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Die Erfindung betrifft Verfahren zum Fügen eines ersten metallischen Fügepartners mit einem zweiten metallischen Fügepartner mittels elektromagnetischen Pulsschweißens gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, eine zum Fügen eines ersten metallischen Fügepartners mit einem zweiten metallischen Fügepartner mittels elektromagnetischen Pulsschweißens gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 8 sowie ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
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Im Stand der Technik ist das sog. elektromagnetische Pulsschweißen, kurz EMP-Schweißen, bekannt, bei welchem ohne Wärmezufuhr ausschließlich durch Magnetumformen sowohl Werkstoffmischverbindungen als auch artgleiche Werkstoffe binnen etwa 25 µs miteinander verbunden werden können, indem einer der Fügepartner mittels eines Magnetfeldes berührungslos einen ausreichend starken Impuls erfährt und gegen den anderen Fügepartner prallt, so dass eine stoffschlüssige Verbindung entsteht. Beispielsweise können auf diese Weise Rohre, Bleche und Zylinder verschweißt werden. Das Magnetfeld wird dabei in der Regel durch eine Spule erzeugt, durch welche kurzfristig ein vergleichsweise sehr hoher Stromimpuls fließt. Als Fügepartner eignen sich bevorzugt metallische Materialen, die eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Da beim EMP-Schweißen nahezu kein Wärmeeintrag in die Fügepartner erfolgt, ist es auch möglich, Fügepartner aus Materialien mit stark unterschiedlichen Schmelzpunkten zu verbinden. Beispielsweise ist es bekannt, Verbindungen zwischen Blechen aus Aluminiumlegierungen und hochfesten Stählen herzustellen.
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In diesem Zusammenhang offenbart die
DE 10 2011 006 364 A9 ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil mittels elektrischen Pulsschweißens. Das erste Bauteil kann dabei z.B. aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet sein und das zweite Bauteil kann aus Stahl ausgebildet sein. Mittels einer Flachspule kann nun ein sehr starker elektromagnetischer Puls erzeugt werden, welcher das erste Bauteil über einen vorgegebenen Abstand zum zweiten Bauteil auf das zweite Bauteil beschleunigt, so dass es mit hoher Geschwindigkeit in Fügerichtung auf das zweite Bauteil trifft. Dadurch werden das erste und das zweite Bauteil ohne nachteilige Gefügeänderungen miteinander kaltverschweißt. Die solcherart hergestellte Verbindung ist stoffschlüssig.
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Aus der
DE 10 2011 055993 B3 ist eine Fahrwerkskomponente für ein Kraftfahrzeug bekannt, welche ein stranggepresstes Basisprofil aus Leichtmetall aufweist und durch ein Verstärkungsprofil aus Stahl verstärkt ist. Das Basisprofil besitzt zwei mit Abstand zueinander angeordnete Wände und das Verstärkungsprofil verbindet die freien Enden der Wände zumindest in einem Bereich des Basisprofils, wobei das Verstärkungsprofil und das Basisprofil mittels elektromagnetischen Pulsschweißens gefügt sind.
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Die bekannten Verfahren zum elektromagnetischen Pulsschweißen bzw. die bekannten Bauteile, die mittels elektromagnetischen Pulsschweißens hergestellt wurden, sind jedoch insofern nachteilbehaftet, als dass insbesondere Verbindungen zwischen zwar kostengünstigen, jedoch spröden Aluminiumlegierungen und Stählen zur Rissbildung neigen. Die solcherart geschaffenen Bauteile sind entsprechend wenig belastbar und fehlerhaft.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Fügen eines ersten metallischen Fügepartners mit einem zweiten metallischen Fügepartner mittels elektromagnetischen Pulsschweißens vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zum Fügen eines ersten metallischen Fügepartners mit einem zweiten metallischen Fügepartner mittels elektromagnetischen Pulsschweißens gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen eines ersten metallischen Fügepartners mit einem zweiten metallischen Fügepartner mittels elektromagnetischen Pulsschweißens. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Duktilität des ersten Fügepartners vor dem Fügen thermisch erhöht wird. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass der erste Fügepartner eine vergleichsweise geringe Duktilität aufweisen kann, also vergleichsweise spröde ist, und dennoch eine stabile und belastbare Fügeverbindung zwischen dem ersten Fügepartner und dem zweiten Fügepartner erzeugt werden kann. Insbesondere kann somit das Auftreten von Rissen und anderen Gefügeschädigungen, welche üblicherweise auf eine zu geringe Duktilität des ersten Fügepartners zurückzuführen sind, beim Fügen des ersten Fügepartners mit dem zweiten Fügepartner vermieden werden. Da bei Raumtemperatur spröde Materialien, insbesondere spröde Metalle, üblicherweise kostengünstiger sind als bei Raumtemperatur besonders duktile Materialien, insbesondere duktile Metalle, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren auch eine Kosteneinsparung.
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Die Erfindung macht sich alsoein physikalisches Prinzip zunutze, indem sie die Duktilität eines Werkstoffs bzw. des ersten Fügepartners durch Wärmezufuhr erhöht. Dieses Prinzip gilt insbesondere für Metalle.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Duktilität mittels Induktion thermisch erhöht wird. Die Induktion ermöglicht dabei einerseits ein gezieltes und ausschließliches sowie andererseits ein berührungsfreies thermisches Erwärmen des ersten Fügepartners, da die Erwärmung mittels Wirbelströmen erfolgt, die ausschließlich im ersten metallischen Fügepartner erzeugt werden. Bei einer Wärmeleitung typischerweise auftretende thermische Verluste können somit vorteilhaft vermieden werden. Ebenso wird eine unnötige Erwärmung der Umgebung des ersten Fügepartners vermieden. Ein weiterer sich aus der induktiv erzeugten Erwärmung ergebener Vorteil ist darin zu sehen, dass eine zum elektromagnetischen Pulsschweißen geeignete Anlage ohnehin über eine auch zum induktiven Erwärmen geeignete Induktionsvorrichtung, beispielsweise eine Spule, verfügt. Somit muss vorteilhaft keine zusätzliche Induktionseinrichtung vorgesehen werden, wenn das erfindungsgemäße Verfahren in einer an sich bekannten Anlage zum elektromagnetischen Pulsschweißen ausgeführt wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der erste Fügepartner vor dem Fügen auf mehr als 200 °C erwärmt wird. Eine derartige Erwärmung hat sich in zahlreichen Versuchsreihen bei metallischen Fügepartnern mit bei Raumtemperatur nur geringer Duktilität als geeignet zur Vermeidung von durch das Fügen erzeugten Rissen und Gefügeschädigungen erwiesen.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der erste Fügepartner vor dem Fügen auf 350 °C erwärmt wird. Dies hat zu nochmals verbesserten Ergebnissen hinsichtlich der Gefügestruktur des ersten Fügepartners nach dem Fügen geführt.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass der erste Fügepartner vor dem Fügen zunächst auf 500 °C erwärmt wird und erst dann gefügt wird, wenn er wieder auf 300 °C abgekühlt ist. Dies hat in zahlreichen Versuchsreihen zu den vergleichsweise besten Ergebnissen sowohl hinsichtlich der Fügeverbindung als auch hinsichtlich der Gefügestruktur des ersten Fügepartners geführt.
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Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Erwärmung des ersten Fügepartners vor dem Fügen derart erfolgt, dass dessen Duktilität um 5 % gegenüber seiner Duktilität bei Raumtemperatur erhöht wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der erste Fügepartner aus einer Aluminiumlegierung besteht. Aluminiumlegierungen weisen einerseits eine vergleichsweise sehr gute elektrische Leitfähigkeit auf, wodurch sie sich besonders für eine Erwärmung mittels Induktion eignen. Durch die gute Leitfähigkeit werden nämlich vergleichsweise hohe Wirbelströme erzeugt, welche wiederum zu einer schnellen und starken Erwärmung führen. Andererseits sind Aluminiumlegierungen vergleichsweise leichtgewichtig, wodurch sie sich für zahlreiche unterschiedliche Anwendungen, zum Beispiel im Automobilbau, eignen. Trotz ihres geringen Gewichts weisen sie zudem eine vergleichsweise hohe mechanische Belastbarkeit in Verbindung mit einer guten Bearbeitbarkeit auf.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Aluminiumlegierung eine Al226-Liegerung ist. Eine derartige Al226-Legierung ist bei Raumtemperatur vergleichsweise spröde. Andererseits ist sie jedoch vergleichsweise kostengünstig und weist die für Aluminium typischen Eigenschaften wie eine gute elektrische Leitfähigkeit, ein geringes Materialgewicht und eine hohe mechanische Belastbarkeit bei gleichzeitig guter Bearbeitbarkeit auf. Bei einer Verwendung eines ersten Fügepartners aus einer AL226-Liegerung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere wenn dieser vor dem Fügen auf 350 °C erwärmt wird, lassen sich sehr gute Ergebnisse hinsichtlich der Fügeverbindung und der Gefügestruktur des ersten Fügepartners erzielen.
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Bevorzugt ist es vorgesehen, dass der erste Fügepartner als Druckgussteil ausgebildet ist. Gerade bei der Ausbildung des ersten Fügepartners als Druckgussteil hat das erfindungsgemäße Verfahren zu besonders guten Fügeverbindungen geführt.
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Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass der erste Fügepartner ein Vakuumdruckgussteil ist. Wie sich herausgestellt hat, kann hierdurch eine sog. Blisterbildung im Material des ersten Fügepartners weitestgehend vermieden werden.
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Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass der erste Fügepartner als beidseitig offener Zylinderkörper ausgebildet ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der zweite Fügepartner aus einer Stahllegierung besteht. Stahllegierungen sind im Allgemeinen besonders robuste und belastbare Werkstoffe.
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Bevorzugt ist es vorgesehen, dass der zweite Fügepartner als Hohlrad für ein Getriebe ausgebildet ist.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Fügen eines ersten metallischen Fügepartners mit einem zweiten metallischen Fügepartner mittels elektromagnetischen Pulsschweißens. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Vorrichtung eine elektronische Steuereinheit mit einem elektronischen Speicher umfasst. Auf dem elektronischen Speicher wiederum ist bevorzugt ein Algorithmus in Form eines Computerprogramms digital abrufbar abgelegt, welcher bei seiner Ausführung, beispielsweise durch einen Mikroprozessor, die Vorrichtung dazu anleitet, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Bevorzugt ist auch der Mikroprozessor von der elektronischen Steuereinheit umfasst.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Vorrichtung mindestens eine Induktionsspule umfasst, wobei die mindestens eine Induktionsspule dazu ausgebildet ist, sowohl ein ersten Fügepartner mittels Induktion zu erwärmen als auch den ersten Fügepartner mit dem zweiten Fügepartner zu fügen. Die Induktionsspule weist dabei bevorzugt eine an diese doppelten Erfordernisse gleichermaßen angepasste Ausbildungsform auf. Alternativ bevorzugt kann die Vorrichtung auch ein gesondertes Heizelement, beispielsweise in Form eines Ofens oder eines Wärmestrahlers, umfassen. Auch mittels dieses gesonderten Heizelements kann der erste Fügepartner thermisch erwärmt werden. In diesem Fall muss die Induktionsspule keine besonders angepasste Ausbildungsform aufweisen, die zum induktiven Erwärmen des ersten Fügepartners geeignet wäre.
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Die Erfindung betrifft schließlich ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, welches Softwaremittel zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung aufweist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
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1 beispielhaft einen ersten metallischen Fügepartner und einen zweiten metallischen Fügepartner,
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2 zeigt beispielhaft einen ersten metallischen Fügepartner und einen zweiten metallischen Fügepartner, welche mittels eines im Stand der Technik bekannten elektromagnetischen Pulsschweißverfahrens gefügt wurden,
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3 beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausbildungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
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4 beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Flussdiagrammes.
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Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
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1 zeigt beispielhaft einen ersten metallischen Fügepartner 1 und einen zweiten metallischen Fügepartner 2. Der erste Fügepartner 1 ist dabei als Vakuumdruckgussteil mit beidseitig offenem Zylinderkörper ausgebildet. Er besteht beispielsgemäß aus einer Al226-Legierung, die vergleichsweise spröde ist und bei Raumtemperatur nur eine geringe Duktilität aufweist. Der zweite Fügepartner 2 besteht beispielsgemäß aus einer Stahllegierung und ist als Hohlrad für ein Getriebe ausgebildet. Vor dem erfindungsgemäßen Fügen mittels elektromagnetischen Pulsschweißens wird der erste Fügepartner 1 mittels Induktion thermisch auf 500 °C erwärmt anschließend wird gewartet, bis der erste Fügepartner 1 wieder auf 350 °C abgekühlt ist. Erst dann werden der erste Fügepartner 1 und der zweite Fügepartner 2 miteinander gefügt. Bei 350 °C ist die Duktilität des ersten Fügepartners 1 gegenüber seiner Duktilität bei Raumtemperatur um etwa 5 % erhöht.
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2 zeigt beispielhaft einen ersten metallischen Fügepartner 1 und einen zweiten metallischen Fügepartner 2, welche mittels eines im Stand der Technik bekannten elektromagnetischen Pulsschweißverfahrens gefügt wurden. Der erste Fügepartner 1 besteht dabei aus einer Al226-Liegerung, die bei Raumtemperatur nur eine vergleichsweise geringe Duktilität aufweist. Wie in 2 weiterhin zu sehen ist, weist der erste Fügepartner 1 einen Riss 3 auf. Dieser Riss 3 stellt nicht nur eine Schädigung der Gefügestruktur des ersten Fügepartners 1 dar, sondern darüber hinaus bewirkt er eine fehlerhafte und schadhafte Fügeverbindung des ersten Fügepartners 1 mit dem zweiten Fügepartner 2. Die solcherart geschaffene Verbindung ist unzuverlässig und führt dazu, dass das aus dem ersten Fügepartner 1 und dem zweiten Fügepartner 2 gefügte Bauteil nicht in einem Fahrzeuggetriebe verbaut werden kann. Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens können derartige Risse 3 bzw. Gefügeschädigungen und daraus resultierende schadhafte Verbindungen vermieden werden.
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3 zeigt beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausbildungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 4 zum Fügen eines ersten metallischen Fügepartners 1 mit einem zweiten metallischen Fügepartner 2 mittels elektromagnetischen Pulsschweißens. Beispielsgemäß ist die Vorrichtung 4 dazu ausgebildet das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Die Vorrichtung 4 umfasst eine elektronische Steuereinheit 5 mit einem elektronischen Speicher 6, eine Stromquelle 7, eine Induktionsspule 8 sowie einen elektronischen Mikroprozessor 9. Das erfindungsgemäße Verfahren ist als Algorithmus in Form eines Computerprogramms auf dem elektronischen Speicher 6 digital abrufbar abgelegt. Der Mikroprozessor 9 kann diesen Algorithmus ausführen und die Vorrichtung 4 anleiten, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Die Stromquelle 7 ist speziell dazu ausgebildet, auf Anweisung der Steuereinheit 5 einen vergleichsweisen sehr hohen elektrischen Strom an die Induktionsspule 8 auszugeben. Der elektrische Strom wird dabei als Strompuls, das heißt über eine zeitlich nur sehr kurze Dauer zur Verfügung gestellt. Dies bewirkt die Erzeugung eines extrem starken, zeitlich veränderlichen magnetischen Felds in der Induktionsspule 8, welches wiederum zur Erzeugung sehr hoher Wirbelströme im ersten Fügepartner 1 führt. Da das Magnetfeld auf die Wirbelströme eine Kraft ausübt, wirkt entsprechend auch eine Kraft auf den ersten Fügepartner 1. Diese Kraft ist ausreichend dimensioniert, um den ersten Fügepartner 1 mit dem zweiten Fügepartner 2 zu fügen. Weiterhin ist die Stromquelle 7 dazu ausgebildet, Strompulse von höherer zeitlicher Dauer, jedoch deutlich geringere Stromstärke, auf Anweisung der Steuereinheit 5 an Induktionsspule 8 auszugeben. Diese zeitlich verlängerten Strompulse mit geringerer Stromstärke bewirken ebenfalls die Erzeugung eines zeitlich veränderlichen magnetischen Felds, welches jedoch vergleichsweise schwach ist. Trotzdem bewirkt auch dieses vergleichsweise schwache Magnetfeld die Erzeugung von Wirbelströmen im ersten Fügepartner 1, wobei die Wirbelströme in diesem Fall allerdings vergleichsweise gering sind. Durch das schwache Magnetfeld und die nur geringen Wirbelströme entsteht auch nur eine schwache Kraft auf den ersten Fügepartner 1. Diese schwache Kraft ist nicht ausreichend, um den ersten Fügepartner 1 zu deformieren. Jedoch führen Wirbelströme wiederum zu einer thermischen Erwärmung des ersten Fügepartners 1 und somit zu einer Erhöhung seiner Duktilität. Über einen in 3 nicht dargestellten Temperatursensor kann jederzeit die Temperatur des ersten Fügepartners 1 erfasst werden. Sobald diese Temperatur einen vorgegebenen Sollwert erreicht, kann der eigentliche Fügeprozess gestartet werden. All diese Verfahrensschritte sind beispielsgemäß als Algorithmus in Form eines Computerprogramms im elektronischen Speicher 6 abgelegt.
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4 zeigt beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Fügen eines ersten metallischen Fügepartners 1 mit einem zweiten metallischen Fügepartner 2 mittels elektromagnetischen Pulsschweißens in Form eines Flussdiagrammes. In einem ersten Verfahrensschritt 10 werden ein erster Fügepartner 1 und ein zweiter Fügepartner 2 bereitgestellt. Im nun folgenden Verfahrensschritt 11 wird der erste Fügepartner 1 in eine Induktionsspule 8 eingeführt. Sobald sich der erste Fügepartner 1 innerhalb der Induktionsspule 8 befindet, erfolgt in Schritt 12 ein Erwärmen des ersten Fügepartners 1 mittels Induktion auf eine Solltemperatur von 500 °C. Sobald der erste Fügepartner 1 die Solltemperatur von 500 °C erreicht hat, wird in Schritt 13 auch der zweite Fügepartner 2 in die Induktionsspule 8 eingeführt. Gleichzeitig erfolgt in Verfahrensschritt 14 ein Abkühlen des ersten Fügepartners auf 350 °C.
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Sobald der erste Fügepartner 1 auf °C abgekühlt ist, werden in Schritt 15 der erste Fügepartner 1 und der zweite Fügepartner 2 mittels elektromagnetischen Pulsschweißens miteinander gefügt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erster Fügepartner
- 2
- zweiter Fügepartner
- 3
- Riss
- 4
- Vorrichtung
- 5
- elektronische Steuereinheit
- 6
- elektronischer Speicher
- 7
- Stromquelle
- 8
- Induktionsspule
- 9
- Mikroprozessor
- 10
- Bereitstellen des ersten und des zweiten Fügepartners
- 11
- Einführen des ersten Fügepartners in die Induktionsspule
- 12
- Erwärmen des ersten Fügepartners mittels Induktion
- 13
- Einführen des zweiten Fügepartners in die Induktionsspule
- 14
- Abkühlen des ersten Fügepartners
- 15
- Fügen des ersten Fügepartners mit dem zweiten Fügepartner mittels elektromagnetischen Pulsschweißens
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011006364 A9 [0003]
- DE 102011055993 B3 [0004]
