jeweils alternativ oder sich ergänzend eingesetzt werden können. In einer bevorzugten Ausführungsform verfügt wenigstens eines der Werkstücke über eine Umformung oder Prägung, die im Kontaktbereich mit dem anderen Werkstück die Ausbildung einer formschlüssigen Verbindung ermöglicht.
-
Alternativ oder in Ergänzung hierzu ist es ferner denkbar, in dem jeweils anderen Werkstück entsprechende Gegenkonturen, beispielsweise in Form von Ausnehmungen und/oder Bohrungen vorzusehen. Eine ganz spezielle Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht in diesem Zusammenhang vor, dass ein Stahlblech bzw. eine Stahlplatine in dem mit einem Aluminiumbauteil zu verbindenden Kontaktbereich über geeignete Umformungen wie etwa gebogene Bereiche, Nuten, Prägungen und oder Ausnehmungen verfügt, in die nach Fertigstellung der Verbindung das Aluminiumwerkstück über eine geeignete Gegenkontur formschlüssig eingreift. Eine ganz spezielle Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kontur sowie die Gegenkontur der beiden Werkstücke in einem Arbeitsgang, vorzugsweise nahezu gleichzeitig in beide Werkstücke, eingebracht werden.
-
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden somit einerseits im Kontaktbereich zumindest zweier Werkstücke Mittel hergestellt, die eine formschlüssige Verbindung der Werkstücke ermöglichen, andererseits wird mittels einer thermischen Behandlung des Werkstücks, das einen Werkstoff mit niedrigerem Schmelzpunkt, insbesondere ein Leichtmetall, aufweist, eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den zu verbindenden Werkstücken erzeugt. Vorzugsweise wird das zu erwärmende Werkstück vornehmlich in dem für einen Kontakt mit dem anderen Werkstück vorgesehenen Bereich über die Schmelzpunkttemperatur erwärmt.
-
Neben dem zuvor beschriebenen Verfahren und den dazugehörigen speziellen Ausführungsformen betrifft die Erfindung außerdem eine Verbindung zwischen zwei Werkstücken, die Werkstoffe unterschiedlicher Schmelzpunkttemperatur aufweisen, die sich vor allem dadurch auszeichnet, dass sowohl eine stoffschlüssige als auch eine formschlüssige Verbindung zwischen den Werkstücken vorgesehen ist.
-
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 Verbindung zwischen einem Stahlblech und einem Aluminiumwerkstück mit Ausnehmungen innerhalb des Stahlblechs;
-
2 Verbindung zwischen einem Stahlblech und einem Aluminiumwerkstück mit einer eingewalzten Nut im Stahlblech;
-
3 Verbindung zwischen einem Stahlblech und einem Aluminiumwerkstück mit einer Einprägung im Stahlblech;
-
4 Verbindung zwischen einem Stahlblech und einem Aluminiumbauteil mit einem Hohlschliff in der Stahlblechkante sowie
-
5 Verbindung zwischen einem Stahlblech und einem Aluminiumbauteil aus dem Stand der Technik.
-
In 5 sind zwei Varianten von Hybrid-Nähten 3, also Verbindungen zwischen Werkstücken aus unterschiedlichen Werkstoffen, hier einem Stahlblech 1 und einem Aluminiumwerkstück 2, dargestellt, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Wesentlich an der gezeigten technischen Lösung ist vor allem, dass die Verbindung zwischen den beiden Werkstücken 1, 2 mit Hilfe einer formschlüssigen Verbindung, die durch gezielte Erwärmung des Aluminiumwerkstücks hergestellt wird, erzeugt wird. 5a zeigt in diesem Zusammenhang ein Stahlblech 1, das mit einem Aluminiumwerkstück 2 verfügt worden ist.
-
Zur Erzeugung der dargestellten Verbindung ist das Aluminiumblech 2 in dem für die Befestigung des Stahlblechs 1 vorgesehenen Kantenbereich 5 über die Schmelzpunkttemperatur des Aluminiums erwärmt und das Stahlblech 1 mit dem Aluminiumblech 2 in Kontakt gebracht worden. Das in 5a dargestellte Stahlblech 1 verfügt in seinem Kantenbereich 4 über eine einfache Stoßkante.
-
In Ergänzung zu der zuvor beschriebenen Lösung zeigt 5b eine weitere aus dem Stand der Technik bekannte Möglichkeit, eine Hybridnaht 3 zwischen zwei Werkstücken 1, 2 zu erzeugen. Wesentlich hierbei ist, dass die Kante 4 des Stahlblechs 1 in Form einer Spitze ausgeführt ist. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass der Kontaktbereich zwischen dem zumindest zeitweise geschmolzenen Aluminium- 2 und dem Stahlblech 1 gegenüber der in 5a dargestellten Variante vergrößert und somit eine erhöhte Nahtfestigkeit erzielt wird.
-
Die in den 1 bis 4 jeweils in einer Schnitt- und einer Draufsicht dargestellten Verbindungen 3 zwischen einem Stahlblech 1 und einem Aluminiumwerkstück 2 zeichnen sich gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten und in den 5a und 5b dargestellten Verbindungsvarianten dadurch aus, dass zusätzlich zur stoffschlüssigen Verbindung 6 zwischen den beiden Bauteilen eine formschlüssige Verbindung 7 erzeugt wird. Bei der in 1 dargestellten Variante wird in ein Stahlblech 1 im späteren Kontaktbereich mit dem Aluminiumwerkstück 2 wenigstens eine, vorzugsweise eine Vielzahl von Ausnehmungen 8, insbesondere Bohrungen, eingebracht. Zur Herstellung einer Hybridnaht 3 zwischen dem Stahlblech 1 und dem Aluminiumwerkstück 2 wird das Aluminiumwerkstück 2 nunmehr zumindest im späteren Kontaktbereich auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von Aluminium erwärmt und mit dem Stahlblech in Verbindung gebracht. Durch das Vorsehen von Ausnehmungen 8, insbesondere Löchern innerhalb des Stahlblechs 1, läuft das flüssige oder zumindest zähflüssige Aluminium auch in die Ausnehmungen 8, so dass schließlich ein Kontaktbereich zwischen Aluminiumwerkstück 2 und Stahlblech 1 sowohl ober- und unterhalb des Stahlblechs 1 als auch innerhalb der Ausnehmungen 8 gebildet wird. Mit dem beschriebenen Verfahren wird einerseits eine stoffschlüssige Verbindung 6 zwischen Stahl und Aluminium erzeugt, andererseits wird ein Formschluss 7 durch das Eingreifen des Aluminiums in die Bohrungen 8 des Stahlblechs 1 verwirklicht. Die Nahtfestigkeit einer derart ausgebildeten Hybridnaht 3 wird somit gegenüber einer Verbindung, die ausschließlich auf einer stoffschlüssigen Verbindung 6 beruht, deutlich erhöht.
-
2 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei wird zunächst in dem Randbereich des Stahlblechs 1, der für eine Verbindung mit einem Aluminiumwerkstück 2 vorgesehen ist, eine Nut 9 eingewalzt. In diesem Zusammenhang ist es grundsätzlich möglich, eine geeignete Nut 9 auf einer oder auf beiden Seiten des Stahlblechs 1 vorzusehen.
-
Wird nunmehr das für die Verbindung mit dem Stahlblech 1 vorgesehene Aluminiumwerkstück 2 im Kontaktbereich über die Schmelztemperatur des Aluminiums erwärmt und mit dem Stahlblech 1 in seinem Randbereich in Kontakt gebracht, so läuft das flüssige oder zumindest zähflüssige Aluminium in die Nuten, so dass wiederum sowohl eine stoffschlüssige Verbindung 6 zwischen Aluminium und Stahl als auch eine formschlüssige Verbindung 7 zwischen dem Stahlblech 1 und dem Aluminiumwerkstück 2 erzeugt wird.
-
3 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei dieser technischen Lösung wird in den Randbereich des für die Verbindung vorgesehenen Stahlblechs 1 eine Einprägung 10 eingebracht. Auch in diesem Fall ist es grundsätzlich denkbar, eine geeignete Einprägung 10 entweder auf einer Seite des Stahlblechs 1 oder auf beiden Seiten vorzusehen. Wird das Stahlblech 1 mit den darin vorgesehenen Einprägungen mit einem Aluminiumwerkstück 2, dessen Kontaktbereich über die Schmelztemperatur von Aluminium erwärmt worden ist in Kontakt gebracht, so läuft das erwärmte und flüssige Aluminium in die Einprägungen 10 des Stahlblechs 1 hinein, so dass zusätzlich zur stoffflüssigen Verbindung 6 zwischen Stahl und Aluminium eine formschlüssige Verbindung 7 mit Hilfe der Einprägungen 10 und der entsprechenden Gegenkontur im Aluminiumwerkstück 2 erzeugt wird.
-
Abschließend zeigt 4 eine weitere Ausführung eines Stahlblechs 1, das für eine Verbindung mit einem Aluminiumwerkstück 2 vorgesehen ist. Bei der in 4 dargestellten technischen Lösung wird zunächst in die Kante 5 des Stahlblechs 1 ein Hohlschliff 11 eingebracht, der schließlich mit dem über die Schmelzpunkttemperatur des Aluminiums erwärmten und somit flüssigen oder zumindest zähflüssigen Aluminium gefüllt wird. Auch in diesem Fall wird durch die zusätzliche Konturierung des Stahlblechs 1 mittels eines Hohlschliffs 11 in seinem Kantenbereich 5 zusätzlich zum Stoffschluss 6 eine verbesserte Festigkeit aufgrund eines zusätzlichen Formschlusses 7, zumindest vertikal zur Stahlblechebene erreicht.
-
Mit den zuvor erläuterten Herstellungsverfahren sowie den auf diese Weise hergestellten Verbindungen 3, bei denen es sich um so genannte Hybridnähte handelt, wird somit gegenüber den bekannten vergleichbaren Verbindungen eine erhöhte Nahtfestigkeit erreicht. Diese erhöhte Nahtfestigkeit wird durch die erfindungsgemäße Kombination einer stoffschlüssigen mit einer formschlüssigen Verbindung 6, 7 erzielt.
