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Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement zum Verbinden von Bauteilen aus unterschiedlichen Metallwerkstoffen wie Aluminium und Stahl. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilen aus unterschiedlichen Metallwerkstoffen mit diesem Verbindungselement und den damit erhältlichen Bauteilverbund.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, im Zuge der Leichtbaustrategie im Automobilbau Stahlbauteile weitgehend durch Aluminiumbauteile zu ersetzen. Tragende Bauteile allerdings, die hohen mechanischen Anforderungen genügen müssen, werden nach wie vor aus Stahl gefertigt. Hierbei entsteht das Problem, Bauteile aus Aluminium und Stahl miteinander zu fügen. Herkömmliche Schmelzschweißprozesse können nicht eingesetzt werden, da beim Schmelzschweißen von Aluminium und Stahl spröde intermetallische Phasen an der Grenzfläche zwischen den Bauteilen entstehen, die die mechanischen Eigenschaften der Verbindung beeinträchtigen.
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Verschiedene Ansätze zur Verbindung von Bauteilen aus unterschiedlichen Metallen umfassen daher mechanische Fügetechniken wie Verstemmen oder die Verwendung von Nieten oder Stiften sowie Sprengschweißen und Kleben. Zunehmend findet Reibrührschweißen beim Verbinden von Platten aus unterschiedlichen Metallen Anwendung.
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So beschreibt beispielsweise
EP 1 884 308 B1 ein Verfahren zum Verbinden einer Aluminiumplatte mit einer Stahlplatte mittels eines Reibrührschweißvorgangs. Mittels eines bestimmten Reibrührwerkzeugs wird die Bildung eines Lochs an der Schweißstelle infolge des eindringenden Stifts vermieden und damit auch die Gefahr von Kontaktkorrosion unterbunden.
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Ein Verfahren zum Verbinden eines Aluminiumbauteils mit einem Stahlbauteil mittels Widerstandsschweißen, Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen oder Bogenschweißen ist in
EP 1 806 200 A1 offenbart. Dabei wird eine Zinkschicht auf der Verbindungsseite des Aluminiumblechs und/oder des Stahlblechs gebildet und diese mit der dazwischen gesandwichten Zinkschicht überlappend angeordnet. Beim Punktschweißen entsteht dann eine intermetallische Schweißlinse aus dem in das Aluminiumblech diffundierten geschmolzenen Zinks.
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Die genannten Verfahren eignen sich vorwiegend zum Verbinden von plattenförmigen Bauteilen; die Schweißstellen sind damit gut zugänglich. Es ist nicht möglich, ein Hohlprofil aus einem ersten Metall, beispielsweise Stahl, mit einer flächigen Struktur, wie etwa einer Aluminiumstruktur, zu verbinden, wie dies beispielsweise bei einer Türstruktur aus Aluminium mit einem Seitenaufprallträger aus Stahl der Fall ist.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Verbindung von Metallbauteilen, die sich nicht nur hinsichtlich des Metalls sondern auch hinsichtlich der dreidimensionalen Formgebung unterscheiden, kostengünstig und effektiv mit optimaler Krafteinleitung zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verbindungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Aufgabe, ein kostengünstig fertigbares Hybridbauteil mit optimaler Krafteinleitung bereitzustellen, wird durch einen Bauteilverbund mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
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Eine weitere Aufgabe, Bauteile aus unterschiedlichen Metallwerkstoffen kostengünstig und ohne kalte Fügetechniken im Rohbau zu verbinden, wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
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Weiterbildungen der Gegenstände und des Verfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
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Um ein Bauteil aus einem ersten Metallwerkstoff mit einem zweiten Bauteil aus einem anderen, sich von dem ersten unterscheidenden Metallwerkstoff zu verbinden, weist ein erfindungsgemäßes Verbindungselement mehrere Abschnitte auf, die aus den unterschiedlichen Metallwerkstoffen bestehen. Dabei sind der oder die Abschnitt(e) aus dem ersten Metallwerkstoff mit dem oder den Abschnitt(en) aus dem zweiten Metallwerkstoff miteinander verbunden, während das Verbindungselement derart geformt ist, dass es die in einer Fügeanordnung angeordneten Bauteile an der Fügestelle zumindest teilweise überdeckt. Die Abschnitte des Verbindungselements aus den unterschiedlichen Metallwerkstoffen sind dabei so dimensioniert, dass der oder die Abschnitt(e) aus dem ersten Metallwerkstoff in der Fügeanordnung an dem Bauteil aus dem gleichen Metallwerkstoff und der oder die Abschnitte aus dem anderen Metallwerkstoff in der Fügeanordnung an dem zweiten Bauteil zur Anlage kommen. Über das erfindungsgemäße Verbindungselement können Bauteile aus unterschiedlichen Metallwerkstoffen mit herkömmlichen Fügetechnologien verbunden werden, indem jeweils das Bauteil und der werkstoffgleiche Abschnitt des Verbindungselements miteinander gefügt werden, beispielsweise durch konventionelles Schmelzschweißen.
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Das Verbindungselement kann dabei so dimensioniert sein, dass es die gesamte Länge einer Fügelinie zwischen den Bauteilen überdeckt; es können aber auch Verbindungselemente vorgesehen sein, die lediglich einen Abschnitt der Fügelinie überdecken, so dass zum Fügen zweier Bauteile mehrere Verbindungselemente eingesetzt werden können.
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Ferner kann das erfindungsgemäße Verbindungselement in einer Weiterbildung derart ausgeführt werden, um drei oder auch mehr Bauteile aus unterschiedlichen Metallwerkstoffen miteinander zu verbinden, indem es die entsprechenden werkstoffgleichen, formtreuen Abschnitte aufweist. So können auch mehr als zwei Bauteile, die aus zwei oder mehr unterschiedlichen Metallwerkstoffen bestehen, durch ein erfindungsgemäßes Verbindungselement miteinander verbunden werden.
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Bei den unterschiedlichen Metallwerkstoffen kann es sich in erster Linie um Aluminium- und Stahlwerkstoffe handeln. Es sind aber auch andere Kombinationen, beispielsweise mit einem Magnesiumwerkstoff, denkbar.
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Die Abschnitte des Verbindungselements sind untrennbar miteinander verbunden, vorzugsweise verschweißt, verlötet oder durch Schweißlöten, d. h. Schweißen mit Zusatzwerkstoff; stoffschlüssig verbunden; können aber gegebenenfalls auch durch andere Fügetechniken unter Einwirkung von Druck und/oder Temperatur bzw. nachfolgender Wärmebehandlung (z. B. Diffusionsglühen) miteinander verbunden sein. Die Verbindungsstelle zwischen zwei benachbarten Abschnitten liegt vorzugsweise in einem nicht geformten Bereich des Verbindungselements und ist damit bei der Herstellung des Verbindungselements keinem Verformungsvorgang ausgesetzt.
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In einer Ausführungsform des Verbindungselements, das zum Verbinden eines Flächenbauteils aus einem ersten Metallwerkstoff mit einem länglichen Hohlprofilbauteil aus einem anderen Metallwerkstoff vorgesehen ist, weist das Verbindungselement ein hutartiges Querschnittsprofil auf, bei dem im Wesentlichen die „Hutkrempe” durch zwei Abschnitte aus dem ersten Metallwerkstoff zur Anlage an dem Flächenbauteil gebildet wird, wobei der zweite Abschnitt aus dem anderen Metallwerkstoff zur Anlage an dem Hohlprofilbauteil korrespondierend dazu u-förmig ausgebildet ist. Die Fügebereiche zwischen den Abschnitten können sowohl innerhalb des unverformten Bereichs der „Hutkrempe” oder innerhalb eines unverformten Seitenschenkels des u-förmigen Abschnitts liegen.
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Ein erfindungsgemäßer Bauteilverbund lässt sich durch Verwendung herkömmlicher Fügetechniken kostengünstig herstellen und weist eine optimale Krafteinleitung und Belastungsrichtung zwischen den verbundenen Bauteilen aus unterschiedlichen Metallwerkstoffen auf. Die Verbindung der Bauteile in einer Fügeanordnung wird durch ein erfindungsgemäßes Verbindungselement bereitgestellt, indem das Bauteil aus dem ersten Metallwerkstoff mit dem oder den werkstoffgleichen Abschnitt(en) und entsprechend das zweite Bauteil aus dem anderen Metallwerkstoff mit dem oder den korrespondierenden Abschnitt(en) des Verbindungselements verbunden sind.
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Die Bauteile können vorteilhaft mit den jeweils werkstoffgleichen Abschnitten des Verbindungselements durch Schmelzschweißen verbunden sein.
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So können auch Hybridstrukturen bzw. Bauteilverbünde geschaffen werden, bei denen nur ein Bauteil eine flächige Struktur ist, während das zweite Bauteil auch eine Profilstruktur aufweisen kann, wie beispielsweise eine Hohlprofilstruktur.
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Ein erfindungsgemäßer Bauteilverbund kann etwa aus einer flächigen Kraftfahrzeug-Türstruktur aus einem Aluminiumwerkstoff, dem ersten Bauteil, und einem Seitenaufprallträger aus einem Stahlwerkstoff, dem zweiten Bauteil, die über ein oder mehrere erfindungsgemäße Verbindungselemente verbunden sind, bestehen.
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Um ein Bauteil aus einem ersten Metallwerkstoff mit einem zweiten Bauteil aus einem zweiten, sich von dem ersten Metallwerkstoff unterscheidenden Metallwerkstoff zu verbinden, umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren die Schritte:
- – Festlegen einer Fügeanordnung des ersten Bauteils mit dem zweiten Bauteil,
- – Herstellen zumindest eines Verbindungselements mit zumindest einem ersten Abschnitt aus dem ersten Metallwerkstoff und zumindest einem zweiten Abschnitt aus dem zweiten Metallwerkstoff,
- – dabei Verbinden der Abschnitte und Formen des Verbindungselements derart, dass das Verbindungselement das erste Bauteil und das zweite Bauteil in der Fügeanordnung an der Fügelinie zumindest teilweise überdeckt,
- – Anordnen des zumindest einen Verbindungselements an den Bauteilen, die in der Fügeanordnung angeordnet sind, wobei der zumindest eine erste Abschnitt an dem ersten Bauteil und der zumindest eine zweite Abschnitt an dem zweiten Bauteil zur Anlage kommen,
- – Verschweißen des zumindest einen ersten Abschnitts mit dem ersten Bauteil und des zumindest einen zweiten Abschnitts mit dem zweiten Bauteil.
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Dabei kann bei der Herstellung des Verbindungselements das Verbinden der Abschnitte miteinander durch Verschweißen, bevorzugt durch Laserschweißen ohne Überlappung der Abschnitte im Stumpfstoß, oder unter Verwendung eines Zusatzwerkstoffs durch Lösten oder Schweißlöten erfolgen. Gegebenenfalls können aber auch andere Schweißverfahren, z. B. Reibrührschweißen eingesetzt werden. Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Verbindungsstellen benachbarter Abschnitte in Bereichen liegen, die beim Formen des Verbindungselements in Formtreue zu den Bauteilen im Fügebereich, beispielsweise durch Tiefziehen, nicht verformt werden.
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So gestattet die Erfindung mit den Verbindungselementen eine kostengünstige Verbindung von Al- und Stahlstrukturen, die zudem eine optimale Krafteinleitung und Belastungsrichtung des Hybridbauteils bereitstellt. Mit Verwendung des Schmelzschweißens zum Fügen der Bauteile mit dem Verbindungselement sind keine kalten Fügetechniken im Rohbau erforderlich.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
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1 eine Querschnittansicht durch einen Bauteilverbund aus einem Al-Flächenbauteil und einem Stahl-Hohlprofil, die über ein erfindungsgemäßes Verbindungselement miteinander verbunden sind,
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2 eine Querschnittansicht durch einen weiteren Bauteilverbund aus einem Al-Flächenbauteil und einem Stahl-Hohlprofil, die über ein erfindungsgemäßes Verbindungselement miteinander verbunden sind.
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1 und 2 zeigen einen Ausschnitt aus einem Bauteilverbund bzw. Hybridbauteil, bei dem ein flächiges Aluminiumbauteil 1 mit einem Stahlprofil 2 über ein erfindungsgemäßes Verbindungselement 3 verbunden ist.
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Um das gefügte Hybridbauteil zu erhalten, wird zunächst eine Fügeanordnung der Bauteile 1, 2 festgelegt, aus der sich eine Fügelinie zwischen den Bauteilen bzw. ein Fügebereich um diese Fügelinie ergibt. Die Bauteile in der Fügeanordnung geben die Form des Verbindungselements 3 vor, das die Fügelinie überbrücken soll. In dem in 1 und 2 dargestellten Beispielen umgibt das Verbindungselement 3 mit dem hutförmigen Querschnittsprofil das Stahlprofil 2 und liegt mit der Hutkrempe an der Al-Struktur 1 an.
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Anders als in 1 und 2 dargestellt, sind zum Fügen eines flächigen Bauteils mit einer länglichen Profilstruktur auch zwei gewinkelte Verbindungselemente denkbar, die mit einem Schenkel an dem flächigen Bauteil und mit dem anderen Schenkel an dem Profil anliegen.
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Um das Verbindungselement jeweils mit den Bauteilen einfach verschweißen zu können, wird das Verbindungselement an den entsprechenden Abschnitten, mit denen sie an dem jeweiligen Bauteil anliegen, aus dem gleichen Metallwerkstoff wie dem des anliegenden Bauteils ausgeführt.
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Nach dem Anlegen des Verbindungselements an den in der Fügeanordnung vorliegenden Bauteilen kann über Schmelzschweißen an den jeweiligen Abschnitten eine feste Verbindung mit den Bauteilen herstellt werden, da jeweils immer gleiche Werkstoffe miteinander verbunden werden.
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In 1 und 2 bestehen die „Hutkrempen-”Abschnitte 3a, die an der Al-Struktur 1 anliegen, entsprechend aus Al, so dass zum Schweißen eine herkömmliche Schmelzschweißtechnik eingesetzt und entsprechende Schweißparameter einfach gewählt werden können und an der mit Bezugszeichen 5 versehenen Stelle eine reine Aluminiumschweißverbindung entsteht. Der Abschnitt 3b besteht korrespondierend zu dem Stahlwerkstoff des Profils 2 aus Stahl. Die Verbindung durch (Schmelz-)Schweißen kann an der mit 4 indizierten Stelle erfolgen, alternativ oder zusätzlich kann auch noch an den Stellen 4' geschweißt werden.
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Bei dem Verbindungselement handelt es sich also quasi um eine so genannte „Tailored Blank” (maßgeschneiderte Platine) aus unterschiedlichen Werkstoffen (Hybrid Blanks®), wie sie von ThyssenKrupp Tailored Blanks GmbH, Duisburg, Deutschland, entwickelt wurden. Bei den Tailored Blanks handelt es sich um Halbzeuge, die durch Tiefziehen zum gewünschten Bauteil umgeformt werden. Für die Hybrid Blanks aus unterschiedlichen Werkstoffen werden unterschiedliche Blechplatinen durch Walzplattieren oder als Stumpfstoß mittels Laserschweißen gefügt. Um im Fügebereich der Platinen rissempfindliche intermetallische Phasen zu vermeiden und somit Tiefziehen der Hybridbleche zu ermöglichen, werden Hybrid Blanks durch breitendes Walzen und eine Aktivierung der Oberfläche durch Laserstrahlung verbunden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verbindungselement 3 hingegen kann das Verbinden der Abschnitte 3a, 3b bei der Fertigung des Verbindungselements auch durch Schweißtechniken wie Reibrührschweißen oder Laserschweißen sowie durch Löten oder Schweißlöten erfolgen, da die Verbindungsstelle 3c zwischen den Abschnitten 3a, 3b in einem nicht verformten Bereich vorgesehen ist. In 1 liegt die Verbindungsstelle 3c in der „Hutkrempe” des Verbindungselements 3, d. h. der Abschnitt 3b aus Stahl erstreckt sich bis zur Verbindungsstelle 3c ein Stück weit in die „Hutkrempe” und liegt an dem Flächenbauteil 1 aus Aluminium an. In 2 liegt die Verbindungsstelle 3c in den Seitenschenkeln des u-förmigen profilierten Abschnitts, so dass die Al-Abschnitte 3a, die sich von der „Hutkrempe” bis zu der Verbindungsstelle 3c erstrecken, auch teilweise an dem Stahlprofil 2 anliegen. Ferner ist eine Kombination beider Varianten nicht ausgeschlossen, d. h. eine Fügestelle liegt in der Hutkrempe, die andere in dem Seitenschenkel des U-Profilabschnitts.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1884308 B1 [0004]
- EP 1806200 A1 [0005]
