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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schweißverfahren zum Verbinden von Bauteilen, bei dem eine nicht sichtbare Schweißverbindung erzeugt wird.
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Beim Verbindungsschweißen werden zwei Werkstücke nicht lösbar miteinander verbunden. Dabei wird üblicherweise an einer Verbindungsstelle der zu verbindenden Werkstücke zumindest kurzzeitig eine Temperatur erzeugt, die höher als eine Schmelztemperatur der beiden Werkstücke ist, sodass sich die beiden zu verbindenden Werkstücke in ihrer flüssigen Phase verbinden. Die dafür notwendige Temperatur kann auf unterschiedlichste Weise erzeugt werden. Oft wird zwischen den Werkstücken und einer Elektrode ein Lichtbogen erzeugt, der durch seine hohe Temperatur die Werkstücke erhitzt und zum Schmelzen bringt. Beim Pressschweißverfahren hingegen entsteht kein Lichtbogen, sondern die Werkstücke werden durch Widerstandserwärmung verflüssigt. Ein solches Pressschweißverfahren ist bspw. das Widerstandsschweißverfahren. Bei dem Widerstandsschweißverfahren werden die Werkstoffe von einem Strom durchflossen. Durch den Stromfluss werden die Werkstücke, also die Verbindungspartner, bis zum Erreichen der Schweißtemperatur erhitzt und an der Berührungsstelle unter der Wirkung einer Kraft durch Erstarren von Schmelze, durch Diffusion oder auch in fester Phase verschweißt. Eine dazu notwendige Energiedichte wird dabei durch die Elektrodenfläche der Elektroden, die sich auf beiden Seiten des Werkstücks befinden, bestimmt. Eine weitere Form des Widerstandsschweißens ist das Widerstandsbuckelschweißen. Hierbei wird die Energiedichte nicht durch zwei punktförmige Elektroden bestimmt, sondern bedingt sich durch die Bauform der Werkstücke. Beim Widerstandsbuckelschweißen werden in mindestens einem Werkstück Erhebungen eingeprägt, an denen die beiden Werkstücke später dann unter Kraft- und Stromeinwirkung miteinander verbunden werden. Auf beiden Seiten der aufeinanderliegenden Werkstücke werden Elektroden angelegt, die den Strom in die Werkstücke einleiten. An der eingeprägten Erhebung befindet sich durch die Form der Erhebung dergrößte Widerstand, sodass sich dort das Werkstück bis auf eine, Schmelztemperatur erhitzen kann, während sich die übrigen Bereiche des Werkstücks weniger stark erhitzen. Unter zusätzlicher Krafteinwirkung, die meist über die Elektroden erfolgt, werden die Werkstücke miteinander verbunden. Durch die Erhitzung formen sich die Erhebungen weitestgehend zurück und bilden eine sogenannte Linse. An dem einen Fügepartner, in welchem der Buckel zuvor eingeprägt worden ist, verbleibt nach dem. Schweißvorgang zumeist eine sichtbare Oberflächenverformung..
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Die Druckschrift
CH 645563 A5 beschreibt ein Verfahren zum Buckelschweißen von Blechen oder anderen dünnwandigen Teilen aus Leichtmetall, insbesondere Aluminium, wobei mindestens eines der miteinander zu verbindenden Teile aus Aluminium mit einem Ring- oder Ringsickenbuckel versehen ist. Die Flanken dieser Buckel sind derart ausgebildet, dass diese eine Festigkeit aufweisen, die der minimal notwendigen Elektrodenkraft vor dem Einschalten des Stromes im-Wesentlichen standhält.
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Die Druckschrift
EP 1 974 847 A2 beschreibt ein Widerstandsschweißverfahren, bei dem mindestens drei Metallbleche übereinander gelegt- werden, wobei zwei Bleche aus dem gleichen Material sind und das dritte aus einem davon unterschiedlichen Material ist. Eine Grenzfläche wird dabei von den zwei Blechen aus dem gleichen Material gebildet und eine Grenzfläche von den unterschiedlichen Materialien. Ein Verfahrensschritt umfasst dabei das Aufrauen einer Fläche, die die. Grenzfläche der unterschiedlichen Materialien bildet.
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Ebenso beschreibt die Druckschrift
CN 103357999 A ein Widerstandsschweißverfahren, bei dem eine Oberfläche der Schweißverbindung aufgeraut wird.
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Bei den Verfahren des Stands der Technik werden von einer Seite mindestens eines Werkstücks Vertiefungen eingeprägt, die auf der entsprechend anderen Seite des Werkstücks als Erhebungen hervortreten. Somit werden beide Seiten des Werkstücks verformt.
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Es besteht daher Bedarf, ein Verfahren zum Widerstandsbuckelschweißen zu entwickeln, bei dem eine Oberfläche unverformt bleibt. Dies wird durch ein Verfahren gemäß der Merkmale des Anspruchs 1 realisiert.
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Bei dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren zum Verbinden mindestens eines ersten Bauteils mit mindestens einem zweiten Bauteil, wobei das mindestens eine erste Bauteil und das mindestens eine zweite Bauteil jeweils aus einem der Materialien Aluminium, Stahl, Titan, Magnesium oder einer Legierung der zuvor genannten Metalle hergestellt sind, wird mindestens eine wallartige Materialanhäufung auf einer Oberfläche von mindestens einem des mindestens einen ersten Bauteils und des mindestens einen zweiten Bauteils ausgebildet, die beim Verbinden des mindestens einen ersten Bauteils mit dem mindestens einen zweiten Bauteil dem entsprechend mindestens einen anderen Bauteil zugewandt ist.
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Die wallartige Materialanhäufung bildet demnach eine Erhebung auf einer Oberfläche des Bauteils, während die andere Oberfläche des Bauteils unverformt bleibt. Die Oberfläche mit der wallartigen Materialanhäufung ist dem zweiten Bauteil, mit dem es verbunden werden soll, zugewandt. Von der wallartigen Materialanhäufung fällt dabei nach links und rechts jeweils eine Flanke ab, wobei sich an die linke abfallende Flanke ein Abschnitt unbearbeiteten Materials anschließt, und wobei sich an die, rechte abfallende Flanke eine Vertiefung anschließt, aus der Material für die wallartige Materialanhäufung abgetragen wird bzw. wurde.
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Das Ausbilden der mindestens einen Materialanhäufung erfolgt dabei durch mechanisches Bearbeiten. Beispielsweise kann ein Meißel verwendet werden, und durch Schaben, Stemmen oder Drücken eine wallartige Materialanhäufung erzeugt werden. Alternativ kann die mindestens eine Materialanhäufung auch mit einem mechanischen Walzenwerkzeug erzeugt werden.
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Zum Verbinden werden das erste Bauteil und das zweite Bauteil zwischen zwei Flächenschweißelektroden angeordnet. Über die Flächenschweißelektroden wird Strom in die Bauteile eingeleitet, der an einer Spitze ,der mindestens einen wallartigen Materialanhäufung die größte Stromdichte bildet. An der Spitze der mindestens einen wallartigen. Materialanhäufung erhitzt sich. das Bauteil so stark, dass eine lokale Temperatur die Schmelztemperatur des Materials übersteigt:
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Die Flächenschweißelektroden drücken das erste Bauteil und das zweite Bauteil aufeinander, sodass die Bauteile sich verbinden und sich die mindestens eine wallartige Materialanhäufung zurückbildet.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass jeweils mindestens eine wallartige Materialanhäufung an dem ersten und an dem zweiten Bauteil ausgebildet ist. Allgemein kann über die Anzahl der ausgebildeten wallartigen Materialanhäufungen die Festigkeit der Schweißverbindung eingestellt werden. Mehr wallartige Materialanhäufungen auf einer Fläche bedeuten eine höhere Festigkeit der Schweißverbindung.
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Grundsätzlich ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Verfahren für mindestens ein aus Aluminium hergestelltes erstes und ein aus Aluminium hergestelltes zweites Bauteil anwendbar ist. Es ist aber auch vorstellbar, dass das mindestens eine erste und das mindestens eine zweite Bauteil aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind. Beispielsweise könnte ein Bauteil auch aus Stahl hergestellt sein, während das andere Bauteil aus Aluminium hergestellt ist. Andere vorstellbare Materialien sind beispielsweise Titan oder Magnesium. Des Weiteren wird verstanden, dass auch Legierungen der zuvor genannten Metalle im Rahmen dieser Offenbarung einbezogen sind.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Verfahren zum einseitigen Modellieren von Blechoberflächen, beispielsweise von Aluminiumblechoberflächen dient, mit dem Ziel eine unsichtbare Buckelschweißverbindung zu erzeugen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegeben Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung schematisch und ausführlich beschrieben.
- 1a zeigt ein Bauteil nach dem mechanischen Bearbeiten mit einem Meißel.
- 1b zeigt ein Bauteil nach dem mechanischen Bearbeiten mit einem Walzenwerkzeug
- 2 zeigt eine erste beispielhafte Anordnung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem mechanisch bearbeiteten Bauteil.
- 3 zeigt eine zweite beispielhafte Anordnung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zwei mechanisch bearbeiteten Bauteilen.
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Unter Bezugnahme auf die 1a und 1b wird ein Bauteil 12,wie es nach dem mechanischen Bearbeiten vorliegt, beschrieben. In 1a ist dargestellt, wie das Bauteil 12 beispielsweise mit einem Meißel 24 bearbeitet werden könnte. Eine mögliche Bearbeitungsrichtung ist in der 1a mit einem nach links weisenden Pfeil 32 dargestellt. Durch beispielsweise Schaben, Stemmen oder Drücken wird Material abgetragen und lagert sich als wallartige Materialanhäufung 20 an einem Ende eines bearbeiteten Bereichs an. Von der wallartigen Materialanhäufung 20 fällt nach links und rechts jeweils eine Flanke ab. An die linke abfallende Flanke schließt sich ein Abschnitt unbearbeiteten Materials an. An die rechte abfallende Flanke schließt sich eine Vertiefung 18 an, aus der das Material für die wallartige Materialanhäufung 20 abgetragen wurde. Im weiteren schließt sich an die Vertiefung ein Abschnitt unbearbeiteten Materials an.
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In 1b ist dargestellt, wie das Bauteil 12 beispielsweise mit einem walzenartigen Werkzeug 26 bearbeitet werden könnte. Eine mögliche Bearbeitungsrichtung ist in der 1b mit einem nach rechts weisenden, Pfeil 34 dargestellt. Eine Rotationsrichtung des walzenartigen Werkzeugs 26 ist mit einem im Uhrzeigersinn geschwungenen Pfeil 36 dargestellt. An dem walzenartigen Werkzeug 26 sind Bearbeitungselemente angebracht. In der 1b sind illustrativ nur drei solcher Bearbeitungselemente angebracht, jedoch ist für den Fachmann ersichtlich, dass diese Bearbeitungselemente in der Regel am gesamten Umfang des walzenartigen Werkzeugs 26 angebracht sind. Durch eine Rotation des walzenartigen Werkzeugs 26 wird von den Bearbeitungselementen Material abgetragen, was sich als wallartige Materialanhäufung 20 an einem Ende eines bearbeiteten Bereichs anlagert. Von der wallartigen Materialanhäufung 20 fällt nach links und rechts jeweils eine Flanke ab. An die linke abfallende Flanke schließt sich ein Abschnitt unbearbeiteten Materials an. An die rechte abfallende Flanke schließt sich eine Vertiefung 18 an, aus der das Material für die wallartige Materialanhäufung 20 abgetragen wurde. Im weiteren schließt sich an die Vertiefung ein Abschnitt unbearbeiteten Materials an.
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Mit den in 1a und 1b dargestellten und erläuterten Methoden, dient das erfindungsgemäße Verfahren ebenso zum einseitigen Modellieren von Blechoberflächen, beispielsweise von Aluminiumblechoberflächen, mit dem Ziel eine unsichtbare Buckelschweißverbindung zu erzeugen.
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Unter Bezugnahme auf 2 wird eine erste beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführlich beschrieben. Dargestellt ist eine beispielhafte Anordnung, wie sie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren angewandt werden kann. Das mindestens eine erste Bauteil 12 und das zweite Bauteil 14 sind zwischen zwei Flächenschweißelektroden 16, 17 angeordnet. Das erste Bauteil 12 ist auf einer Oberfläche mechanisch bearbeitet, wodurch auf dieser Oberfläche mindestens eine wallartige Materialanhäufung 20 ausgebildet ist. Die wallartigen Materialanhäufungen 20 werden auf einer Seite flankiert von einem Abschnitt unbearbeiteter Oberfläche. Auf der anderen Seite läuft die Flanke in eine Vertiefung 18, aus der das Material für die wallartige Materialanhäufung 20 entnommen wurde. Das zweite Bauteil 14 ist nicht bearbeitet. Die Flächenschweißelektroden 16, 17 können nach oben und unten verfahren werden, was durch die Pfeile 28, 30 angedeutet wird. Die Flächenschweißelektroden 16, 17 sind über eine Stromzufuhr 22, 23 mit einem Stromkreis verbunden.
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Erfindungsgemäß werden die Bauteile 12, 14 aufeinandergelegt und berühren sich an den wallartigen Materialanhäufungen 20. Durch die Flächenschweißelektroden 16, 17 wird ein Strom in die Bauteile 12, 14 geleitet. Aufgrund der wallartigen Materialanhäufungen 20 und dem Kontaktwiderstand zwischen den Bauteilen 12, 14, bildet sich an den wallartigen Materialanhäufungen 20 die größte Stromdichte aus und erhitzt die Bauteile 12, 14 lokal auf eine Temperatur, die größer als eine Schmelztemperatur der beiden Bauteile 12, 14 ist. Durch die Flächenschweißelektroden 16, 17 wird eine Kraft auf die beiden Bauteile 12, 14 ausgeübt. Dadurch verbinden sich die beiden Bauteile 12, 14 an den Stellen der wallartigen Materialanhäufung 20. Da das Bauteil 12 nur auf einer Oberfläche mechanisch bearbeitet wurde, und die andere Oberfläche unbearbeitet und unverformt bleibt, ist auf der unbearbeiteten Oberfläche auch kein sichtbares Anzeichen einer Schweißverbindung zu erkennen. Je mehr wallartige Materialanhäufungen 20 für die Schweißverbindung ausgebildet werden, desto fester wird die Verbindung.
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Unter Bezugnahme auf 3 wird eine zweite beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Das mindestens eine erste Bauteil 12 und das zweite Bauteil 14 sind zwischen zwei Flächenschweißelektroden 16, 17 angeordnet. Das erste Bauteil 12 ist auf einer Oberfläche mechanisch bearbeitet, wodurch auf dieser Oberfläche mindestens eine wallartige Materialanhäufung 20 ausgebildet ist. Die wallartigen Materialanhäufungen 20 werden auf einer Seite flankiert von einem Abschnitt unbearbeiteter Oberfläche. Auf der anderen Seite läuft die Flanke in eine Vertiefung 18, aus der das Material für die wallartige Materialanhäufung 20 entnommen wurde. Das zweite Bauteil 14 ist in dieser Ausführungsform wie das erste Bauteil 12 ebenfalls auf einer Oberfläche mechanisch bearbeitet und weist dort ebenfalls mindestens eine wallartige Materialanhäufung 20 auf. Die beiden Bauteile 12, 14 sind derart angeordnet, dass sich die zwei jeweils mechanisch bearbeiteten Oberflächen zwar gegenüber liegen, die wallartigen Materialanhäufungen 20 aber nicht aneinander grenzen, sondern zueinander versetzt sind.
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In einer weiteren Ausführungsform ist es vorstellbar, dass die Bearbeitungsrichtungen 32, 34 (1a, 1b) auf der Oberfläche der Bauteile 12 aus 1a und 1b, nicht parallel zueinander laufen, sondern in einem Winkel zueinander versetzt sind. Weiterhin kann der Abstand der Materialanhäufungen 20 auf dem zweiten Bauteil 14 z.B. ein anderer sein als auf dem ersten Bauteil 12. Damit ist sichergestellt, das eine Mehrzahl an Materialanhäufungen 20 nicht über der Vertiefung 18 liegen werden. Die Zuordnung ist dadurch chaotisch.
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Dadurch wird im Schweißbereich die Anzahl der Materialanhäufungen 20, also der Schweißpunkte, pro Fläche erhöht, mit denen eine Schweißverbindung hergestellt wird, und es entsteht eine höherwertige Verbindung. Je mehr wallartige Materialanhäufungen 20 ausgebildet werden, desto fester wird die Verbindung. Zusätzlich wird der Abstand zwischen den beiden Bauteilen 12, 14 am Beginn des erfindungsgemäßen Schweißens gering gehalten. Die Flächenschweißelektroden 16, 17 können nach oben und unten verfahren werden, was durch die Pfeile 28, 30 angedeutet wird. Die Flächenschweißelektroden 16, 17 sind über eine Stromzufuhr 22, 23 mit einem Stromkreis verbunden.
