DE19949905A1 - Verfahren zum thermischen Fügen von zwei Bauteilen zu einem Bauelement sowie Bauelemente hergestellt nach diesem Verfahren - Google Patents

Abstract

Um ein Verfahren zum thermischen Fügen von zwei Bauteilen zur Verfügung zu stellen, bei dem das herzustellende Bauelement bei minimalem Einsatz von Material und Energie optimale mechanische Eigenschaften aufweist, wird vorgeschlagen, daß die Bauteile jeweils mit einem Flächenabschnitt ausgebildet werden, der zu dem Flächenabschnitt des jeweils anderen Bauteils korrespondiert, so daß die Bauteile in ihrer vorgesehenen Bezugslage einen Stoß bilden, der an einen Rücksprung angrenzt, welcher eine Aufnahme für ein Zusatzelement bildet, wobei das Zusatzelement korrespondierend zu der Geometrie des Rücksprungs vorgefertigt und in den Rücksprung eingesetzt wird und wobei nachfolgend die beiden Bauteile in ihrer Bezugslage thermisch gefügt werden, indem das Zusatzelement angeschmolzen, aufgeschmolzen oder gesintert wird und indem man dabei das Zusatzelement mit jedem der beiden Bauteile eine fest Verbindung eingehen läßt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Fügen von zwei Bauteilen zu einem Bauelement sowie Bauelemente, die mit­ tels eines solchen Verfahrens hergestellt sind.

Unter dem Begriff des thermischen Fügens werden Verfahren ver­ standen, bei denen Hauteile unter dem Einfluß thermischer Ener­ gie, welche gegebenenfalls durch die Einwirkung von elektroma­ gnetischer oder mechanischer Energie in den Bauteilen erzeugt wird (z. B. beim Induktions- bzw. Reibschweißen), miteinander fest verbunden werden. Darunter fallen typischerweise das Schweißen oder Sintern.

Beim Schweißen von zwei Bauteilen zu einem Bauelement wurde bislang entweder die Nahtstelle zwischen zwei Bauteilen er­ hitzt, so daß es zu einem Aufschmelzen der Materialien der bei­ den Bauteile kommt und diese dadurch fest miteinander verbunden werden. Alternativ wird an der Stelle, an der die Bauteile ver­ bunden werden sollen, während dem Schweißvorgang zusätzliches Material in Form eines Schweißzusatzwerkstoffs zur Bildung der Schweißnaht zugeführt.

Das Ziel bei der Verwendung von Schweißzusätzen ist es, sowohl eine Verbesserung der Fügeeigenschaften als auch des Schweiß­ prozesses zu erhalten. Im Stand der Technik werden diese Zu­ satzwerkstoffe, vorzugsweise in Form von Drähten oder Pulvern, der gewünschten Verbindungsstelle parallel zum Fortgang des Schweißvorgangs zugeführt. Die Zuführung von Pulver geschieht unter Ausnutzung der Schwerkraft, d. h. von oben, während beim Draht als Zusatzwerkstoff ein Schweißkopf mit integriertem Vor­ schub zum Einsatz kommen muß. Häufiger Nachteil dieser Verfah­ ren ist die Notwendigkeit, eine festgelegte Orientierung ein­ halten zu müssen; so muß der Schweißkopf während des Schweiß­ prozesses stets so ausgerichtet sein, daß er in gleicher Orien­ tierung zum den Draht fördernden Vorschub steht. Dies hat beim Schweißen von geschlossenen Geometrien, wie z. B. Kreisen, den Nachteil, daß die Achse mit ausreichender Dynamik angetrieben werden muß.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum thermischen Fügen von zwei Bauteilen vorzuschlagen, bei dem die vorgenannten Nachteile vermieden sind und das herzustellende Bauelement bei minimalem Einsatz von Material und Energie opti­ male mechanische Eigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs beschriebenen Verfahren er­ findungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bauteile jeweils mit ei­ nem Flächenabschnitt ausgebildet werden, der zu dem Flächenab­ schnitt des jeweils anderen Bauteils korrespondiert, so daß die Bauteile in ihrer vorgesehenen Bezugslage einen Stoß bilden, der an einen Rücksprung angrenzt, welcher eine Aufnahme für ein Zusatzelement bildet, daß das Zusatzelement korrespondierend zu der Geometrie des Rücksprunges vorgefertigt und in den Rück­ sprung eingesetzt wird und daß nachfolgend die beiden Hauteile in ihrer Bezugslage thermisch zu dem Hauelement gefügt werden, indem das Zusatzelement angeschmolzen, aufgeschmolzen oder gesintert wird und indem man dabei das Zusatzelement mit jedem der beiden Bauteile eine feste Verbindung eingehen läßt.

Der Begriff Bezugslage definiert die Lage der beiden Bauteile zueinander, die sie auch im fertiggestellten Bauelement zuein­ ander aufweisen.

Die Vorfertigung des Zusatzelementes korrespondierend zur Geo­ metrie des Rücksprungs bedeutet nicht zwangsläufig, daß das Zu­ satzelement komplementär zur Rücksprunggeometrie sein muß, ob­ wohl dies in einer Anzahl von Anwendungsfällen der vorliegenden Erfindung durchaus so sein wird.

Vielmehr kann das korrespondierende Zusatzelement durchaus vom Querschnitt her betrachtet eine andere Form als der Rücksprung und/oder Untermaß oder Übermaß aufweisen.

Die Korrespondenz des vorgefertigten Zusatzelements zur Rück­ sprunggeometrie kann sich unter Umständen einfach darauf be­ schränken, daß seine Geometrie so gewählt wird, daß es in den Rücksprung einsetzbar ist.

Vielfach ist es ausreichend, wenn eine feste Verbindung durch das thermische Fügen zwischen dem jeweiligen Bauteil und dem in den Rücksprung eingesetzten Zusatzelement hergestellt wird. Eine direkte Verbindung zwischen den beiden Bauteilen ist in einer Reihe von Anwendungsfällen nicht unbedingt notwendig.

Vorzugsweise wird jedoch bei der Herstellung besonders fester Verbindungen darauf geachtet, daß sich die Verbindung bis in den Bereich des Stoßes reichend ausbildet. Der dabei erforder­ liche höhere Energieeintrag hat als Vorteil zur Folge, daß die Verbindungsstelle für die beiden Bauteile eine zusätzliche Fe­ stigkeit aufweist, so daß zur Verbesserung der Festigkeit der Verbindung andere alternative Maßnahmen, wie z. B. größere Bau­ teildicke, spezielle Auswahl teurer hochfester Materialien usw., entfallen können.

Bei einem der besonders bevorzugten Verfahren wird das Zusatz­ element zunächst mit einem der Bauteile mechanisch gefügt und dann mit dem zweiten Bauteil in die vorgesehene Bezugslage ge­ bracht.

Eine alternative oder auch ergänzende Maßnahme kann darin be­ stehen, daß die Bauteile miteinander mechanisch gefügt werden und daß in einem weiteren Schritt unter Verwendung des Zusatz­ elementes ein thermisches Fügen durchgeführt wird.

Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Her­ stellung von Bauelementen, bei denen die beiden Bauteile in ih­ rer Bezugslage einen in sich geschlossenen Stoß bilden. Hier verläuft der Stoß insbesondere in polygonaler oder Kreisform, gegebenenfalls auch in elliptischer Form.

Das Zusatzelement wird in einem solchen Fall dann ebenfalls ein vorzugsweise in sich geschlossenes Teil sein, wobei sich dies insbesondere bei einer ringförmigen oder elliptischen Form des Zusatzelementes empfiehlt.

Der Querschnitt der Zusatzelemente wird vorzugsweise polygonal, kreisförmig oder elliptisch sein, wobei die Korrespondenz des Zusatzelementes zur Geometrie des Rücksprunges beispielsweise darin bestehen kann, daß das Zusatzelement im montierten Zu­ stand und vor dem thermischen Fügen zu mindestens einem der beiden Bauteile einen linienförmigen Kontakt aufweist.

In Fällen, in denen eine minimale Wärmeübertragung auf die Bau­ teile vorgesehen sein soll, empfiehlt sich dies insbesondere. In anderen Fällen, in denen ein Wärmeübergang vom Zusatzelement auf die Bauteile erwünscht ist, wird das Zusatzelement vorzugs­ weise so ausgeführt, daß es an mindestens einem der Bauteile flächig anliegend ist.

Bei der Fertigung des Zusatzelementes werden vorzugsweise spa­ nende Verfahren, Stanzen, Kaltfließpressen, Gießen oder Sintern angewendet.

Die Erfindung betrifft schließlich Bauelemente, die aus zwei Bauteilen durch thermisches Fügen gemäß einem Verfahren, wie sie im vorstehenden beschrieben sind, erhältlich sind. Hier kommen insbesondere Bauelemente von Automobilkarosserien, für die Flugzeuginnenausstattung oder Schiffsbeschläge in Frage, beispielsweise Befestigungselemente für Sitze, Gepäckablagen etc.

Bei dem thermischen Fügen gemäß der vorliegenden Erfindung wird inbesondere thermische Energie in das Zusatzelement eingeleitet oder aber an die Nahtstellen zwischen dem Zusatzelement und den benachbart liegenden Oberflächen der Bauteile. Dabei muß aus­ reichend Energie zur Verfügung gestellt werden, damit sich eine feste Verbindung zwischen dem einzelnen Bauteil und dem zugehö­ rigen Oberflächenbereich des Zusatzelementes ausbilden kann und sich eine thermische Fügeverbindung gegebenenfalls bis in den Stoß hinein fortsetzend ausbilden kann.

Besonders bevorzugt wird beim thermischen Fügen das Laser- oder Elektronenstrahlschweißen verwendet.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber den herkömmli­ chen thermischen Fügeverfahren liegt darin begründet, daß durch die Verwendung des vorgegebenen, d. h. definierten Zusatzele­ mentes genau der Masseeintrag und auch dessen Konturen vorbe­ stimmt wird, so daß sich eine präzise und genau vorausberechen­ bare Verbindung zwischen den beiden Bauteilen herstellen läßt. Ein Überdimensionieren von Bauteildicken und/oder Verbindungs­ stellen kann unterbleiben, da über die Wahl und Ausbildung des Zusatzelementes und dessen Vorfertigung mechanische Eigenschaften des fertigen Bauelements gezielt beeinflußbar sind und sich entsprechend den Vorgaben ausbilden.

Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigen im einzel­ nen:

Fig. 1 bis 4 ein erfindungsgemäßes Bauelement mit durch­ gehender Öffnung; und

Fig. 5 und 6 ein erfindungsgemäßes Bauelement mit anein­ anderstoßenden Bauteilen.

Der Anwendungsbereich der Erfindung erstreckt sich auf das Ver­ binden von Hauteilen aus vielerlei Materialien, und die Erfin­ dung eignet sich generell nicht nur zum Verbinden von zwei me­ tallischen Bauteilen miteinander, sondern beispielsweise ebenso zum Verbinden von keramischen Bauteilen miteinander oder aber von keramischen mit metallischen Bauteilen und ähnlichem.

Wichtig ist jeweils zunächst nur, daß über die Wahl des Materi­ als des Zusatzelementes sichergestellt wird, daß sich dieses sowohl mit dem Material des einen als auch mit dem Material des anderen Bauteiles fest verbinden kann.

Über die Regelung der Temperatur bzw. des Energieeintrags in die zu erzeugende Verbindungsstelle wird die Art der zu erzeu­ genden Verbindung gewählt, beispielsweise durch Sinterung, durch Anschmelzen der Oberflächen des Zusatzelementes oder durch ein vollständiges Aufschmelzen des Zusatzelementes, wobei sich dessen Material dann in dem zwischen den Bauteilen gebil­ deten Rücksprung ausbreitet.

Fig. 1 zeigt in einer Schnittdarstellung ein Bauelement 10, welches aus einem flächigen Bauteil 12, einem hohlzylindrischen Bauteil 14 und einem Zusatzelement 18 aufgebaut ist. Das flä­ chige Bauteil 12 weist eine durchgehende Öffnung 16 auf, in die das hohlzylindrische Teil 14 eingesetzt werden kann. Die Außen­ fläche des hohlzylindrischen Teils 14 bildet mit der zylindri­ schen Fläche der Öffnung 16 des flächigen Bauteils 12 einen Stoß.

Der Rand der Öffnung 16 des flächigen Bauteils 12 ist zu einer Oberseite des flächigen Bauteils 12 hin angefast, und an dem hohlzylindrischen Bauteil 14 ist eine korrespondierende Fase ebenfalls vorgesehen. In der vorgesehenen Bezugslage von Bau­ teil 12 und Bauteil 14 wird so in Fortsetzung des Stoßes ein nutförmiger Rücksprung 17 in Ringform gebildet, in den das Zu­ satzelement 18 mit quadratischem Querschnitt eingesetzt werden kann. Dabei liegt das Zusatzelement 18 mit zwei seiner Außen­ flächen an den Bauteilen 12 und 14 an. Beim Schritt des thermi­ schen Fügens wird das Material des Zusatzelementes 18 minde­ stens im Bereich der Anlage an den Bauteilen 12 und 14 aufge­ schmolzen, so daß sich eine feste Verbindung mit den Bauteilen 12 und 14 ergeben kann.

Wird beim thermischen Fügen mit höherem Energieeintrag gearbei­ tet, so kann sich die feste Verbindung bis in den Stoß hinein fortsetzen und das Material des Zusatzelementes 18 kann voll­ ständig aufgeschmolzen werden.

Die Höhe des Energieeintrages und die Art des thermischen Fü­ gens, d. h. insbesondere die Auswahl eines Schweißverfahrens, ist von wirtschaftlichen und funktionellen Gesichtspunkten ab­ hängig, denen das Bauelement 10 zu genügen hat.

Eine ähnliche Konfiguration wie in Fig. 1 ist in Fig. 2 zu sehen, wobei das Bauelement 20 aus einem flächigen Bauteil 22 und einem hohlzylindrischen Bauteil 24 zusammengesetzt ist. Hierbei ist, ähnlich wie in Fig. 1, das hohlzylindrische Teil 24 in die Öffnung 26 des flächenförmigen Bauteils 22 einge­ setzt, und ein Teil der Außenfläche des hohlzylindrischen Teils 24 bildet mit der Stirnfläche der durchgehenden Öffnung 26 ei­ nen Stoß, der sich zu einer Seite des flächigen Bauteils 22 hin zu einem Rücksprung erweitert, der hier rechteckige Gestalt aufweist. In diesem Rücksprung 27 ist ein Zusatzelement 28 mit ebenfalls rechteckigem Querschnitt eingelegt, und in einem fol­ genden Fügeschritt wird dann die feste Verbindung zwischen dem flächenförmigen Teil 22 und dem hohlzylindrischen Teil 24 her­ gestellt.

In den Fig. 3 und 4 ist jeweils in ein flächiges Bauteil 32 bzw. 42 ein zylindrisches Bauteil 34 bzw. 44 eingesetzt, wobei wiederum ein Teil der Außenfläche der hohlzylindrischen Teile 34, 44 einen Stoß mit der inneren Oberfläche der durchgehenden Öffnung 36 bzw. 46 bilden, der sich zu einem Rücksprung erwei­ tert.

Anders als bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 ist in den Fig. 3 und 4 der Rücksprung in einem der beiden Bauteile 32 bzw. 44 angeordnet, während das korrespondierende Bauteil 34 bzw. 42 nur mit einer Außenfläche an den Rücksprung angrenzt bzw. diesen begrenzt. Der Rücksprung jedoch, wie bei den Ausführungsformen in Fig. 1 und Fig. 2, grenzt direkt an den zwischen den Bauteilen 32 und 34 bzw. 42 und 44 gebildeten Stoß an. In den Rücksprung 37 bzw. 47 wird jeweils ein Zusatz­ element 38 bzw. 48 eingesetzt und danach ein Fügeschritt durch­ geführt, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben.

Im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 2 ist das Zusatzelement 38 in Fig. 3 so bemessen, daß der Rück­ sprung 37 nicht vollständig ausgefüllt wird und somit eine ge­ wisse Unterdeckung (Höhendifferenz) vorhanden ist.

In Fig. 4 wiederum ist das Zusatzelement 48 so ausgebildet, daß es eben mit den Oberflächen der Bauteile 42, 44 abschließt.

Die unterschiedlichen Prinzipien der Bemessung und Ausbildung der Zusatzelemente, wie sie in den verschiedenen Figuren zum Ausdruck kommen, sind selbstverständlich nicht auf den jeweils gezeigten Anwendungsfall beschränkt, sondern lassen sich wahl­ weise unter den gezeigten Ausführungsformen austauschen, gege­ benenfalls mit notwendigen Anpassungen der Querschnittsform der Zusatzelemente.

Bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ging es jeweils darum, zwei Bauteile entlang eines in sich geschlossenen Stoßes miteinander zu verbinden. Dies stellt jedoch nur eine der mög­ lichen Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. In den Fig. 5 und 6 sind Ausführungsbeispiele gezeigt, bei denen kein in sich geschlossener Stoß vorkommt, wobei die Fig. 5 und 6 jedoch von der Art der Verbindung der jeweiligen beiden Bauteile gleichermaßen Gültigkeit für Ausführungsbeispiele, wie in den Fig. 1 bis 4 gezeigt, d. h. mit in sich geschlossenem Stoß, haben. Genausogut lassen sich die Ausführungsformen der Fig. 1 bis 4 auf Bauelemente der Fig. 5 und 6 übertragen.

In Fig. 5 wird das Bauelement 50 aus einem Bauteil 52 und ei­ nem Bauteil 54 gebildet, wobei das Bauteil 52 an einer Kante einen Rücksprung 57 aufweist. Die Tiefe des Rücksprungs 57 ent­ spricht ungefähr der Dicke des Bauteils 54, welches mit einer Kante an das Bauteil 52 angrenzt und den Rücksprung 57 an einer Seite begrenzt. In die von der Stirnseite des Bauteils 54 und dem Rücksprung 57 des Bauteils 52 gebildete Nut ist ein Zusatz­ element 58 eingesetzt, und die Verbindung zwischen dem Bauteil 54 und dem Bauteil 52 kann, wie oben im Zusammenhang mit Fig. 1 beispielhaft beschrieben, erfolgen.

Fig. 6 zeigt schließlich eine Situation, worin ein Bauelement 60 aus einem flächigen Bauteil 62 und einem Bauteil 64 gebildet wird, wobei das Bauteil 64 mit einer Seitenfläche an einer Stirnseite 66 des Bauteils 62 anliegt. Das Bauteil 64 weist ei­ nen Rücksprung 67 auf, der auf einer Seite von einem Teilbe­ reich der Stirnseite 66 des Bauteils 62 begrenzt wird und damit eine Nut bildet. In diese Nut wird ein Zusatzelement 68 einge­ setzt, welches zunächst nur einen flächigen Kontakt mit dem Bauelement 64 aufweist und allenfalls mit einer Kante an der Stirnseite 66 des Bauteils 62 anliegt. Beim thermischen Fügen wird das Material des Zusatzelements 68 aufgeschmolzen, so daß es dann zu einer festen Verbindung zwischen dem Material des Zusatzelements 68, dem Hauteil 62 sowie dem Bauteil 64 kommt. Wie im Zusammenhang mit Fig. 1 ausgeführt, kann das thermische Fügen so eingerichtet werden, daß sich die feste Verbindung bis in den Stoß, der sich an der Stirnseite 66 des Bauteils 62 bil­ det, hin fortsetzt und dort für zusätzliche Festigkeit der Ver­ bindung sorgt.

Bei den vorgenannten Beispielen wurde der Schritt des thermi­ schen Fügens anhand eines Schweißvorganges beschrieben, es sei an dieser Stelle jedoch ausdrücklich betont, daß auch andere thermische Fügeverfahren hier zum Einsatz kommen können, abhän­ gig von den Materialien, aus denen die jeweiligen Bauteile her­ gestellt sind. Insbesondere eignet sich zur Herstellung einer festen Verbindung durch thermisches Fügen für die vorliegende Erfindung auch ein Sinterschritt, bei dem eine feste Verbindung der beiden Bauteile über das jeweils verwendete Zusatzelement sichergestellt werden kann.

Claims (11)

1. Verfahren zum thermischen Fügen von zwei Bauteilen zu ei­ nem Bauelement,
wobei die Bauteile jeweils mit einem Flächenabschnitt aus­ gebildet werden, der zu dem Flächenabschnitt des jeweils anderen Bauteils korrespondiert, so daß die Bauteile in ihrer vorgesehenen Bezugslage einen Stoß bilden, der an einen Rücksprung angrenzt, welcher eine Aufnahme für ein Zusatzelement bildet,
wobei das Zusatzelement korrespondierend zu der Geometrie des Rücksprungs vorgefertigt und in den Rücksprung einge­ setzt wird,
und wobei nachfolgend die beiden Bauteile in ihrer Bezugs­ lage thermisch gefügt werden, indem das Zusatzelement an­ geschmolzen, aufgeschmolzen oder gesintert wird und indem man dabei das Zusatzelement mit jedem der beiden Bauteile eine feste Verbindung eingehen läßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die feste Verbindung bis in den Bereich des Stoßes reichend ausgebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzelement mit einem der Bauteile mechanisch gefügt und dann mit dem zweiten Bauteil in die vorgesehene Bezugslage gebracht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bauteile miteinander mechanisch ge­ fügt werden und in einem weiteren Schritt unter Verwendung des Zusatzelements thermisch gefügt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß von den Bauteilen in ihrer Bezugslage ein in sich geschlossener Stoß gebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzelement als ein in sich geschlossenes, insbesondere ringförmiges oder elliptisches Teil gefertigt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Querschnitt des Zusatzelements poly­ gonal, kreisförmig oder elliptisch ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Zusatzelement an jedem der Bauteile anliegend ausgebildet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Zusatzelement an den Bauteilen flä­ chig anliegend ausgebildet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Zusatzelement spanend gefertigt, ge­ stanzt, kaltfließgepreßt, gegossen oder gesintert wird.

11. Bauelement, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.