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WO2025040453A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen einer metallurgischen verbindung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum herstellen einer metallurgischen verbindung Download PDF

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Publication number
WO2025040453A1
WO2025040453A1 PCT/EP2024/072420 EP2024072420W WO2025040453A1 WO 2025040453 A1 WO2025040453 A1 WO 2025040453A1 EP 2024072420 W EP2024072420 W EP 2024072420W WO 2025040453 A1 WO2025040453 A1 WO 2025040453A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
component
energy
structural element
pressing
components
Prior art date
Application number
PCT/EP2024/072420
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Olaf Strunk
Uwe Keil
Original Assignee
Strunk Connect automated solutions GmbH & Co. KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102024200702.1A external-priority patent/DE102024200702A1/de
Application filed by Strunk Connect automated solutions GmbH & Co. KG filed Critical Strunk Connect automated solutions GmbH & Co. KG
Publication of WO2025040453A1 publication Critical patent/WO2025040453A1/de

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/02—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating by means of a press ; Diffusion bonding
    • B23K20/023—Thermo-compression bonding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/24—Preliminary treatment

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for producing a metallurgical connection between a first component made of a first metal and at least one second component made of a second metal.
  • the invention also relates to a component for use in the method and for producing the metallurgical connection.
  • Butt welding "The workpieces are heated on the abutting surfaces and welded using force. Current and force are transmitted via clamping jaws. The heating occurs through the contact resistance between the two partners to be welded. A well-machined, plane-parallel abutting surface is therefore required so that an even current flow and thus even heating can occur.”
  • Flash butt welding “The workpieces are heated at the abutting surfaces by lightly touching them through the formation of smoldering contacts, whereby molten material is ejected from the abutting surfaces by metal vapor pressure (burning off) and is welded by applying force through sudden compression. Burning off can be preheated by repeated contact (reversing with individual current pulses) or by external heating. Current and force are transferred through contact jaws. In flash butt welding, the resistance heating is accompanied by combustion heat as well as the energy of smoldering arcs that form at the protruding contact points of the abutting surfaces. The formation of smoldering spots is encouraged by a rough abutting surface.
  • Liquid material slag, metal
  • Figures 10a and 10b illustrate the well-known so-called projection welding.
  • Figure 10a shows the components K1, K2 involved in an initial situation before projection welding and
  • Figure 10b shows the components after projection welding.
  • the dimensions (height, outer diameter, interior) of the boss (round, longitudinal or ring boss) are derived from the customer requirements and the material thickness in accordance with DIN.
  • the material is heated above its softening temperature during hot pressing to such an extent that it already changes into a doughy state.
  • the dimensions of the projection and the customer-specific welding parameters determine the dimensions of the connection zone in the form of a welding nugget.
  • the state of the art includes material-locking connections of metals, such as laser welding, electron beam welding of contact parts, resistance welding and soldering,
  • Flash butt welding and pressure butt welding, projection welding are basically known.
  • Electron beam welding requires a vacuum and is complex and expensive. Resistance welding of aluminum and copper cannot currently produce large surfaces because the current - once it flows in one place - no longer heats the remaining surface.
  • ultrasonic US welding or US bonding is also known in the state of the art.
  • AI-US wire bonding process (first variant) which takes place at room temperature, an Al wire is pressed onto a solid surface made of an AI, gold or copper layer using a bonding head and connected under US influence. The US generates the frictional heat required for the selective melting of the surfaces.
  • thermosonic bonding a gold or copper wire is pressed onto a surface made of aluminum, gold or copper that has been heated to around 300°C and then bonded together using ultrasonic waves.
  • the bonding process similar to the Joule bonding process, also involves cold and/or hot deformation, followed by the bonding process.
  • the invention is based on the object of further developing a known method and a known device for producing a metallurgical connection and a component used in each case in such a way that the contact between the components is improved.
  • This object of the invention is achieved with regard to the method by the method steps according to claim 1. It is characterized in that, before pressing, at least one structural element tapering towards its free end is formed on at least one of the surface sections of the first and/or the second component; that the structural element penetrates into the opposite surface section with a contact surface as part of its surface and with an actual immersion depth and with an actual energy during pressing and/or metallurgical bonding and at least essentially retains its shape during penetration; and that the application of the contact force and/or the introduction of energy take place until a target immersion depth has been reached or a predetermined target energy input has been introduced into the connection of the components.
  • the target immersion depth can be assigned to a specific waypoint.
  • the waypoint designates a position on the path along which the structural element penetrates into the counter component.
  • the waypoint can be an intermediate position on the path or the end station, ie the final depth on the path of the structural element. In the latter case, the target immersion depth is also called the total target penetration depth.
  • the target energy input can be assigned to a specific energy mark.
  • the energy mark represents a specified amount of energy or a specified energy input that should be entered into the resulting connection of the components when it is reached.
  • the energy mark can be an intermediate energy input or a specified total energy input for the path of the structural element. In the latter case, the target energy input is also called the total target energy input.
  • the term “energy” means heat, i.e. thermal energy.
  • This thermal energy is introduced into the components in various ways with the help of energy transfer elements. Examples are fusion welding, in which an electric current is applied to the components with the help of energy transfer elements in the form of electrodes; soldering, in particular brazing, in which heat is applied to the components with the help of energy transfer elements in the form of electrodes or heating elements; or ultrasonic welding, in which ultrasonic vibrations are transferred to the components with the help of energy transfer elements in the form of sonotrodes.
  • This energy concept of heat is distinguished here from the energy that is applied by a contact force.
  • the components can be, for example, busbars, flexible cables, for example stranded cables or strips, or connection elements (terminals).
  • the structural elements according to the invention are then formed on the connection-side or connection-side ends or surface sections of the components.
  • the surface sections with the structural elements can be formed and arranged at any position on the surfaces of the components, for example also on the front sides of the components.
  • their strands can be compacted in sections.
  • the structural elements can be formed as described in the next paragraph. The examples given apply to all components, in particular to the first, second and/or a third component.
  • the method according to the invention advantageously achieves not only a long-lasting and resilient mechanical connection, but in particular also very good electrical conductivity at the contact surfaces between the connected components, even if they consist of different metals.
  • the structural element is a concrete physical part of a component and not just a surface roughness of the component.
  • the structural element is formed on at least one surface section of the component before pressing, for example by cutting, sawing, punching, embossing, e.g. using a die, casting, lasering or machining, in particular milling.
  • the (total) height of the structural element is, for example, in the range of a few millimeters or a few centimeters.
  • the (total) height of the structural element is basically measured from the free end, i.e. the tip or the highest point of the structural element to its foot/bottom on the respective component where it is formed.
  • the penetration depth is that part of the height of the structural element with which the structural element, with its free end first, penetrates into the opposite component.
  • the part of the surface of the structural element involved in this is the contact surface.
  • the actual penetration depth can be measured directly within the scope of the method according to the invention.
  • the actual penetration depth can also be measured indirectly as the difference between the originally known (total) height of the structural element and the measurable Distance between the first and second components can be determined, which progressively decreases during penetration.
  • the deposit is formed by the remaining cavity between the spaced components after they have been joined according to the invention.
  • the volume of the deposit should preferably be equal to or larger than the volume of the slag.
  • the deposit serves to absorb as much of the slag that is created in the area of the contact surface during the joining process and is squeezed out there as possible. If the deposit is overfilled, the slag is pushed out of the cavity at the side. There, its spread or distribution can optionally be specifically limited or defined by a mechanical barrier. This causes the slag to solidify into controlled structures that make reworking unnecessary. Alternatively, the squeezed out slag can be reworked if necessary.
  • slag includes all residual materials that arise in particular during metallurgical joining, such as melting of the two components, oxides of the metals of the components, surface contamination of the components and, if applicable, melting of a solder.
  • immersion path and “immersion depth” are used synonymously.
  • the two components can also be moved towards each other so that no gap or cavity remains between them.
  • the contact area then increases accordingly; ie the contact area then includes not only the entire surface of the structural element, but also the part of the surface sections of the components where the opposing components touch.
  • the deposit is then eliminated and all the slag that is produced swells outwards or into the cavity. sideways to the actual connection, as described at the end of the last paragraph.
  • the known flash butt welding uses the surface roughness or smoldering contacts on the surfaces of the components involved with low contact forces, which leads to a burning process and a sudden compression process.
  • the method according to the invention provides for point-like and/or well-defined initial surfaces in the form of the free ends of the structural elements with a preferably sufficiently constant contact force. What flash butt welding and the method according to the invention have in common is that the melt is pressed out of the contact area and the melt core is thus free of oxides and contamination.
  • the contour of the structural elements which is characterized by a taper towards their free end, is produced by a punching, embossing, laser, machining or casting process in a flat part of the first, second and/or third component, without creating a cavity facing the later opposing component, as in projection welding.
  • the outer contour of the structural element may well resemble a projection or a bead.
  • the structural element is softened only to such an extent that defined and desired initial surfaces are established between the tapered end of the structural elements and the counter component.
  • the contours of the structural elements i.e. in particular their tapered free ends, are at least largely retained. At most, they melt onto and into the counter component at their surface. The structural element tapers towards its free end and the contact area thus increases during immersion.
  • the at least two components form a fusion weld or a soldered joint or an ultrasonically welded joint, whereby the structural element melts into the mating component.
  • a zone of slag is formed on the side flanks of the structural elements, which is collected in the zone and in the deposit, if present, between the opposing components.
  • the heating process is different due to the newly invented contour of the structural elements, which does not widen towards the free end but rather tapers. Due to the smaller cross-section of the tapered end of the structural element, an energy, and possibly current, concentration is created at the beginning of the metallurgical joining and thus a strong heating, which is important for the start of welding or soldering, ideally combined with local melting.
  • the advantage is that the shape or contour of the structural elements
  • the heat flow can be well controlled during welding or soldering.
  • the two components approach each other and, due to the structural element-specific shape, the contact zone expands.
  • the resulting changes in energy inputs, such as currents, required for optimal heat development are adjusted continuously or in sections.
  • the criteria for the The energy fed in or the immersion path, ie the immersion depth, can be used for the control-Zregulation process.
  • the connection process is terminated when a certain immersion path is reached and/or a certain amount of energy has been fed in.
  • a gap preferably remains between the two components - referred to here as a depot - in which the melt solidifies, provided it has not been squeezed out laterally from the two components joined according to the invention.
  • the internal contact area between the components is enlarged by the structural elements provided according to the invention - compared to a blunt/flat connection of the components.
  • the enlarged contact area advantageously significantly improves the mechanical contact and the electrical conductivity between the components.
  • the first and second components can also be connected to one another via a third component through the metallurgical connection.
  • the third component has at least two surface sections and is used or arranged as a connecting member, also called a bridge component, to connect the first and second components.
  • One of the surface sections of the third component then faces the surface section of the first component during pressing and when the metallurgical connection is produced, and the other of the surface sections of the third component then faces the surface section of the second component.
  • the bridge component can - just like the other components - be rigid, e.g. as a busbar, or flexible, e.g. as a cable piece, in particular as a cable strand or as a stranded tape. Alternatively, the cable piece or the cable strand can also be rigid.
  • the metallurgical connection can also connect the third component only to the second (or to the first) component if the third component only faces the second (or only the first) component.
  • the third component is then indirectly connected, i.e. via the second (or via the first) component, to the first (or second) component.
  • the first component is then an intermediate component in that it can be arranged between the third and the second component.
  • the second component can be an intermediate component in that it can be arranged between the third and the first component. In both cases, the third component has at least one surface section for this purpose.
  • At least one second surface section is then formed on the second (or first) component, with which the second (or first) component faces the surface section of the third component during pressing and when the metallurgical connection is produced.
  • the third component Before pressing, at least one structural element can be formed on at least one of the surface sections of the third component. During pressing and/or during metallurgical bonding with a contact surface as part of its surface, the structural element then penetrates into the opposite surface section of the first and/or second component with an actual immersion depth and with an actual energy until a predetermined target immersion depth or a predetermined target energy input is reached.
  • the tapered contour of the structural element is at least substantially retained during penetration.
  • the structural element can also be formed on the first and/or second component for penetration into the third component.
  • an at least single-layer auxiliary material for example in the form of a solder in a soldered connection, a coating and/or a foil, can be applied to at least one of the surface sections of the first, second and/or third component and/or to the surface of the structural element before pressing, between pressing and metallurgical joining or during metallurgical joining, or can be introduced between the structural element and the opposite surface.
  • solder is particularly advantageous for the soldered connection because a preferably eutectic melt forms between the solder layer and the opposite component with a melting point that is significantly below the lowest melting temperature of the two metals from which the components involved are made.
  • the intermetallic phases should be ductile.
  • the aim is for the opposite component to only melt in the area of the melting zone.
  • the metallic remainder of the components with the structural element remains solid and thus dimensionally stable. Pressing can be a cold pressing alone, a cold pressing followed by hot pressing or just a hot pressing of the components together
  • a static component of the contact force can be superimposed, at least temporarily, with a dynamic component of the contact force, for example in the form of a periodic oscillation of the contact force. This would have the advantage that the dynamic component would loosen contaminants on the contact surfaces and displace them from the contact surfaces.
  • cold pressing is terminated when one of the following cold pressing shutdown criteria is met:
  • the components are subjected to heat using the energy transfer elements, whereby the energy input during hot pressing, if this takes place, is the first part of the total energy input; a second part of the total energy input takes place in the subsequent phase of metallurgical joining. If no hot pressing takes place, the total energy input only takes place during metallurgical joining.
  • the (heat) energy introduced into the connection during hot pressing has at least a static component, which can optionally be additionally superimposed or modulated with a periodic component of energy.
  • Modulating the energy input leads to an alternating heating and cooling of the contact surface between the structural element of one component and the opposite surface section of another component into which the structural element penetrates. Since the expansion coefficients of, for example, pure metal and its oxide are very different (Al: 22 ppm to 8 ppm), Temperature changes cause a shearing movement that leads to the desired detachment of an oxide layer on the contact surfaces. An additional modulation of the contact force reinforces this mechanism.
  • the penetration of the structural element into the opposite surface section can already begin during hot pressing, provided that hot pressing is carried out.
  • the penetration of the structural element does not have to begin when the metallurgical connection is made.
  • Hot pressing is typically terminated when one of the following hot pressing shutdown criteria is met:
  • An actual hot pressing time has reached a specified target hot pressing time
  • the components can be arranged opposite one another at the end or at least partially overlapping one another.
  • the electrodes can not only generate and transmit the current, but also act as actuators for applying the contact force. This would have the advantage that the electrodes do not become force-free during the joining process.
  • the contact force of the actuators preferably the electrodes, if these are also used to apply the contact force
  • the contact force is set or varied depending on the changing contact surface. Since the joining process takes place in a very short time, specifically within a few tenths of a second, and the contact force must be kept within a defined force range during this time, the dynamics of the typical way is usually sufficient. used actuators or force adjusters are not sufficient. Force fluctuations lead to changes in the surface resistance and consequently to overheating or insufficient heat.
  • a spring device is therefore provided according to the invention, which compensates for the fluctuations in the force with the necessary dynamics.
  • certain metals e.g. aluminum
  • a first energy channel e.g. current channel
  • the energy transfer element were to be briefly released from force or even lifted off during a transition from pulse to pulse or during penetration of the structural element, reoxidation would immediately occur and the surface roughness with increased surface resistance would arise again due to a slight offset, which would be very unfavorable for the expressly desired good electrical conductivity between the components connected to one another according to the invention, especially in their contact surfaces.
  • the target penetration depth when the target penetration depth is reached, it is checked whether the energy introduced up to that point is within predefined limits, or after a predetermined energy input, it is checked whether the penetration depth is within predefined limits for the target penetration depth.
  • Both test methods are optional and serve for quality control, because ideally the connection produced according to the method according to the invention meets both criteria, i.e. the target penetration depth is reached and neither too little nor too much energy has been introduced into the connection. If one of the conditions is not yet met, a correction can still be made. This means that the penetration depth or the energy supplied is corrected again in order to meet the corresponding specifications. This is advantageous for achieving the desired good electrical conductivity between the metallurgically connected components.
  • the first metal of the first component, the second metal of the second component and the third metal of the third component may be different or the same metals or metal alloys.
  • the first metal from which the first component is made is copper or a copper alloy and the second metal from which the second component is made is aluminum or an aluminum alloy. Both metals have very good electrical conductivity.
  • the shape of the structural elements according to the invention also helps with the pressing and/or metallurgical joining of the components using ultrasound US.
  • ultrasound is then introduced into the components using sonotrodes in order to heat them at the contact surfaces.
  • the structural elements enable a quality of connection that would not be achievable with a flat contact zone on the components without structural elements, as is known from the state of the art:
  • the shape of the structural elements according to the invention makes it possible to achieve a velocity transformation of the sonotrode-side contact surface of the component.
  • the shape and dimensions of the structural elements are preferably adapted to the selected US frequency and coupling type.
  • the device preferably has a cutting, sawing, machining, laser, punching or embossing device, in particular a die, for forming the structural element on the surface section of the first, second and/or third component.
  • a cutting, sawing, machining, laser, punching or embossing device in particular a die, for forming the structural element on the surface section of the first, second and/or third component.
  • the implementation of at least one of these devices in the device for producing a metallurgical connection offers the advantage that the process of forming the structural elements can take place within the device.
  • the implementation is optional, which is expressed by the claiming of these devices as a dependent claim.
  • the device for forming the structural element can also be provided outside the device for producing a metallurgical connection. In terms of time, the formation of the structural element always takes place before and independently of the pressing of the components in a separate work step. Further advantageous embodiments of the method according to the invention and the device according to the invention are the subject of the dependent claims.
  • Figure 1 shows various embodiments for the tapered free end of the structural element
  • Figure 1a shows various embodiments for the formation of holes in the structural elements and/or in the components on which the structural elements are formed
  • Figure 2 shows various embodiments for the arrangement of the structural elements between a first and a second component
  • Figure 3 shows a material-locking metallurgical connection between the first and the second metallic component realized according to the method according to the invention
  • Figure 5a shows an exemplary temporal relationship between different method steps of the method according to the invention
  • Figure 6 shows the arrangement of the components and electrodes at the beginning of the joining process according to the invention by means of fusion welding
  • Figure 7 shows the arrangement of the electrodes and components after carrying out the method according to the invention by producing a fusion weld joint
  • Figure 8 shows the arrangement of the electrodes and components at the beginning of the connection process according to the invention by soldering
  • Figure 9 shows the connection of the components according to the invention after the soldering process has been carried out.
  • the invention aims to connect at least two metallic components K1, K2, K3 to one another.
  • structural elements c in the sense of the invention are formed on a surface section of at least one of the components to be connected to one another.
  • the structural elements c are intended to penetrate into the opposite component within the scope of the method according to the invention in order to improve the connection.
  • the structural element is a 3-dimensional geometric object that tapers towards a free end. It is, for example, in the form of a tooth (see Figure 11), a cone (see Figure 1 VI), a truncated cone (see Figure 1 V), a pyramid (see Figure 1 VII), a truncated pyramid (see Figure 1 VII), a sphere or a sphere segment, see Figure 111), a horizontal cylinder, a horizontal cylinder segment, in particular a half-cylinder, see Figure 11ll), a column, see Figure 11V) or in the form of any combination of these objects, whereby the objects can then optionally also be arranged one above the other.
  • the taper or the slanted outer surfaces initially generate a very high surface pressure at the predetermined force due to the initially small surface, which is helpful in order to be able to safely squeeze slag components such as free melt, oxides and contamination out of the melt zone.
  • the free end of the structural element c is therefore preferably tapered in the form of a point or an approximately rounded shape.
  • the structural elements c regardless of their contour, can be manufactured using the means mentioned above in the general part of the description.
  • the structural element c and the end region of the component K1, K2, K3, on which the structural element is formed, are preferably formed from solid material.
  • holes 40 also in the form of blind holes, or other types of artificial deformations, e.g. dents, can be formed in or on the structural element c or the end region of the component K1, K2, K3.
  • the holes 40 or corresponding blind holes can be formed according to Figures 1a I), II), III) in the form of an elongated hole, one or more circular holes or a triangle.
  • the current must flow around the holes 40, whereby the current flow is changed and the current density and thus the heat development in the edge region of the holes is increased; compared to the design of the structural elements without holes, the holes result in additional local heating.
  • a desired - from the Heat distribution without holes and deformations deviating - heat distribution in the structural element or the end area of the component can be realized.
  • Fig. 1a IV where the formation of several structural elements c is shown as an example on a component K1.
  • the small holes 40 in the component K1 close to the structural elements c force the current to divert to the current paths between the small holes 40, symbolized by the bold arrows in these intermediate areas.
  • the current density and thus also the heat generation is thereby significantly increased in this intermediate area; at the same time, the heat flow from the later connection zone, where the structural elements have penetrated into the counter component, back into the component K1 is reduced.
  • the large hole 40' in the hinterland of the component is a mounting hole for the component.
  • optional flow channels 45 which connect the part of the surface of the structural elements intended for penetration into the counter component with the holes 40 or blind holes. This makes it possible for the holes or blind holes to function as additional depots into which slag created during the connection process can flow through the flow channels.
  • Figure 2I shows straight-line structural elements c, some of which are also designed in the form of a circumferential and closed ring.
  • Figure 2II) shows straight-line structural elements c arranged in a star shape.
  • Figure 2111) shows individual structural elements c arranged in a row.
  • Figure 2IV) shows different individual elements arranged in a row between the first component K1 and the overlapping second component K2.
  • the first component K1 and the second component K2 overlap in Figure 2 as an example.
  • the ring-shaped arrangement according to Figure 2I which should be circumferentially closed but not necessarily circular, offers the advantage that its circumferential structure in the form of a sealing collar Slag or melt leakage is prevented. Free melt, oxides and contamination collect as slag in the depot. Without the ring-shaped arrangement of the structural elements, there is a risk that the slag will solidify in an area outside the connection zone and then have to be removed in an additional operation.
  • the first component K1 and the second component K2 - as an alternative to the overlapping arrangement shown in Figure 2 - can also face each other and be connected to each other according to the present invention.
  • the at least one structural element c according to the invention is formed on the front side of at least the component K2, which penetrates into the first component K1 as part of the connection method according to the invention.
  • the structural elements c shown in Figure 3 are formed, for example, in the shape of teeth on the second component K2. They are pressed into the first component K1 with the aid of actuators with a contact force F1, F2.
  • the electrodes E1, E2 of the components K1, K2 are formed independently of the actuators and contact the components K1 and K2 at a different location.
  • a spatial and temporal decoupling of the two processes “forming the structural element” and “pressing” is advantageous.
  • the first component is first inserted, a preferably heated die is placed on top of it, and finally an actuator, for example the upper electrode, presses the die, preferably with temperature, force and/or path monitoring, into the surface section of the first component, whereby the structural element is formed there.
  • the die is then removed.
  • the second component is then inserted into the single press system and the embossing process is repeated with the die to form a structural element on the surface section of the second component. Pressing is then initiated.
  • the structural element is retained during hot pressing and during the production of the metallurgical connection, in particular during penetration into the surface section of the opposing component, does not exclude the possibility that the surface of the structural element melts slightly during the penetration process. However, this means that the structural element nevertheless retains at least essentially its geometric shape.
  • Figure 4a illustrates an embodiment in which the first component K1 and the second component K2 are connected to one another via a third component K3 arranged between them in the form of an intermediate component.
  • a third component K3 On the top side of the third component K3, a one-piece structural element c in the form of a circumferential ring is formed according to Figure 4I).
  • individual structural elements c On the underside of the third component, for example, according to Figure 4III, individual structural elements c are formed distributed over the circumference.
  • Figure 4II) shows a cross-sectional view of the third component K3.
  • Figure 4IV) illustrates the overlapping arrangement of the first component K1 and the second component K2 with the third component K3 in between.
  • Fig. 4b illustrates an embodiment in which the first component K1 and the second component K2 are connected to one another via the third component K3 in the form of a parallel bridge component.
  • a first and a second surface section are each formed with structural elements c.
  • the structural elements c on the first surface section are initially only placed on the first component K1 and the structural elements on the second surface section are initially only placed on the second component K2.
  • Fig. 4b II shows how the structural elements c penetrate into the first component K1 and the second component K2 according to the method according to the invention and in this way ensure a good material-locking metallurgical connection between all components involved, in particular also good electrical conductivity between these components.
  • the structural elements of the third component K3 do not penetrate completely into the first and second components K1, K2, for example, so that a gap remains as a depot 10 for escaping slag.
  • the bridge component according to Fig. 4b enables, for example, the connection of two flat components K1, K2 made of the same or different materials.
  • Fig. 4c shows a further exemplary embodiment for the third component K3, namely as a serial bridge component.
  • the structural elements c are formed here on the front sides of the bridge component K3.
  • Fig. 4c I shows a top view of the components K1, K3 and K2 before application of the method according to the invention.
  • Fig. 4c II shows in a horizontal section and also in a top view how the structural elements c of the third component K3 have penetrated into the opposite surface sections of the first and second components K1, K2 after completion of the method according to the invention. The remaining deposits 10 can also be seen.
  • the design of the third (bridge) component K3 as a flexible stranded band is particularly preferred, with its strands being compacted at the free ends; the compacted areas at the free ends are designated by the reference symbol c10.
  • the following material pairing is preferred: the first and second components are made of aluminum or an aluminum alloy and the third (bridge) component is made of copper or a copper alloy.
  • Fig. 4c III shows a longitudinal section through the components K1, K3 and K2 connected according to the invention.
  • FIGS. 5a and 5b illustrate the temporal progression of various physical parameters when carrying out the method according to the invention. These parameters are the contact force, the current, the immersion depth, the (heat) energy introduced into the connection and the size of the contact surface between the structural elements and the counter component into which the structural elements c penetrate.
  • An electromotive, pneumatic or hydraulic actuator generates the contact force required to create good contact between the components K1, K2, K3 and the energy transfer elements on the one hand and between the components on the other.
  • the modulation of the contact force which is optionally superimposed on a static contact force in the cold and/or hot pressing phase, serves to destroy the oxide and contamination layers and to form a reproducible contact surface.
  • the contact force in combination with the additional heat energy input, for example by electricity, controls the heating of the contact surface between the structural element and the opposite component.
  • the current generates the heat required for the respective process step in the hot pressing phase and in the metallurgical bonding phase.
  • the optional modulation in the hot pressing phase creates a superimposed additional temperature change that increases the detachment of the oxide layer.
  • the current is adapted to the changing conditions. By increasing the contact area during the bonding process, the necessary current level changes in order to generate the required heat. This adjustment can be continuous or in sections. These changes in force and/or current occur depending on the immersion path or the energy fed in.
  • the immersion depth i.e. the immersion path
  • the immersion path or the immersion depth is divided into several segments, i.e. sections for which different or identical energy input levels, for example current, and contact force levels are set.
  • the transitions between the individual segments are marked in the figures by drawn levels or waymarks.
  • the waymarks each represent predetermined immersion depths that are less than or equal to the specified maximum target immersion depth.
  • the waymarks can also represent predetermined energy levels that should be reached at individual stages of the immersion path; in these cases, the waymarks are also referred to as energy marks.
  • the contact area increases.
  • Figures 5a and 5b differ in the rows for the energy curve and for the immersion depth curve for different quality control methods.
  • the temporal curve of the energy introduced shows the position of energy corridors for the specified markers of the immersion depth.
  • the temporal curve of the immersion depth shows the position of the height corridors for specified energy markers of the energy introduced.
  • Both control methods can be implemented as open-loop or closed-loop control.
  • Fig. 5a illustrates, particularly in the rows for the parameters immersion depth and energy, an immersion depth-controlled quality control process. It comprises the following sub-steps: a) checking and determining that the structural element c of the first component K1 reaches a first milestone when it penetrates the second or third component K2, K3; b) checking at the first milestone whether the actual energy introduced into the connection created by the penetration up to that point is in a target corridor for a target energy input assigned to the first milestone; c') if yes: continuing the penetration process up to a subsequent milestone and repeating step b there for the subsequent milestone; and c")
  • a control if no: adjusting at least one manipulated variable such that when the subsequent milestone is reached, a target energy input specified for the subsequent milestone is likely to be reached, and then: carrying out step c') with the adjusted manipulated variables; or c”)
  • a control if no: Determining the difference between the actual energy input and the target energy input at the first milestone as the energy control deviation
  • energy is the control variable.
  • the following can act as control variables: the contact pressure, the current level or the amplitude or the frequency of the sonotrode when using the ultrasonic welding process or the soldering temperature.
  • the correction value for the control variable is a fixed value from a table.
  • the distance between the waypoints and thus the number of control points as well as the correction values of the control variables are determined during process optimization.
  • the distance can vary from waypoint to waypoint, but is preferably equidistant.
  • the switch-off mark which corresponds to the final target penetration depth
  • the current is switched off and the total energy fed in is checked to see whether it is within the target corridor. If the total energy is outside this range, the welded part is not automatically released.
  • Fig. 5b illustrates the energy-controlled quality control method, particularly in the rows for the parameters immersion depth and energy. It comprises the following sub-steps: a) checking and determining that the structural element c of the first component K1 reaches a first energy mark when it penetrates the second or third component K2, K3, which represents a predetermined amount of energy that should be entered at the first energy mark in the connection created by the penetration; b) checking at the first energy mark whether the actual immersion path covered up to that point is in a target corridor for a target immersion path assigned to the first energy mark; c') if yes: continue the penetration process up to a subsequent energy mark, and there repeat step b) for the subsequent energy mark; and c")
  • a control system if no: adjust at least one manipulated variable so that when the subsequent energy mark is reached, a subsequent target immersion path specified for the subsequent energy mark is expected to be reached, and then: carry out step c') with the adjusted manipulated variables; or c")
  • a control system if no: adjust at
  • the immersion depth is the control variable.
  • the following can act as control variables: the contact force, the current level or the amplitude or frequency of the sonotrode when using the ultrasonic welding process US or the temperature when soldering.
  • the correction value for the control variable is a fixed value from a table.
  • the distance between the energy marks and thus the number of control points as well as the correction values of the control variables are determined during process optimization.
  • the energy distance can vary from energy mark to energy mark, but is preferably always the same amount.
  • the current is switched off and the immersion distance covered is checked, whether it is in the target corridor. If the total immersion distance is outside this range, the welded part will not be released automatically.
  • multi-channel controls can be provided with the control variables: immersion distance and energy, and with the control variables: contact force and current, IIS amplitude and/or soldering temperature.
  • the control variables are continuously read in at very short, equal time intervals and the optimal control variables are determined and set in a complex control algorithm.
  • the switch-off condition total target immersion depth or total target energy is reached, the respective energy transfer element is switched off and the control variables are checked to see if the target corridor has been reached and, if OK, are automatically released.
  • FIG. 6 shows the arrangement at the beginning of the joining process (fusion welding):
  • Figure 7 shows the result after carrying out the method according to the invention for producing a metallurgical connection, as shown in its time sequence in Figures 5a and 5b.
  • Figure 7 shows the result of a fusion weld connection according to the invention, in the case where the melting temperature of the second metal of the second component K2 is lower than the melting temperature of the first metal of the first component K1.
  • a melt SM of the second metal and a mixture of the first and second metals forms.
  • the slag SL consisting of the melt of the structural element c with the second component K2 as well as the oxides and contaminations on the surfaces, is pressed outside the melt zone into the depot 10.
  • the temperature of the structural element is higher in the direction of the second component K2 than in the direction of the first component K1. Melting therefore takes place at the tip of the structural element facing the second component.
  • the mixing ratio of the melt based on weight is, for example, approx. 33% copper and approx. 67% aluminum (eutectic).
  • Figure 8 shows the arrangement at the beginning of the connection process (soldering):
  • Electrode E2 contacts the second component K2 with the surface A5 *The first component K1 is coated with a solder LB.
  • Figure 9 shows the result after carrying out the method according to the invention for producing a metallurgical connection, as shown in its time sequence in Figures 5a and 5b.
  • the result results from the soldering used according to the invention to introduce heat energy into the resulting connection in the event that the melting temperature of the K2 material is lower than the melting temperature of the K1 material.
  • the structural element c is coated here with a solder LB.
  • the solder can also be supplied separately as an insert (paste, foil, strip).
  • soft solder can also be used.
  • a melt of the solder and the K2 material forms between the structural element c and the second component K2.
  • the slag consisting of the melt of the solder with the counter component K2 as well as the oxides and contamination on the surfaces, is pressed into the depot 10 or outside the connection zone.
  • the temperature of the structural element c is higher in the direction of the second component K2 than in the direction of the first component K1 . Melting therefore takes place at the K2 -soapy tip.
  • solder on the higher melting material of the structural element c on the first component K1 forms a eutectic melt bond with the second metal of the component K2.
  • Ductile intermetallic phases can form in the second larger-area bond zone caused by the structural element.
  • the structural element and the first components are each made of a higher-melting metal than the second (counter) component.
  • actuators can also be designed independently or in addition to the energy transmission elements, analogous to Figure 3.
  • E1 Energy transfer element e.g. first electrode
  • E2 Energy transfer element e.g. second electrode

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer metallurgischen Verbindung zwischen zwei Komponenten, aufweisend folgende Schritte: - Verpressen der ersten und der zweiten Komponente mit Hilfe eines Aktuators, - stoffschlüssiges metallurgisches Verbinden der zu verpressenden Komponenten miteinander durch Eintragen von Energie mit Hilfe von Energieübertragungselementen in die gegenüberstehenden Oberflächenabschnitte der Komponenten (K1, K2) Um den Kontakt zwischen den Komponenten zu verbessern, wird vor dem Verpressen an mindestens einem der Oberflächenabschnitte der ersten und/oder der zweiten Komponente (K1, K2) mindestens ein sich zu seinem freien Ende hin verjüngendes Strukturelement ausgebildet. Das Strukturelement (c) dringt bei dem Verpressen und/oder bei dem metallurgischen Verbinden mit einer Kontaktfläche als Teil seiner Oberfläche in den gegenüberliegenden Oberflächenabschnitt ein. Während des Eindringens bleibt das Strukturelement in seiner Form erhalten.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM HERSTELLEN EINER METALLURGISCHEN VERBINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer metallurgischen Verbindung zwischen einer ersten Komponente aus einem ersten Metall und mindestens einer zweiten Komponente aus einem zweiten Metall. Die Erfindung betrifft darüber hinaus auch eine Komponente zur Verwendung in dem Verfahren und zur Herstellung der metallurgischen Verbindung.
Im Stand der Technik sind verschiedene Schweißverfahren, z.B. das Stumpfschweißen, zum metallurgischen Verbinden von zwei metallischen Komponenten grundsätzlich bekannt. Beim Stumpfschweißen unterscheidet man zwischen dem Preßstumpfschweißen und dem Abbrennstumpfschweißen mit folgenden Definitionen (aus „Kompendium der Schweißtechnik“, Band 1 : Verfahren der Schweißtechnik):
Preßstumpfschweißen: „Die Werkstücke werden an den Stoßflächen erwärmt und unter Anwendung von Kraft geschweißt. Strom und Kraft werden über Spannbacken übertragen. Die Erwärmung erfolgt durch den Übergangswiderstand zwischen den beiden zu schweißenden Partnern. Es ist deshalb eine gut bearbeitete, planparallele Stoßfläche erforderlich, damit ein gleichmäßiger Stromfluß und damit eine gleichmäßige Erwärmung erfolgen kann.“
Abbrennstumpfschweißen: „Die Werkstücke werden an den Stoßflächen unter leichtem Berühren durch Bildung von Schmorkontakten erwärmt, wobei schmelzflüssiger Werkstoff durch Metalldampfdruck aus den Stoßflächen herausgeschleudert (Abbrennen), und unter Anwendung von Kraft durch schlagartiges Stauchen geschweißt wird. Beim Abbrennen kann Vorwärmen durch wiederholtes Berühren (Reversieren mit einzelnen Stromstößen) oder durch Fremderwärmen vorausgehen. Strom und Kraft werden durch Kontaktbacken übertragen. Beim Abbrennstumpfschweißen kommt zu der Widerstandserwärmung noch Verbrennungswärme hinzu sowie die Energie von Schmorlichtbögen, die sich an den vorstehenden Berührungspunkten der Stoßflächen bilden. Die Bildung von Schmorstellen wird begünstigt durch eine raue Stoßoberfläche. Diese muss auch nicht planparallel sein, weil sie durch den Abbrennvorgang eingeebnet wird. Flüssiges Material (Schlacke, Metall), das sich vom Abbrennvorgang her noch im Schweißspalt befindet, wird beim schlagartigen Stauchen gegen Ende des Schweißprozesses herausgepresst und bildet auf der Oberfläche einen Grad.“
Figuren 10a und 10b veranschaulichen das weiterhin bekannte sogenannte Buckelschweißen. Dabei zeigt Figur 10a die beteiligten Komponenten K1 , K2 in einer Ausgangssituation vor dem Buckelschweißen und Figur 10b zeigt die Komponenten nach dem Buckelschweißen.
DIN Normen zu Buckelschweißen:
DIN 8519
DIN EN 28167
DIN EN ISO 16432
DIN EN ISO 18278-1
DIN EN ISO 14327
Charakteristische Merkmale des Buckelschweißens:
* Die Kontur des Buckels / der Sicke Sl wird durch einen Tiefzieh-, Präge- oder Formprozess so aus einem vorwiegend flachen Teil (Blech oder Flach-Schiene, Blechdicke <= 3,2mm) geformt, dass ein Hohlraum innerhalb des Buckels entsteht. * Die Abmessungen (Höhe, Aussendurchmesser, Innenraum ) des Buckels (Rund-, Längs- oder Ringbuckel) werden DIN-gemäß aus den Kundenforderungen und der Materialdicke abgeleitet.
* In dem Verbindungsprozess wird das Material beim Warmverpressen über seine Erweichungstemperatur so weit erwärmt, dass es bereits in den teigigen Zustand übergeht.
* In der eigentlichen Verbindungsphase gehen die beiden Komponenten eine Schmelzschweiß- oder
Lötverbindung ein. Die vorher geprägte Kontur (Hohlraum) wird wieder egalisiert. Der Buckel bricht während der Schweißung ein und erzeugt dann eine flächige Verbindung in Form einer Schweißlinse SWL.
* Durch die Abmessungen des Buckels und die kundenspezifisch gewählten Schweißparameter (Anpresskraft, Strom, Dauer) werden die Abmessungen der Verbindungszone in Form einer Schweißlinse festgelegt.
* Die vor der Verbindungsphase auf der Verbindungsfläche befindlichen Oxid- und Kontaminationsschichten verbleiben in der Schmelze und können zu korrosiven Schichten führen.
* Nach dem Verbindungsvorgang liegen die beiden Komponenten vollständig oder fast spaltfrei aufeinander.
Im Stand der Technik sind stoffschlüssige Verbindungen von Metallen, wie Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen von Kontaktteilen, Widerstandsschweißen und Löten,
Abbrennstumpfschweißen und Pressstumpfschweißen, Buckelschweißen grundsätzlich bekannt.
Zunehmend größere Querschnitte bei der Verbindung von Kontaktmaterialien bringen die vorhandenen Prozesse aber an ihre Grenzen:
Elektronenstrahlschweißen setzt ein Vakuum voraus und ist aufwändig und teuer Beim Widerstandsschweißen von Aluminium und Kupfer können heute keine großen Flächen erzeugt werden, da der Strom - wenn er einmal an einer ersten Stelle fließt die restliche Fläche nicht mehr erwärmt. Im Stand der Technik ist schließlich auch das Ultraschall US-Schweißen bzw. das US-Bonden bekannt. Bei dem bei Raumtemperatur stattfinden AI-US-Drahtbonden (erste Variante) wird mit Hilfe eines Bondkopfes ein Al-Draht auf eine feste Oberfläche aus einer AI-, Gold- oder Kupferschicht gepresst und unter US- Einwirkung verbunden. Der US erzeugt die für das punktuelle Aufschmelzen der Oberflächen notwendige Reibungswärme.
Eine zweite Variante wird als Thermosonic-Bonden bezeichnet. Hier wird ein Goldoder Kupferdraht auf eine auf ca. 300°C erwärmte Oberfläche aus AI-, Gold- oder Kupfer gepresst und unter US-Einwirkung miteinander verbunden. Der Verbindungsvorgang durchläuft, vergleichbar mit dem Jouleschen Verbindungsprozess, auch eine Kalt- u./o. Warmverformung, gefolgt von dem Verbindungsvorgang.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein bekanntes Verfahren und eine bekannte Vorrichtung zum Herstellen einer metallurgischen Verbindung und eine dabei jeweils verwendete Komponente dahingehend weiterzubilden, dass der Kontakt zwischen den Komponenten verbessert wird.
Diese Aufgabe der Erfindung wird bezüglich des Verfahrens durch die Verfahrensschritte gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verpressen an mindestens einem der Oberflächenabschnitte der ersten und/oder der zweiten Komponente mindestens ein sich zu seinem freien Ende hin verjüngendes Strukturelement ausgebildet wird; dass das Strukturelement bei dem Verpressen und/oder bei dem metallurgischen Verbinden mit einer Kontaktfläche als Teil seiner Oberfläche und mit einer Ist- Eintauchtiefe und mit einer Ist-Energie in den gegenüberliegenden Oberflächenabschnitt eindringt und während des Eindringens zumindest im Wesentlichen in seiner Form erhalten bleibt; und dass die Ausübung der Anpresskraft und/oder das Einträgen von Energie solange erfolgen, bis eine Soll- Eintauchtiefe erreicht worden ist oder ein vorbestimmter Soll-Energieeintrag in die Verbindung der Komponenten eingebracht worden ist. Die Soll-Eintauchtiefe kann einer bestimmten Wegmarke zugeordnet sein. Die Wegmarke bezeichnet eine Position auf dem Weg, auf dem das Strukturelement in die Gegenkomponente eindringt. Bei der Wegmarke kann es sich um eine Zwischenposition auf dem Weg oder um die Endstation, d.h. die Endtiefe auf dem Weg des Strukturelementes handeln. In dem letzten Fall wird die Soll-Eintauchtiefe auch Gesamt-Soll-Eindringtiefe genannt.
Der Soll-Energieeintrag kann einer bestimmten Energiemarke zugeordnet sein. Die Energiemarke repräsentiert eine vorgegebene Energiemenge bzw. einen vorgegebenen Energieeintrag, die/der bei ihrem Erreichen in die entstehende Verbindung der Komponenten eingetragen sein soll. Bei der Energiemarke kann es sich um einen Zwischen-Energieeintrag oder um einen vorgegebenen Gesamt- Energieeintrag für den Weg des Strukturelementes handeln. In dem letzten Fall wird der Soll-Energieeintrag auch Gesamt-Soll-Energieeintrag genannt.
Der Begriff „Energie“ meint Wärme, d.h. Wärmeenergie. Diese Wärmeenergie wird mit Hilfe von Energieübertragungselementen auf verschiedene Weise in die Komponenten eingetragen. Beispiele sind das Schmelzschweißen, wobei mit Hilfe der Energieübertragungselemente in Form von Elektroden ein elektrischer Strom an die Komponenten appliziert wird; das Löten, insbesondere das Hartlöten, wobei mit Hilfe der Energieübertragungselemente in Form von Elektroden oder Heizelementen Wärme an die Komponenten appliziert wird; oder das Ultraschallschweißen, wobei mit Hilfe der Energieübertragungselemente in Form von Sonotroden Ultraschall- Schwingungen in die Komponenten übertragen werden.
Dieser Energiebegriff der Wärme wird hier unterschieden von der Energie, die durch eine Anpresskraft aufgebracht wird.
Bei den Komponenten kann es sich z.B. um Stromschienen, um flexible Kabel, beispielsweise Litzenkabel oder -bänder, oder um Anschlusselemente (Terminals) handeln. Die erfindungsgemäßen Strukturelemente sind dann jeweils an den verbindungsseitigen bzw. anschlussseitigen Enden bzw. Oberflächenabschnitten der Komponenten ausgebildet. Die Oberflächenabschnitte mit den Strukturelementen können an beliebigen Positionen auf den Oberflächen der Komponenten ausgebildet und angeordnet sein, beispielsweise auch an den Stirnseiten der Komponenten. In den Fällen von Litzenkabel oder Litzenband können deren Litzen abschnittsweise kompaktiert sein. In den kompaktierten Abschnitten können die Strukturelemente wie im übernächsten Absatz beschrieben ausgebildet werden. Die in die genannten Beispiele gelten jeweils für alle Komponenten, insbesondere für die erste, zweite und/oder eine dritte Komponente.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhafterweise nicht nur eine langlebige und belastbare mechanische Verbindung, sondern insbesondere auch eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit an den Kontaktflächen zwischen den verbundenen Komponenten erreicht, auch wenn diese aus unterschiedlichen Metallen bestehen.
Bei dem Strukturelement handelt es sich um einen konkreten körperlichen Teil einer Komponente und nicht bloß um eine Oberflächenrauhigkeit der Komponente. Das Strukturelement wird vor dem Verpressen an dem mindestens einen Oberflächenabschnitt der Komponente ausgebildet, beispielsweise durch Schneiden, Sägen, Stanzen, Prägen, z.B. mit Hilfe einer Matrize, Gießen, Lasern oder Zerspanen, insbesondere Fräsen. Die (Gesamt-) Höhe des Strukturelementes liegt beispielsweise im Bereich einiger Millimeter oder einiger Zentimeter.
Die (Gesamt-) Höhe des Strukturelementes bemisst sich grundsätzlich von dem freien Ende, d.h. der Spitze oder dem höchsten Punkt des Strukturelementes bis zu dessen Fuß/Boden an der jeweiligen Komponente, wo es ausgebildet ist. Die Eindringtiefe ist derjenige Teil der Höhe des Strukturelementes, mit dem das Strukturelement, mit seinem freien Ende voran, in die gegenüberliegende Komponente eindringt. Der dabei beteiligte Teil der Oberfläche des Strukturelementes ist die Kontaktfläche. Sofern möglich, kann die tatsächliche Ist- Eindringtiefe im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens direkt gemessen werden. Alternativ kann die Ist-Eindringtiefe auch indirekt als Differenz zwischen der ursprünglich bekannten (Gesamt-) Höhe des Strukturelementes und dem messbaren Abstand zwischen der ersten und der zweiten Komponente ermittelt werden, der sich während des Eindringens zunehmend verringert.
Solange sich die Komponenten, genauer gesagt, deren gegenüberstehende Oberflächenabschnitte nach dem Eindringen nicht ganzflächig berühren, bildet sich zwischen ihnen ein Depot aus zur Aufnahme von bei dem metallurgischen Verbinden entstehender Schlacke. Anders ausgedrückt: Das Depot ist durch den verbleibenden Hohlraum zwischen den beabstandeten Komponenten nach deren erfindungsgemäßer Verbindung gebildet. Das Volumen des Depots sollte vorzugsweise gleich oder größer als das Volumen der Schlacke bemessen sein. Das Depot dient dazu, die beim Verbindungsvorgang im Bereich der Kontaktfläche entstehende und dort herausgequetschte Schlacke möglichst weitgehend aufzunehmen. Bei einer Überfüllung des Depots wird die Schlacke seitlich aus dem Hohlraum herausgedrückt. Dort kann ihre Verbreitung oder Verteilung optional durch eine mechanische Barriere gezielt begrenzt oder definiert geführt werden. Dadurch erstarrt die Schlacke in kontrollierte Strukturen, die eine Nacharbeitung entbehrlich machen. Alternativ kann die herausgequetschte Schlacke nachgearbeitet werden, falls erforderlich.
Der Begriff „Schlacke“ umfasst alle Reststoffe, die insbesondere bei dem metallurgischen Verbinden anfallen, wie Schmelzen der beiden Komponenten, Oxide der Metalle der Komponenten, Oberflächenkontaminationen der Komponenten und ggf. Schmelze eines Lotes.
Die Begriffe „Eintauchweg“ und „Eintauchtiefe“ werden synonym verwendet.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel können die beiden Komponenten auch soweit aufeinander zu verfahren werden, dass kein Abstand bzw. kein Hohlraum zwischen ihnen verbleibt. Dann vergrößert sich die Kontaktfläche entsprechend; d.h. die Kontaktfläche umfasst dann nicht nur die gesamte Oberfläche des Strukturelementes, sondern auch den Teil der Oberflächenabschnitte der Komponenten, an denen sich die gegenüberstehenden Komponenten berühren. Dann entfällt das Depot und es quillt alle anfallende Schlacke nach außerhalb bzw. seitlich zu der eigentlichen Verbindung heraus, wie an Ende des letzten Absatzes beschrieben.
Bei dem bekannten Pressstumpfschweißen werden typischerweise große, planparallele Flächen miteinander verbunden. Demgegenüber dringen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sich zu ihrem freien Ende hin verjüngende, z.B. kegel- oder pyramidenförmige Strukturelemente mit anfangs kleinen Kontaktflächen in die Oberflächenabschnitte von gegenüberliegenden Komponenten ein, wobei sich die Kontaktfläche während des Prozesses aufweitet bzw. vergrößert.
Das bekannte Abbrennstumpfschweißen nutzt die Oberflächenrauigkeit oder Schmorkontakte an den Oberflächen der beteiligten Komponenten bei geringen Anpresskräften, was zu einem Abbrennvorgang und in einen schlagartigen Stauchvorgang führt. Demgegenüber sieht das erfindungsgemäße Verfahren punktuelle und/oder wohl definierte Anfangsflächen in Form der freien Enden der Strukturelemente vor bei vorzugsweise hinreichend konstant anliegender Anpresskraft. Dem Abbrennstumpfschweißen und dem erfindungsgemäßen Verfahren gemeinsam ist, dass die Schmelze aus dem Kontaktbereich herausgedrückt wird und somit der Schmelzenkern frei von Oxiden und Kontaminationen ist.
Charakteristische Merkmale des erfindungsgemäßen Verbindens von Komponenten über Strukturelemente:
* Die Kontur der Strukturelemente, die durch eine Verjüngung zu deren freien Ende hin charakterisiert ist, wird durch einen Stanz-, Präge-, Laser-, Zerspanungs- oder Gießprozess in einem flachen Teil der ersten, zweiten und/oder dritten Komponente hergestellt, ohne dass dabei ein der später gegenüberliegenden Komponente zugewandter Hohlraum, wie beim Buckelschweißen entsteht. An anderen Stellen kann die Außenkontur des Strukturelementes durchaus Ähnlichkeit mit einem Buckel oder einer Sicke besitzen. * In der zu Beginn des Verbindungsvorganges stattfindenden Kaltverformung werden mit Hilfe der verjüngten Enden der Strukturelemente die Oxidschichten zerstört und aus der Verbindungszone gedrückt.
* In der sich optional an die Kaltverformung anschließenden Warmverpressphase wird das Strukturelement nur so weit erweicht, dass sich zwischen dem verjüngten Ende der Strukturelemente und der Gegenkomponente definierte und gewünschte Anfangsflächen einstellen.
* Beim metallurgischen stoffschlüssigen Verbinden bleiben die Konturen der Strukturelemente, d.h. insbesondere deren verjüngte freie Enden, zumindest im Wesentlichen erhalten. Sie schmelzen sich allenfalls an ihrer Oberfläche auf und in die Gegenkomponente ein. Das Strukturelement verjüngt sich zu seinem freien Ende hin und dadurch vergrößert sich die Kontaktfläche während des Eintauchens.
* In der metallurgischen Verbindungsphase gehen die mindestens zwei Komponenten eine Schmelzschweiß- oder eine Lötverbindung oder eine ultraschallgeschweißte Verbindung ein, wobei das Strukturelement in die Gegenkomponente einschmilzt. In allen drei Fällen entsteht an den Seitenflanken der Strukturelemente eine Zone von Schlacke, die in der Zone und in dem ggf. vorhandenen Depot zwischen den sich gegenüberstehenden Komponenten gesammelt wird.
Unterschiedlich ist, bedingt durch die neu erfundene, sich zum freien Ende nicht aufweitende, sondern verjüngende Kontur der Strukturelemente, der Erwärmungsvorgang. Durch den kleineren Querschnitt des verjüngten Endes des Strukturelementes entsteht zu Beginn des metallurgischen Verbindens eine Energie-, ggf. Strom konzentration und damit eine für den Schweißbeginn oder Lötbeginn wichtige starke Erwärmung, idealerweise verbunden mit einem lokalen Aufschmelzen. Vorteilhaft ist, dass über die Form bzw. die Kontur des
Strukturelements der Wärmefluss im Zuge der Schweißung oder Lötung gut gesteuert werden kann. Im weiteren Fortschritt des Verbindungsvorganges nähern sich die beiden Komponenten einander an und, wegen der strukturelement-spezifischen Form, weitet sich die Kontaktzone auf. Die dadurch für die optimale Wärmeentwicklung erforderlichen, sich änderten Energieeinträge, beispielsweise Ströme, werden kontinuierlich oder abschnittsweise angepasst. Als Kriterien für den Steuerungs-ZRegelungs-Vorgang können die eingespeiste Energie oder der Eintauchweg, d. h. Eintauchtiefe herangezogen werden. Beendet wird der Verbindungsvorgang, wenn ein bestimmter Eintauchweg erreicht ist und / oder eine bestimmte Energie eingespeist wurde.
Nach dem Verbindungsvorgang verbleibt vorzugsweise ein Spalt zwischen den beiden Komponenten - hier mit Depot bezeichnet - in welchem die Schmelze erstarrt, soweit sie nicht seitlich aus den beiden erfindungsgemäß verbundenen Komponenten herausgequetscht wurde.
Durch das Einschmelzen in die Gegenkomponente werden in der Verbindungszone nur die Materialien der Komponenten ohne Oxide oder Kontaminationen miteinander verbunden.
Die interne Kontaktfläche zwischen den Komponenten ist nach dem erfindungsgemäßen Verbinden - gegenüber einem stumpfen/planflächigen Verbinden der Komponenten - durch die erfindungsgemäß vorgesehenen Strukturelemente vergrößert. Durch die vergrößerte Kontaktfläche werden der mechanische Kontakt und die elektrische Leitfähigkeit zwischen den Komponenten vorteilhafterweise wesentlich verbessert.
Unterschiede zwischen dem bekannten Schweißen von Buckeln und dem Verbinden der metallischen Komponenten über Strukturelemente gemäß der Erfindung, beispielhaft per Schmelzschweißen:
Figure imgf000013_0001
Figure imgf000014_0001
Figure imgf000015_0001
Das Verpressen und das metallurgische Verbinden können zeitlich nacheinander erfolgen. Alternativ kann das metallurgische Verbinden auch bei gleichzeitig anhaltendem Verpressen der Komponenten mit der Anpresskraft erfolgen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens können durch die metallurgische Verbindung auch die erste und die zweite Komponente über eine dritte Komponente miteinander verbunden werden. Die dritte Komponente weist dazu mindestens zwei Oberflächenabschnitte auf und wird als Verbindungsglied, auch Brückenkomponente genannt, zum Verbinden der ersten und der zweiten Komponente verwendet bzw. angeordnet. Einer der Oberflächenabschnitte der dritten Komponente liegt dann beim Verpressen und beim Herstellen der metallurgischen Verbindung dem Oberflächenabschnitt der ersten Komponente zugewandt gegenüber und der andere der Oberflächenabschnitte der dritten Komponente liegt dabei dann dem Oberflächenabschnitt der zweiten Komponente zugewandt gegenüber. Die Brückenkomponente kann - genauso wie die übrigen Komponenten - starr, z.B. als Stromschiene, oder flexibel, z.B. als Kabelstück, insbesondere als Kalbell itze oder als Litzenband ausgebildet sein. Alternativ kann das Kabelstück bzw. die Kabellitze auch starr ausgebildet sein.
Alternativ kann die metallurgische Verbindung die dritte Komponente auch nur mit der zweiten (oder mit der ersten) Komponente verbinden, wenn die dritte Komponente nur der zweiten (oder nur der ersten) Komponente zugewandt ist. Dann ist die dritte Komponente indirekt, d. h. über die zweite (oder über die erste) Komponente, auch mit der ersten (oder der zweiten) Komponente verbunden. Die erste Komponente ist dann eine Zwischenkomponente insofern, als dass sie zwischen der dritten und der zweiten Komponente angeordnet sein kann. Alternativ kann die zweite Komponente Zwischenkomponente sein, insofern, als dass sie zwischen der dritten und der ersten Komponente angeordnet sein kann. Die dritte Komponente weist dazu in beiden Fällen mindestens einen Oberflächenabschnitt auf. An der zweiten (oder der ersten) Komponente ist dann neben einem ersten Oberflächenabschnitt, mit dem die zweite (oder die erste) Komponente der ersten (oder der zweiten) Komponente gegenübersteht, mindestens ein zweiter Oberflächenabschnitt ausgebildet, mit dem die zweite (oder die erste) Komponente dem Oberflächenabschnitt der dritten Komponente beim Verpressen und beim Herstellen der metallurgischen Verbindung gegenübersteht. Für beide Alternativen für die dritte Komponente gilt: Vor dem Verpressen kann an mindestens einem der Oberflächenabschnitte der dritten Komponente mindestens ein Strukturelement ausgebildet werden. Das Strukturelement dringt dann bei dem Verpressen und/oder bei dem metallurgischen Verbinden mit einer Kontaktfläche als Teil seiner Oberfläche mit einer Ist-Eintauchtiefe und mit einer Ist-Energie in den gegenüberliegenden Oberflächenabschnitt der ersten und/oder zweiten Komponente ein, bis eine vorbestimmte Soll-Eintauchtiefe oder ein vorbestimmter Soll- Energieeintrag erreicht wird. Auch in diesen Fällen bleibt die sich verjüngende Kontur des Strukturelementes zumindest im Wesentlichen während des Eindringens erhalten. Alternativ oder zusätzlich zu der Variante, dass das Strukturelement an dem Oberflächenabschnitt der dritten Komponente ausgebildet wird, kann das Strukturelement auch an der ersten und/oder der zweiten Komponente ausgebildet sein zum Eindringen in die dritte Komponente.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann vor dem Verpressen, zwischen dem Verpressen und dem metallurgischen Verbinden oder während des metallurgischen Verbindens ein mindestens einlagiger Hilfsstoff, beispielsweise in Form eines Lotes bei einer Lötverbindung, einer Beschichtung und/oder einer Folie, auf mindestens einen der Oberflächenabschnitte der ersten, zweiten und/oder der dritten Komponente und/oder auf die Oberfläche des Strukturelementes aufgebracht oder zwischen das Strukturelement und die gegenüberliegende Oberfläche eingebracht werden.
Das Aufbringen des Lotes ist für die Lötverbindung besonders vorteilhaft, weil sich zwischen der Lotschicht und der gegenüberliegenden Komponente eine vorzugsweise eutektische Schmelze ausbildet mit einem Schmelzpunkt, der signifikant unterhalb der niedrigsten Schmelztemperatur von beiden Metallen liegt, aus denen die beteiligten Komponenten gefertigt sind. Die intermetallischen Phasen sollen duktil sein. Ziel ist es, dass die Gegenkomponente nur im Bereich der Schmelzzone aufschmilzt. Der metallische Rest der Komponenten mit dem Strukturelement bleibt fest und damit formstabil erhalten. Bei dem Verpressen kann es sich um ein alleiniges Kaltverpressen, ein Kaltverpressen mit anschließendem Warmverpressen oder alleine um ein Warmverpressen der Komponenten miteinander handeln
Während der Kalt- und/oder Warmverpressung kann ein statischer Anteil der Anpresskraft zumindest zeitweise mit einem dynamischen Anteil der Anpresskraft, beispielsweise in Form einer periodischen Schwingung der Anpresskraft überlagert werden. Dies hätte den Vorteil, dass durch den dynamischen Anteil Verunreinigungen auf den Berührungsflächen gelöst und von den Berührungsflächen verdrängt werden.
Das Kaltverpressen wird erfindungsgemäß dann beendet, wenn eines der folgenden Kaltpress-Abschaltkriterien gegeben ist:
- Die Ist-Eintauchtiefe hat die vorbestimmte Soll-Eintauchtiefe erreicht; und/oder
- die Ist-Kaltpressdauer übersteigt eine vorgegebene Soll-Kaltpressdauer.
Beim optionalen Warmverpressen werden die Komponenten mit Hilfe der Energieübertragungselemente mit Wärme beaufschlagt, wobei der dabei realisierte Energieeintrag während des Warmverpressens, wenn dieses denn stattfindet, der erste Teil des Gesamtenergieeintrages ist; ein zweiter Teil des Gesamtenergieeintrags erfolgt in der nachfolgenden Phase des metallurgischen Verbindens. Wenn kein Warmverpressen stattfindet, erfolgt der Gesamtenergieeintrag erst während des metallurgischen Verbindens.
Die während der Warmverpressung in die Verbindung eingetragene (Wärme-) Energie hat zumindest einen statischen Anteil, der optional zusätzlich mit einem periodischen Anteil von Energie überlagert bzw. moduliert werden kann. Eine Modulation des Energieeintrags, beispielsweise per Strom, führt zu einer abwechselnden Erwärmung und Abkühlung der Kontaktfläche zwischen dem Strukturelement einer Komponente und dem gegenüberliegenden Oberflächenabschnitt einer anderen Komponente, in den das Strukturelement eindringt. Da die Ausdehnungskoeffizienten von beispielsweise Reinmetall und dessen Oxid sehr unterschiedlich sind (AI: 22 ppm zu 8 ppm) entsteht bei einem Temperaturwechsel eine Scherbewegung, die zu einem gewünschten Ablösen einer Oxidschicht an den Berührungsflächen führt. Eine zusätzliche Modulation der Anpresskraft verstärkt diesen Mechanismus.
Das Eindringen des Strukturelementes in den gegenüberliegenden Oberflächenabschnitt kann bereits während des Warmverpressens beginnen, soweit das Warmverpressen erfolgt. Das Eindringen des Strukturelementes muss nicht erst bei der Herstellung der metallurgischen Verbindung beginnen.
Das Warmverpressen wird typischerweise beendet, wenn eines der folgenden Warmpress-Abschaltkriterien gegeben ist:
- Die Ist-Eintauchtiefe hat die vorbestimmte Soll-Eintauchtiefe erreicht; und/oder
- Eine Ist-Warm pressdauer hat eine vorgegebene Soll-Warmpressdauer erreicht; und/oder
- Die während des Warmverpressens in die entstehende Verbindung eingetragene Ist-Energie hat einen vorgegebenen Warmpress-Soll-Energiewert erreicht.
Die Komponenten können sich beim Verpressen und metallurgischen Verbinden mit dem mindestens einen Strukturelement stirnseitig gegenüberstehend oder zumindest teilweise überlappend relativ zueinander angeordnet sein.
Beim Warmverpressen und/oder bei dem metallurgischen Verbinden können die Elektroden nicht nur zum Generieren und Übertragen des Stromes, sondern auch als die Aktuatoren zum Aufbringen der Anpresskraft fungieren. Das hätte den Vorteil, dass die Elektroden während des Verbindungsvorganges nicht kraftfrei werden.
Während des Warmverpressens und/oder während des metallurgischen Verbindens ist die Anpresskraft der Aktuatoren, vorzugsweise der Elektroden, wenn diese auch zum Aufbringen der Anpresskraft dienen, stets größer Null. Die Anpresskraft wird in Abhängigkeit der sich ändernden Kontaktfläche eingestellt bzw. variiert. Da der Verbindungsvorgang in sehr kurzer Zeit, konkret innerhalb einiger Zehntelsekunden, stattfindet und die Anpresskraft in dieser Zeitspanne in einem definierten Kraftbereich gehalten werden muss, reicht im Regelfall die Dynamik der typischer Weise verwendeten Aktuatoren bzw. Kraftsteller nicht aus. Kraftschwankungen führen zu Änderungen des Oberflächenwiderstandes und folglich zur Überhitzung oder zu unzureichender Wärme. Ergänzend zu dem Aktuator wird deshalb erfindungsgemäß eine Federeinrichtung vorgesehen, welche die Schwankungen der Kraft mit der notwendigen Dynamik ausgleicht.
Außerdem zeigen bestimmte Metalle, z.B. Aluminium, eine sehr starke Oxidationsneigung. Nach dem Kaltverpressen und/oder Warmverpressen sind die oxidischen Oberflächenschichten gebrochen/zerstört und ein erster Energiekanal, beispielsweise Stromkanal zwischen den Komponenten wurde geschaffen. Würde bei einem Übergang von Impuls zu Impuls oder während des Eindringens des Strukturelementes das Energieübertragungselement kurzzeitig kraftfrei oder gar abgehoben werden, würde sofort eine Reoxidation eintreten und durch geringen Versatz würde die Oberflächenrauigkeit mit erhöhtem Oberflächenwiderstand von Neuem entstehen, was sehr ungünstig wäre für eine ausdrücklich gewünschte gute elektrische Leitfähigkeit zwischen den erfindungsgemäß miteinander verbundenen Komponenten, insbesondere in deren Kontaktflächen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird bei Erreichen der Soll-Eintauchtiefe geprüft, ob die bis dahin eingebrachte Energie in vordefinierten Grenzen liegt, oder es wird nach dem Einbringen eines vorbestimmten Energieeintrags geprüft, ob die Eindringtiefe in vordefinierten Grenzen für die Soll-Eindringtiefe liegt. Beide Prüfverfahren sind optional und dienen der Qualitätskontrolle, denn idealerweise erfüllt die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Verbindung beide Kriterien, d.h. die Soll-Eindringtiefe ist erreicht und es ist nicht zu wenig, aber auch nicht zu viel Energie in die Verbindung eingetragen worden. Sofern eine der Bedingungen noch nicht erfüllt ist, kann evtl, noch eine Korrektur erfolgen. D.h. die Eindringtiefe oder die zugeführte Energie wird noch einmal korrigiert, um entsprechende Vorgaben zu erfüllen. Das ist vorteilhaft für das Erreichen einer angestrebten guten elektrischen Leitfähigkeit zwischen den metallurgisch verbundenen Komponenten. Das Beaufschlagen des Fügebereiches während des Verpressens und/oder während des metallurgischen Verbindens mit einem Schutzgas bietet den Vorteil, dass die entstehende Verbindung der beiden Komponenten vor Sauerstoff oder schädlichen Substanzen geschützt wird. Auch das ist vorteilhaft für das Erreichen einer angestrebten guten elektrischen Leitfähigkeit zwischen den metallurgisch verbundenen Komponenten.
Bei dem ersten Metall der ersten Komponente, dem zweiten Metall der zweiten Komponente und bei dem dritten Metall der dritten Komponente kann es sich um unterschiedliche oder um gleiche Metalle oder Metalllegierungen handeln.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten Metall, aus dem die erste Komponente gefertigt ist, um Kupfer oder eine Kupferlegierung und bei dem zweiten Metall, aus dem die zweite Komponente gefertigt ist, um Aluminium oder eine Aluminiumlegierung. Beide Metalle haben eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit.
In besonderer Weise hilft die Form der erfindungsgemäßen Strukturelemente, auch bei dem erfindungsgemäßen Verpressen und/oder metallurgischen Verbinden der Komponenten mittels Ultraschall US. Anstelle von Strom der mit Hilfe der Elektroden in die Komponenten eingebracht wird, wird dann Ultraschall mit Hilfe von Sonotroden in die Komponenten eingebracht, um deren Erwärmung an den Kontaktflächen zu realisieren.
Konkret ermöglichen die Strukturelemente eine Qualität der Verbindung, die bei einer flächigen Kontaktzone an den Komponenten ohne Strukturelemente, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, nicht erzielbar wäre:
1. Bei einer vollständig planen Anpressfläche der beiden Komponenten werden die auf beiden Flächen befindlichen Oxid- und Kontaminationsschichten mit Ausnahme der Randzone nicht ausgequetscht, sondern verbleiben in Undefinierter Weise in der Verbindungszone und stören und unterbrechen den Verbindungsaufbau (Stand der Technik). 2. Diese Kontaminationszonen vermindern die Festigkeit der Verbindung, erhöhen den Durchgangswiderstand und können als „Herd“ für spätere Korrosionsschäden in der Betriebsphase dienen (Stand der Technik).
3. Durch die Form der erfindungsgemäßen Strukturelemente kann eine Geschwindigkeitstransformation der sonotrodenseitigen Berührfläche der Komponente erreicht werden.
Dies bedeutet, dass die Ultraschallbewegung der Sonotrode in eine größere laterale und/oder axiale Bewegung der „Spitze“ des Strukturelements transformiert wird. Dadurch wird deren Erwärmung realisiert.
4. Form und Abmessung der Strukturelemente werden vorzugsweise der gewählten US-Frequenz und Kopplungsart angepasst.
5. Anzahl, Form und Abmessungen bestimmen die Festigkeit und den Durchgangswiderstand.
Die oben genannte Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 29 und durch die Komponente gemäß Anspruch 33 gelöst. Die Vorteile dieser Lösungen entsprechen den zuvor mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren genannten Vorteilen.
Die Vorrichtung weist vorzugsweise eine Schneid-, Säge-, Zerspanungs-, Laser- Stanz- oder Prägeeinrichtung, insbesondere eine Matrize, auf zum Ausbilden des Strukturelementes an dem Oberflächenabschnitt der ersten, zweiten und/oder der dritten Komponente. Die Implementierung von zumindest einer dieser Einrichtungen in die Vorrichtung zur Herstellung einer metallurgischen Verbindung bietet den Vorteil, dass der Vorgang der Ausbildung der Strukturelemente innerhalb der Vorrichtung erfolgen kann. Die Implementierung ist optional, was durch die Beanspruchung dieser Einrichtungen als abhängiger Anspruch zum Ausdruck kommt. Alternativ kann die Einrichtung zur Ausbildung des Strukturelementes auch außerhalb der Vorrichtung zur Herstellung einer metallurgischen Verbindung vorgesehen sein. In zeitlicher Hinsicht erfolgt die Ausbildung des Strukturelementes in jedem Fall vor und unabhängig von dem Verpressen der Komponenten in einem separaten Arbeitsgang. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der Beschreibung sind 10 Figuren beigefügt, wobei
Figur 1 verschiedene Ausführungsformen für das sich verjüngende freie Ende des Strukturelementes;
Figur 1 a verschiedene Ausführungsformen für die Ausbildung von Löchern in den Strukturelementen und/oder in den Komponenten, an denen die Strukturelemente ausgebildet sind;
Figur 2 verschiedene Ausführungsformen für die Anordnung der Strukturelemente zwischen einer ersten und einer zweiten Komponente;
Figur 3 eine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren realisierte stoffschlüssige metallurgische Verbindung zwischen der ersten und der zweiten metallischen Komponente;
Figur 4a, eine dritte Komponente als
4b und 4c Verbindungsglied zwischen einer ersten und einer zweiten Komponente, wobei die dritte Komponente mindestens zwei Oberflächenabschnitte aufweist, an denen beispielhaft Strukturelemente ausgebildet sind zum Eindringen in die erste und die zweite Komponente;
Figur 5a einen beispielhaften zeitlichen Zusammenhang zwischen verschiedenen und 5b Verfahrensschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Figur 6 die Anordnung der Komponenten und Elektroden zu Beginn des erfindungsgemäßen Verbindungsvorganges mittels Schmelzschweißen; Figur 7 die Anordnung der Elektroden und Komponenten nach Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Herstellen einer Schmelzschweißverbindung,
Figur 8 die Anordnung der Elektroden und Komponenten zu Beginn des erfindungsgemäßen Verbindungsvorganges durch Löten;
Figur 9 die erfindungsgemäße Verbindung der Komponenten nach dem Durchführen des Lötvorganges; und
Figuren
10a und
10b das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren des Buckelschweißens zeigt bzw. veranschaulichen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren in Form von Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben. In allen Figuren sind gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Die Erfindung zielt darauf ab, mindestens zwei metallische Komponenten K1 , K2, K3 miteinander zu verbinden. Um diese Verbindung möglichst gut zu realisieren, sind an einem Oberflächenabschnitt von mindestens einer der miteinander zu verbindenden Komponenten Strukturelemente c im Sinne der Erfindung ausgebildet. Die Strukturelemente c sind dafür vorgesehen, im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens in die gegenüberliegende Komponente einzudringen, um die Verbindung zu verbessern.
Bei dem Strukturelement handelt es sich um ein 3-dimensionales geometrisches Objekt, dass sich zu einem freien Ende hin verjüngt. Es ist beispielsweise in Form von einem Zahn, siehe Figur 11), einem Kegel, siehe Figur 1 VI), einem Kegelstumpf, siehe Figur 1 V), einer Pyramide, siehe Figur 1 VII), einem Pyramidenstumpf, siehe Figur 1 VII), einer Kugel oder einem Kugelsegment, siehe Figur 111), einem liegenden Zylinder, einem liegenden Zylindersegment, insbesondere einem Halbzylinder, siehe Figur 11ll), einer Säule, siehe Figur 11V) oder in Form von einer beliebigen Kombination dieser Objekte ausgebildet, wobei die Objekte dann optional auch übereinander angeordnet sein können.
Besonders bevorzugt sind Strukturelemente c, die an ihrem verjüngten freien Ende schräge Mantelflächen aufweisen. Dies ist z.B. bei Kegeln oder Pyramiden und deren Stümpfen gegeben. Die Verjüngung bzw. die schrägen Mantelflächen erzeugen bei dem erfindungsgemäßen Verbindungsverfahren anfangs bei der vorgegebenen Kraft aufgrund der anfangs kleinen Fläche eine sehr große Flächenpressung, was hilfreich ist, um Schlackenbestandteile, wie freie Schmelze, Oxide und Kontaminationen sicher aus der Schmelzzone herausquetschen zu können. Vorzugsweise ist das freie Ende des Strukturelementes c deshalb verjüngend in Form einer Spitze oder einer annährend gerundeten Form ausgebildet.
Die Strukturelemente c, egal mit welcher Kontur, sind mit den oben im allgemeinen Teil der Beschreibung genannten Einrichtungen herstellbar.
Das Strukturelement c und der Endbereich der Komponente K1 , K2, K3, an dem das Strukturelement ausgebildet ist, sind vorzugsweise massiv aus Vollmaterial gebildet.
Gemäß Fig. 1a können aber auch Löcher 40, auch in Form von Sackbohrungen, oder andersartige künstliche Deformationen, z.B. Dellen, in oder an dem Strukturelement c bzw. dem Endbereich der Komponente K1 , K2, K3 ausgebildet sein. Die Löcher 40 oder entsprechende Sackbohrungen können gemäß den Figuren 1a I), II), III) in Form eines Langlochs, eines oder mehrerer kreisförmiger Löcher oder eines Dreiecks ausgebildet sein. Der Strom muss um die Löcher 40 herumfließen, wodurch die Stromführung geändert und die Stromdichte und damit die Wärmeentwicklung im Randbereich der Löcher erhöht wird; gegenüber der Ausbildung der Strukturelemente ohne Löcher kommt es durch die Löcher zu einer lokalen Zusatzerwärmung. Insofern kann durch eine gezielte Platzierung und Ausgestaltung der Löcher oder der Deformationen eine gewünschte - von der Wärmeverteilung ohne Löcher und Deformationen abweichende - Wärmeverteilung in dem Strukturelement oder dem Endbereich der Komponente realisiert werden.
Dies wird besonders anschaulich in Fig. 1a IV, wo die Ausbildung mehrerer Strukturelemente c beispielhaft an einer Komponente K1 gezeigt ist. Durch die kleinen Löcher 40 in der Komponente K1 nahe den Strukturelementen c wird der Strom gezwungen, auf die Strompfade zwischen den kleinen Löchern 40 auszuweichen, symbolisiert durch die fett-gedruckten Pfeile in diesen Zwischenbereichen. Die Stromdichte und damit auch die Wärmeentwicklung wird dadurch in diesen Zwischenbereich deutlich erhöht; gleichzeitig wird der Wärmeabfluss aus der späteren Verbindungszone, wo die Strukturelemente in die Gegenkomponente eingedrungen sind, zurück in die Komponente K1 reduziert. Bei dem großen Loch 40' im Hinterland der Komponente handelt es sich um eine Befestigungsbohrung für die Komponente.
Vorteilhaft ist auch das Vorsehen von optionalen Fließkanälen 45, welche den zum Eindringen in die Gegenkomponente vorgesehenen Teil der Oberfläche der Strukturelemente mit den Löchern 40 oder Sackbohrungen verbinden. Dadurch wird es möglich, dass die Löcher oder Sackbohrungen als zusätzliche Depots fungieren können, in welche beim Verbindungsprozess entstehende Schlacke durch die Fließkanäle abfließen kann.
Figur 2I) zeigt gradlinig angeordnete Strukturelemente c, wobei diese teilweise auch in Form eines umlaufenden und geschlossenen Rings ausgebildet sind. Figur 2II) zeigt sternförmig angeordnete gradlinige Strukturelemente c. Figur 2111) zeigt aneinandergereihte einzelne Strukturelemente c. Figur 2IV) zeigt unterschiedliche aneinandergereihte Einzelelemente zwischen der ersten Komponente K1 und der überlappenden zweiten Komponente K2.
Die erste Komponente K1 und die zweite Komponente K2 überlappen in Figur 2 beispielhaft. Die ringförmige Anordnung gemäß Figur 2I), die zwar umlaufend geschlossen, nicht aber notwendigerweise kreisförmig, ausgebildet sein sollte, bietet den Vorteil, dass ihre um laufende Struktur in Form eines Dichtungskragens den Schlacke- bzw. Schmelzeaustritt verhindert. Freie Schmelze, Oxide und Kontaminationen sammeln sich als Schlacke im Depot. Ohne die ringförmige Anordnung der Strukturelemente besteht die Gefahr, dass die Schlacke auch in einem Bereich außerhalb der Verbindungszone erstarrt und dann in einem zusätzlichen Arbeitsgang entfernt werden muss.
Gemäß Figur 3 können die erste Komponente K1 und die zweite Komponente K2 - alternativ zu der in Figur 2 gezeigten überlappenden Anordnung - auch stirnseitig einander gegenüberstehen und gemäß der vorliegenden Erfindung miteinander verbunden sein. Dafür ist an der Stirnseite von zumindest der Komponente K2 das mindestens eine erfindungsgemäße Strukturelement c ausgebildet, das im Rahmen des erfindungsgemäßen Verbindungsverfahrens in die erste Komponente K1 eindringt.
Die in Figur 3 gezeigten Strukturelemente c sind an der zweiten Komponente K2 beispielsweise zahnförmig ausgebildet. Sie werden mit Hilfe von Aktuatoren mit einer Anpresskraft F1 , F2 in die erste Komponente K1 hineingedrückt. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Elektroden E1 , E2 der Komponenten K1 , K2 unabhängig von den Aktuatoren ausgebildet und kontaktieren die Komponenten K1 und K2 an anderer Stelle.
Generell ist eine räumliche und zeitliche Entkopplung der beiden Vorgänge „Ausbilden des Strukturelementes“ und „Verpressen“ vorteilhaft. Bei einer Einzelpressenanlage zum Prägen oder Stanzen des Strukturelementes, die von der erfindungsmäßen Vorrichtung zum Herstellen der metallurgischen Verbindung entkoppelt ist, wird zuerst die erste Komponente eingelegt, darauf eine bevorzugt erwärmte Matrize gelegt, abschließend presst ein Aktuator, beispielsweise die Oberelektrode, die Matrize vorzugsweise temperatur-, kraft- und/oder wegüberwacht in den Oberflächenabschnitt der ersten Komponente, wodurch dort das Strukturelement ausgebildet wird. Anschließend wird die Matrize entfernt. Optional wird weiter anschließend die zweite Komponente in die Einzelpressanlage eingelegt und der Prägevorgang mit der Matrize zur Ausbildung eines Strukturelementes an dem Oberflächenabschnitt der zweiten Komponente wiederholt. Nachfolgend wird das Verpressen eingeleitet. Das Merkmal, dass das Strukturelement beim Warmverpressen und beim Herstellen der metallurgischen Verbindung, insbesondere beim Eindringen in den Oberflächenabschnitt der gegenüberliegenden Komponente, erhalten bleibt, schließt nicht aus, dass die Oberfläche des Strukturelementes bei dem Eindringvorgang leicht anschmilzt. Dadurch bleibt aber das Strukturelement trotzdem in seiner geometrischen Gestalt zumindest im Wesentlichen erhalten.
Figur 4a veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel, bei dem die erste Komponente K1 und die zweite Komponente K2 über eine zwischen ihnen angeordnete dritte Komponente K3 in Form einer Zwischenkomponente miteinander verbunden sind. An der Oberseite der dritten Komponente K3 ist gemäß Figur 4I) ein einstückiges Strukturelement c in Form eines umlaufenden Rings ausgebildet. An der Unterseite der dritten Komponente sind beispielsweise gemäß Figur 4III) über den Umfang verteilt einzelne Strukturelemente c ausgebildet. Figur 4II) zeigt eine Querschnittsansicht der dritten Komponente K3. Figur 4IV) veranschaulicht schließlich die überlappende Anordnung der ersten Komponente K1 und der zweiten Komponente K2 mit der dazwischenliegenden dritten Komponente K3. Die soeben unter Bezugnahme auf die Figuren 4I), II) und III) gezeigten Strukturelemente c sind in Figur 4IV) gezeigt, wie sie gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in die erste Komponente K1 und die zweite Komponente K2 eindringen und auf diese Weise für eine gute stoffschlüssige metallurgische Verbindung zwischen allen beteiligten Komponenten sorgen, insbesondere auch für eine gute elektrische Leitfähigkeit zwischen diesen Komponenten. Die hier in Fig. 4a gezeigte Ausführung der dritten Komponente K3 in Form eines Rings ist lediglich beispielhaft; genauso gut könnte die dritte Komponente auch als ein geometrisch beliebig anders geformter Körper ausgebildet sein.
Im Unterschied zu Fig. 4a veranschaulicht Fig. 4b ein Ausführungsbeispiel, bei dem die erste Komponente K1 und die zweite Komponente K2 über die dritte Komponente K3 in Form einer parallelen Brückenkomponente miteinander verbunden sind. An der Unterseite der dritten Komponente K3 sind ein erster und ein zweiter Oberflächenabschnitt jeweils mit Strukturelementen c ausgebildet. In Fig. 4b I) sind die Strukturelemente c an dem ersten Oberflächenabschnitt auf die erste Komponente K1 und die Strukturelemente an dem zweiten Oberflächenabschnitt auf die zweite Komponente K2 zunächst nur aufgesetzt.
In Fig. 4b II) ist gezeigt, wie die Strukturelemente c gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in die erste Komponente K1 und die zweite Komponente K2 eindringen und auf diese Weise für eine gute stoffschlüssige metallurgische Verbindung zwischen allen beteiligten Komponenten sorgen, insbesondere auch für eine gute elektrische Leitfähigkeit zwischen diesen Komponenten. Die Strukturelemente der dritten Komponente K3 dringen hier beispielhaft nicht vollständig in die erste und die zweite Komponente K1 , K2 ein, so dass jeweils ein Zwischenraum als Depot 10 für entweichende Schlacke verbleibt.
Die Brückenkomponente gemäß Fig. 4b ermöglicht beispielhaft die Verbindung zweier plan aufliegender Komponenten K1 , K2 aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien.
Fig. 4c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die dritte Komponente K3, nämlich als serielle Brückenkomponente. Die Strukturelemente c sind hier an den Stirnseiten der Brückenkomponente K3 ausgebildet. Fig. 4c I zeigt eine Draufsicht auf die Komponenten K1 , K3 und K2 vor Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 4c II zeigt in einem horizontalen Schnitt bzw. ebenfalls in einer Draufsicht, wie die Strukturelemente c der dritten Komponente K3 nach Abschluss des erfindungsgemäßen Verfahrens in die gegenüber liegenden Oberflächenabschnitte der ersten und zweiten Komponente K1 , K2 eingedrungen sind. Zu erkennen sind auch die verbliebenen Depots 10. Besonders bevorzugt ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Ausbildung der dritten (Brücken-) Komponente K3 als flexibles Litzenband, wobei dessen Litzen an den freien Enden kompaktiert sind; die kompaktierten Bereiche an den freien Enden sind mit dem Bezugszeichen c10 bezeichnet. Bevorzugt ist folgende Werkstoffpaarung: Die erste und die zweite Komponente sind aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung und die dritte (Brücken-) Komponente ist aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gefertigt. Fig. 4c III zeigt einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäß verbundenen Komponenten K1 , K3 und K2.
Beide Figuren 5a und 5b veranschaulichen den zeitlichen Verlauf verschiedener physikalischer Parameter bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei diesen Parametern handelt es sich um die Anpresskraft, den Strom, die Eintauchtiefe, die in die Verbindung eingebrachte (Wärme-) Energie und die Größe der Kontaktfläche zwischen den Strukturelementen und der Gegenkomponente, in die die Strukturelemente c eindringen.
Erläuterungen zu den Parametern im Einzelnen:
Anpresskraft:
Ein elektromotorisches, pneumatisches oder auch hydraulisches Stellglied (Aktuator) erzeugt die für die Herstellung eines guten Kontaktes zwischen den Komponenten K1 , K2, K3 und den Energieübertragungselementen einerseits und zwischen den Komponenten andererseits notwendige Anpresskraft. Die in der Kalt- u/o Warmverpressphase einer statischen Anpresskraft optional überlagerte Modulation der Anpresskraft dient zum Zerstören der Oxid- und Kontaminationsschichten und zur Formung einer reproduzierbaren Kontaktfläche. Zudem wird über die Anpresskraft in Kombination mit dem zusätzlichen Wärme-Energieeintrag, beispielsweise per Strom, die Erwärmung der Kontaktfläche zwischen dem Strukturelement und der gegenüberliegenden Komponente gesteuert.
Strom
Der Strom erzeugt in der Warm pressphase und in der metallurgischen Verbindungsphase die für den jeweiligen Prozessschritt notwendige Wärme. Durch die optionale Modulation in der Warm pressphase entsteht eine überlagerte zusätzliche Temperaturänderung, die die Ablösung der Oxidschicht verstärkt. In der metallurgischen Verbindungsphase wird der Strom den sich ändernden Verhältnissen angepasst. Durch das Vergrößern der Kontaktfläche während des Verbindungsvorganges ändert sich der notwendige Strompegel, um die erforderliche Wärme zu erzeugen. Diese Anpassung kann kontinuierlich oder abschnittsweise erfolgen. Diese Änderungen der Kraft und/oder des Stromes erfolgt in Abhängigkeit des Eintauchweges oder der eingespeisten Energie.
Eintauchtiefe:
Beginnend von der erstmaligen Berührhöhe der Strukturelemente e mit der Gegenkomponente vergrößert sich die Eintauchtiefe, d.h. der Eintauchweg kontinuierlich solange, bis eine vorgegebene Soll-Eintauchtiefe erreicht ist. Dabei wird der Eintauchweg bzw. die Eintauchtiefe in mehrere Segmente, d.h. Abschnitte unterteilt, für die unterschiedliche oder gleiche Energie-Eintragung-, beispielsweise Strom-, und Anpresskraftpegel eingestellt werden. Die Übergänge zwischen den einzelnen Segmenten sind in den Figuren durch eingezeichnete Ebenen bzw. Wegmarken markiert. Die Wegmarken repräsentieren jeweils vorbestimmte Eintauchtiefen, die kleiner oder gleich der vorgegebenen maximalen Soll-Eintauchtiefe sind. Alternativ können die Wegmarken auch jeweils vorbestimmte Energielevel repräsentieren, die bei einzelnen Etappen des Eintauchweges jeweils erreicht sein sollen; in diesen Fällen werden die Wegmarken auch als Energiemarken bezeichnet. Bei Erreichen einer Weg- oder Energiemarke können bestimmte Qualitäts-Kontrollverfahren durchgeführt werden, wie nachfolgend beschrieben. Unabhängig davon, ob solche Kontrollverfahren durchgeführt werden oder nicht, wird mit Erreichen einer vorgegebenen (Gesamt-) Soll-Eindringtiefe bzw. eines vorgegebenen (Gesamt-) Soll-Energieeintrags, die Eintragung weitere Energie gestoppt, insbesondere der Strom abgeschaltet, und ein Abkühlvorgang gestartet.
Kontaktfläche:
Mit fortschreitendem Verbindungsprozess vergrößert sich die Kontaktfläche.
In zeitlicher Abfolge gliedert sich das erfindungsgemäße Verfahren in die folgenden Verfahrensschritte: Kaltverpressen, Warmverpressen (optional), metallurgisches Verbinden und Abkühlen, wie in den Figuren 5a und 5b gleichermaßen zu erkennen ist.
Die zeitlichen Abläufe in den Figuren 5a und 5b sind rein schematische und lediglich beispielhafte Darstellungen. Sie gelten unabhängig davon, ob die metallurgische Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Schmelzschweißen, Hartlöten oder Ultraschallschweißen, als Methode zum Energieeintragen hergestellt wird. Reale zeitliche Verläufe können von den in den Figuren gezeigten Verläufen abweichen.
Die Figuren 5a und 5b unterscheiden sich in den Zeilen für den Energieverlauf und für den Verlauf der Eintauchtiefe für unterschiedliche Qualitäts-Kontrollverfahren. In Fig. 5a zeigt der zeitliche Verlauf der eingetragenen Energie die Lage von Energie- Korridoren für die festgelegten Wegmarken der Eintauchtiefe. In Fig. 5b zeigt der zeitliche Verlauf der Eintauchtiefe die Lage der Höhenkorridore für festgelegte Energiemarken der eingetragenen Energie. Beide Kontroll-Verfahren können als Steuerung oder als Regelung realisiert sein.
Fig. 5a veranschaulicht, insbesondere in den Zeilen für die Parameter Eintauchtiefe und die Energie, ein Eintauchtiefen-gesteuertes Qualitätskontroll-Verfahren. Es umfasst folgende Teilschritte: a) Überprüfen und Feststellen, dass das Strukturelement c der ersten Komponente K1 bei seinem Eindringen in die zweite oder dritte Komponente K2, K3 eine erste Wegmarke erreicht; b) Überprüfen an der ersten Wegmarke, ob sich die bis dahin in die durch das Eindringen entstehende Verbindung eingetragene Ist-Energie in einem Zielkorridor für einen der ersten Wegmarke zugeordneten Soll-Energieeintrag befindet; c‘) falls ja: Fortsetzen des Eindringvorganges bis zu einer nachfolgenden Wegmarke, und dort Wiederholen von Schritt b für die nachfolgende Wegmarke; und c“) Im Falle einer Steuerung, falls nein: Anpassen von mindestens einer Stellgröße so, dass bei Erreichen der nachfolgenden Wegmarke ein für die nachfolgende Wegmarke vorgegebener Soll-Energieeintrag voraussichtlich erreicht wird, und anschließend: Ausführen von Schritt c‘) mit den angepassten Stellgrößen; oder c“) Im Falle einer Regelung, falls nein: Ermitteln der Differenz zwischen dem Ist- Energieeintrag und dem Soll-Energieeintrag an der ersten Wegmarke als Energie- Regelabweichung, Anpassen von mindestens einer Stellgröße nach Maßgabe der Energie-Regelabweichung so, dass die Energie-Regelabweichung an der nachfolgenden Wegmarke voraussichtlich zu Null wird, und anschließend: Ausführen von Schritt c‘) mit der angepassten Stellgröße.
Bei diesem Eintauchtiefen-gesteuerten Qualitätskontroll-Verfahren ist die Energie die Kontrollgröße. Als Stellgrößen können fungieren: Die Anpresskraft, der Strompegel oder die Amplitude oder die Frequenz der Sonotrode bei Anwendung des Ultraschall- Schweißverfahrens oder die Löttemperatur. Der Korrekturwert für die Stellgröße ist im Falle der Steuerung ein fester Wert aus einer Tabelle.
Der Abstand zwischen den Wegmarken und somit die Anzahl der Kontrollpunkte sowie die Korrekturwerte der Stellgrößen werden bei der Prozessoptimierung festgelegt. Der Abstand kann von Wegmarke zu Wegmarke variieren, ist aber vorzugsweise äquidistant.
Die Verfahrensschritte b) bis c‘) oder c“) werden solange für die nachfolgenden Wegmarken wiederholt, bis eine finale (Gesamt-)Soll-Eindringtiefe erreicht ist.
Mit Erreichen der Abschaltwegmarke, die der finalen Soll-Eindringtiefe entspricht, wird der Strom abgeschaltet und die eingespeiste Gesamtenergie überprüft, ob sie sich im Zielkorridor befindet. Ist die Gesamtenergie außerhalb dieses Bereiches, wird das geschweißte Teil nicht automatisch freigegeben.
Fig. 5b veranschaulicht, insbesondere in den Zeilen für die Parameter Eintauchtiefe und die Energie, das Energie-gesteuerte Qualitätskontroll-Verfahren. Es umfasst folgende Teilschritte: a) Überprüfen und Feststellen, dass das Strukturelement c der ersten Komponente K1 bei seinem Eindringen in die zweite oder dritte Komponente K2, K3 eine erste Energiemarke erreicht, die eine vorgegebene Energiemenge repräsentiert, die an der ersten Energiemarke in die durch das Eindringen entstehende Verbindung eingetragen sein soll; b) Überprüfen an der ersten Energiemarke, ob sich der bis dahin zurückgelegte Ist- Eintauchweg in einem Zielkorridor für einen der ersten Energiemarke zugeordneten Soll-Eintauchweg befindet; c‘) falls ja: Fortsetzen des Eindringvorganges bis zu einer nachfolgenden Energiemarke, und dort Wiederholen von Schritt b) für die nachfolgende Energiemarke; und c“) Im Falle einer Steuerung, falls nein: Anpassen von mindestens einer Stellgröße so, dass bei Erreichen der nachfolgenden Energiemarke ein für die nachfolgende Energiemarke vorgegebener nachfolgender Soll-Eintauchweg voraussichtlich erreicht wird, und anschließend: Ausführen von Schritt c‘) mit den angepassten Stellgrößen; oder c“) Im Falle einer Regelung, falls nein: Ermitteln der Differenz zwischen dem Ist- Eintauchweg und dem Soll-Eintauchweg an der ersten Energiemarke als Eintauchweg-Regelabweichung, Anpassen von mindestens einer Stellgröße nach Maßgabe der Eintauchweg-Regelabweichung so, dass die Eintauchweg- Regelabweichung an der nachfolgenden Energiemarke voraussichtlich zu Null wird; und anschließend: Ausführen von Schritt c‘) mit der angepassten Stellgröße.
Bei diesem Energie-gesteuerten Qualitätskontroll-Verfahren ist die Eintauchtiefe die Kontrollgröße. Als Stellgrößen können fungieren: Die Anpresskraft, der Strompegel oder die Amplitude oder Frequenz der Sonotrode bei Anwendung des Ultraschall- Schweißverfahrens US oder die Temperatur beim Löten. Der Korrekturwert für die Stellgröße ist im Falle der Steuerung ein fester Wert aus einer Tabelle.
Der Abstand zwischen den Energiemarken und somit die Anzahl der Kontrollpunkte sowie die Korrekturwerte der Stellgrößen werden bei der Prozessoptimierung festgelegt. Der energetische Abstand kann von Energiemarke zu Energiemarke variieren, ist aber vorzugsweise betraglich immer gleich.
Die Verfahrensschritte a) bis c‘) oder c“) werden für die nachfolgenden Energiemarken solange wiederholt, bis eine Gesamt-Soll-Energiemarke erreicht worden ist.
Mit Erreichen der Abschaltenergiemarke, d.h. der vorgegebenen Gesamt-Soll- Energie, wird der Strom abgeschaltet und der zurückgelegte Eintauchweg überprüft, ob sie sich im Zielkorridor befindet. Ist die Gesamteintauchweg außerhalb dieses Bereiches, wird das geschweißte Teil nicht automatisch freigegeben.
Darüber hinaus können Mehrkanalregelungen vorgesehen werden mit den Regelgrößen: Eintauchweg und Energie, und mit den Stellgrößen: Anpresskraft und Strom, IIS-Amplitude und/oder Löttemperatur. Hier wird kontinuierlich in sehr kurzen gleichen Zeitintervallen die Regelgrößen eingelesen und in einem komplexen Regelalgorithmus die optimalen Stellgrößen ermittelt und eingestellt. Mit Erreichen der Abschaltbedingung Gesamt- Soll-Eintauchtiefe oder Gesamt-Soll-Energie wird das jeweilige Energieübertragungselement abgeschaltet und die Regelgrößen auf das Erreichen des Zielkorridors überprüft und im Gutfall automatisch freigegeben.
Der erfindungsgemäße Verbindungsvorgang mit dem metallurgischen Verbinden der Komponenten in Form eines Schmelzschweißens wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 6 und 7 näher erläutert.
Figur 6 zeigt die Anordnung zu Beginn des Verbindungsvorgangs (Schmelzschweißen):
*Elektrode E1 kontaktiert mit der Fläche AO die erste Komponente K1
*An/auf der ersten Komponente K1 befindet sich das zweistufige Strukturelement mit den beispielhaften Ebenen bzw. Wegmarken:
*A1 : Grundfläche des Strukturelements
*A2: Zwischenfläche auf der Höhe des Depots
*A3: Verbindungsfläche zwischen Stufe 1 und Stufe 2 des Strukturelements, vorzugsweise in der Abschalthöhe des Warmpressens
*A4: Zwischenfläche, vorzugsweise in der Abschalthöhe des Kaltpressens
*St: Starthöhe: Nullpunkt der Messgröße Eindringtiefe
*Elektrode E2 kontaktiert mit der Fläche A5 die zweite Komponente K2
Figur 7 zeigt das Ergebnis nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer metallurgischen Verbindung, wie es in seinem Zeitablauf in den Fig. 5a und 5b dargestellt ist. Fig. 7 zeigt das Ergebnis einer erfindungsgemäßen Schmelzschweißverbindung, für den Fall, dass die Schmelztemperatur des zweiten Metalls der zweiten Komponente K2 niedriger als die Schmelztemperatur des ersten Metalls der ersten Komponente K1 ist. Zwischen dem Strukturelement c und der zweiten Komponente K2 bildet sich eine Schmelze SM aus dem zweiten Metall und eine Mischung aus dem ersten und dem zweiten Metall aus. Die Schlacke SL, bestehend aus der Schmelze des Strukturelements c mit der zweiten Komponente K2 sowie den Oxiden und Kontaminationen auf den Oberflächen, wird nach ausserhalb der Schmelzezone in das Depot 10 gedrückt.
Wegen der sich verjüngenden Form und der sich dadurch ergebenden kleineren Kontaktfläche der nullpunktnahen Ebenen ist die Temperatur des Strukturelements in Richtung der zweiten Komponente K2 höher als in Richtung der ersten Komponente K1 . Die Aufschmelzung findet deshalb an der der zweiten Komponente zugewandten Spitze des Strukturelements statt.
Temperaturabschätzungen für die Paarung Kupfer (K1 ) und Aluminium (K2): Temperatur in der Schmelzezone: 548°C, Schmelztemperatur Kupfer 1084°C und Aluminium 660°C. Nur die schmale Schmelzezone wird flüssig. Das auf das Gewicht bezogene Mischungsverhältnis der Schmelze beträgt beispielhaft ca. 33% Kupfer und ca. 67% Aluminium (Eutektikum).
Der erfindungsgemäße Verbindungsvorgang mit dem metallurgischen Verbinden der Komponenten in Form eines (Hart-)Lötens wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 8 und 9 näher erläutert.
Verbindungsvorgang Löten
Figur 8 zeigt die Anordnung zu Beginn des Verbindungsvorgangs (Löten):
*Elektrode E1 kontaktiert mit der Fläche AO die erste Komponente K1 *An/auf der Komponente K1 befindet sich das zweistufige Strukturelement c mit den beispielhaften Ebenen bzw. Wegmarken
*A1 : Grundfläche des Strukturelements
*A2: Zwischenfläche auf der Höhe des Depots *A3: Verbindungsfläche zwischen Stufe 1 und Stufe 2 des Strukturelements, vorzugsweise in der Abschalthöhe des Warmpressens
*A4: Zwischenfläche, vorzugsweise in der Abschalthöhe des Kaltpressens *Starthöhe: Nullpunkt der Messgröße Eindringtiefe
*Elektrode E2 kontaktiert mit der Fläche A5 die zweite Komponente K2 *Die erste Komponente K1 ist mit einem Lot LB beschichtet.
Figur 9 zeigt das Ergebnis nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer metallurgischen Verbindung, wie es in seinem Zeitauflauf in den Fig. 5a und 5b dargestellt ist. Das Ergebnis resultiert aus dem erfindungsgemäß angewandten Löten zum Einträgen von Wärme-Energie in die entstehende Verbindung für den Fall, dass die Schmelztemperatur des K2-Materials niedriger als die Schmelztemperatur des K1 -Materials ist. Das Strukturelement c ist hier mit einem Lot LB überzogen. Alternativ kann das Lot auch als Einlegeteil (Paste, Folie, Streifen) separat zugeführt werden. Neben dem bevorzugten Hartlot kann auch Weichlot verwendet werden.
Zwischen dem Strukturelement c und der zweiten Komponente K2 bildet sich eine Schmelze aus dem Lot und dem K2-Material aus. Die Schlacke, bestehend aus der Schmelze des Lotes mit der Gegenkomponente K2 sowie den Oxiden und Kontaminationen auf den Oberflächen, wird in das Depot 10 oder nach außerhalb der Verbindungszone gedrückt.
Wegen der sich verjüngenden Form und der sich dadurch ergebenden kleineren Fläche der nullpunktnahen Ebenen ist die Temperatur des Strukturelements c in Richtung der zweiten Komponente K2 höher als in Richtung der ersten Komponente K1 . Die Aufschmelzung findet deshalb an der K2 -seifigen Spitze statt.
Das Lot auf dem höherschmelzenden Material des Strukturelements c auf der ersten Komponente K1 geht mit dem zweiten Metall der Komponente K2 eine eutektische Schmelzverbindung ein. In der zweiten durch das Strukturelement bedingten grösserflächigen Verbindungszone können sich duktile intermetallische Phasen ausbilden. Unabhängig von dem gewählten Verfahren zum Einträgen der Wärme-Energie, per Schmelzschweißen, Ultraschall oder Löten) gilt:
Durch das sich zu seinem freien Ende hin verjüngende Strukturelement wird aus einer anfangs kleinen Berührungs- und Kontaktflächen im Zuge des Fügeprozesses, d.h. des zunehmenden Eindringens, eine große Kontaktfläche.
- Die Anzahl der Strukturelemente und deren Anordnung kann frei gewählt werden.
- Mehrere Komponenten können miteinander verbunden werden - dabei sind die Strukturelemente jeweils an mindestens einem Oberflächenabschnitt der Fügepartner, d.h. der Komponenten ausgebildet.
In den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 6, 7, 8 und 9 sind das Strukturelement und die ersten Komponenten jeweils aus höher-schmelzendem Metall als die zweite (Gegen-) Komponente gefertigt.
Die Energieübertragungselemente, insbesondere die Elektroden E1 und E2, dienen hier beispielhaft gleichzeitig als Aktuatoren zum Aufbringen der Anstellkraft.
Alternativ können die Aktuatoren auch unabhängig bzw. zusätzlich zu den Energieübertragungselementen ausgebildet sein, analog zu der Figur 3.
Bezugszeichenliste:
A1 Fläche=Ebene=Wegmarke=Höhe
A2 Fläche=Ebene=Wegmarke=Höhe
A3 Fläche=Ebene=Wegmarke=Höhe
A4 Fläche=Ebene=Wegmarke=Höhe
A5 Fläche=Ebene=Wegmarke=Höhe c Strukturelement c10 kom paktierter Bereich
E1 Energieübertragungselement, beispielsweise erste Elektrode
E2 Energieübertragungselement, beispielsweise zweite Elektrode
F1 Anpresskraft
F2 Anpresskraft
K1 erste Komponente
K2 zweite Komponente
K3 dritte Komponente
LB Lotbeschichtung
Sl Sicke
SL Schlacke
SM Schmelze
St Starthöhe
SWL Schweißlinse
10 Depot
20 Steuereinrichtung
40 Loch, auch Sackloch
40' Befestigungsbohrung
45 Fließkanal

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung einer metallurgischen Verbindung zwischen einer ersten Komponente (K1 ) aus einem ersten Metall und mindestens einer zweiten Komponente (K2) aus einem zweiten Metall, wobei die erste und die zweite Komponente (K1 , K2) jeweils mindestens einen Oberflächenabschnitt aufweisen mit dem sie sich gegenüber stehen, aufweisend folgende Schritte:
- Verpressen der ersten und der zweiten Komponente (K1 , K2) miteinander mit Hilfe eines Aktuators, der eine Anpresskraft (F1 , F2) größer Null auf die Komponenten ausübt, optional mit zusätzlichem Einträgen von Energie mit Hilfe von Energieübertragungselementen, und
- stoffschlüssiges metallurgisches Verbinden der zu verpressenden Komponenten (K1 , K2) miteinander durch Einträgen von Energie mit Hilfe der Energieübertragungselemente in die gegenüberstehenden Oberflächenabschnitte der Komponenten; dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verpressen an mindestens einem der Oberflächenabschnitte der ersten und/oder der zweiten Komponente (K1 , K2) mindestens ein sich zu seinem freien Ende hin verjüngendes Strukturelement (c) ausgebildet wird; dass das Strukturelement (c) bei dem Verpressen und/oder bei dem metallurgischen Verbinden mit einer Kontaktfläche als Teil seiner Oberfläche und mit einer Ist-Eintauchtiefe und mit einer Ist-Energie in den gegenüberliegenden Oberflächenabschnitt eindringt und während des Eindringens zumindest im Wesentlichen in seiner Form erhalten bleibt; und dass die Ausübung der Anpresskraft und/oder das Einträgen der Energie solange erfolgen, bis eine Soll-Eintauchtiefe erreicht worden ist oder ein vorbestimmter Soll-Energieeintrag in die Verbindung der Komponenten (K1 , K2) eingebracht worden ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement massiv aus Vollmaterial gebildet ist.
3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Strukturelement (c) um ein 3-dimensionales geometrisches Objekt handelt, beispielsweise in Form von einem Zahn, einem Kegel, einem Kegelstumpf, einer Pyramide, einem Pyramidenstumpf, einer Kugel oder einem Kugelsegment, einem liegenden Zylinder, einem liegenden Zylindersegment, insbesondere einem Halbzylinder oder um eine beliebige Kombination dieser Objekte, optional auch übereinander angeordnet.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende des Strukturelementes (c) in Form einer nichtplanen, vorzugsweise spitzen Kontur ausgebildet ist.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziges Strukturelement (c) oder eine Mehrzahl der Strukturelemente (c) beispielsweise in Form einer gradlinigen, sternförmigen, krummlinigen oder geschlossenen ringförmigen Anordnung oder in einer beliebigen Kombination dieser Anordnungen an dem Oberflächenabschnitt ausgebildet ist oder angeordnet sind.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die metallurgische Verbindung auch eine dritte Komponente aus einem dritten Metall mit der ersten und der zweiten Komponenten (K1 , K2) verbunden wird; dass die dritte Komponente (K3) mindestens zwei Oberflächenabschnitte aufweist und derart als Verbindungsglied zum Verbinden der ersten und der zweiten Komponente (K2) angeordnet wird, dass einer der Oberflächenabschnitte der dritten Komponente (K3) dem Oberflächenabschnitt der ersten Komponente (K1 ) beim Verpressen und beim Herstellen der metallurgischen Verbindung zugewandt gegenüberliegt, und dass der andere der Oberflächenabschnitte der dritten Komponente (K3) dem Oberflächenabschnitt der zweiten Komponente (K2) beim Verpressen und beim Herstellen der metallurgischen Verbindung zugewandt gegenüberliegt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die metallurgische Verbindung auch eine dritte Komponente (K3) aus einem dritten Metall mit der zweiten Komponenten (K2) verbunden wird; dass die dritte Komponente (K3) mindestens einen Oberflächenabschnitt aufweist; dass an der zweiten Komponente (K2) neben einem ersten Oberflächenabschnitt, mit dem die zweite Komponente (K2) der ersten Komponente (K1 ) gegenübersteht, mindestens ein zweiter Oberflächenabschnitt ausgebildet wird, mit dem die zweite Komponente (K2) dem Oberflächenabschnitt der dritten Komponente (K3) beim Verpressen und beim Herstellen der metallurgischen Verbindung gegenübersteht.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verpressen an mindestens einer der Oberflächenabschnitte der dritten Komponente (K3) mindestens ein sich zu seinem freien Ende hin verjüngendes Strukturelement (c) ausgebildet wird; und dass das Strukturelement bei dem Verpressen und/oder bei dem metallurgischen Verbinden mit einer Kontaktfläche als Teil seiner Oberfläche und einer Ist-Eintauchtiefe und einer Ist-Energie in den gegenüberliegenden Oberflächenabschnitt der ersten und/oder zweiten Komponente (K1 , K2) eindringt, bis eine vorbestimmte Soll-Eintauchtiefe erreicht wird oder bis ein vorbestimmter Soll-Energieeintrag in die Verbindung eingetragen wurde; und dass das Strukturelement während des Eindringens erhalten bleibt.
9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (c) einstückig mit der ersten, zweiten und/oder mit der dritten Komponente (K1 , K2, K3) an deren mindestens einem Oberflächenabschnitt ausgebildet wird, beispielsweise durch Stanzen, Gießen, Lasern, Zerspanen, insbesondere Fräsen, oder mit Hilfe einer Matrize eingeprägt wird.
10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verpressen, zwischen dem Verpressen und dem metallurgischen Verbinden oder während des metallurgischen Verbindens ein mindestens einlagiger Hilfsstoff, beispielsweise in Form eines Lotes, einer Beschichtung und/oder einer Folie, auf mindestens einen der Oberflächenabschnitte der ersten, der zweiten und/oder der dritten Komponente (K1 , K2, K3) und/oder auf die Oberfläche des Strukturelementes (c) aufgebracht wird oder zwischen das Strukturelement und die gegenüberliegende Oberfläche eingebracht wird.
11 . Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Verpressen um ein alleiniges Kaltverpressen, ein Kaltverpressen mit anschließendem Warmverpressen oder alleine um ein Warmverpressen der Komponenten (K1 , K2, K3) miteinander handelt.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass während der Kalt- und/oder Warmverpressung ein statischer Anteil der Anpresskraft zumindest zeitweise mit einem dynamischen Anteil der Anpresskraft, beispielsweise in Form einer periodischen Schwingung der Anpresskraft überlagert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltverpressen beendet wird, wenn eines der folgenden Kaltpress- Abschaltkriterien gegeben ist:
- Die Ist-Eintauchtiefe hat die vorbestimmte Soll-Eintauchtiefe erreicht; und/oder - die Ist-Kaltpressdauer übersteigt eine vorgegebene Soll-Kaltpressdauer.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der realisierte Energieeintrag während des Warmverpressens kleiner ist als der realisierte Gesamtenergieeintrag während des Herstellens der metallurgischen Verbindung.
15. Verfahren nach Anspruch 14; dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag während der Warmverpressung zumindest einen statischen Anteil aufweist, der optional zusätzlich mit einem periodischen Anteil überlagert bzw. moduliert wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmverpressen beendet wird, wenn eines der folgenden
Warmpress-Abschaltkriterien gegeben ist:
- Die Ist-Eintauchtiefe hat die vorbestimmte Soll-Eintauchtiefe erreicht; und/oder
- Eine Ist-Warm pressdauer eine vorgegebene Soll-Warmpressdauer erreicht hat; und/oder
- Die während des Warmverpressens in die Verbindung eingetragene Ist- Energie hat einen vorgegebenen Warmpress-Soll-Energieeintrag erreicht.
17. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das metallurgische Verbinden bei gleichzeitig anhaltendem Verpressen der Komponenten mit der Anpresskraft (F1 , F2) erfolgt.
18. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten beim Verpressen und metallurgischen Verbinden stirnseitig gegenüberstehend oder zumindest teilweise überlappend relativ zueinander angeordnet werden.
19. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag während des Warmverpressens und/oder während der Herstellung der stoffschlüssigen metallurgischen Verbindung realisiert wird durch Schmelzschweißen, wobei mit Hilfe der Energieübertragungselemente in Form von Elektroden ein elektrischer Strom an die Komponenten appliziert wird; durch Löten, insbesondere Hartlöten, wobei mit Hilfe der Energieübertragungselemente in Form von Elektroden oder Heizelementen Wärme an die Komponenten appliziert wird; oder durch Ultraschallschweißen, wobei mit Hilfe der Energieübertragungselemente in Form von Sonotroden Ultraschall-Schwingungen in die Komponenten übertragen werden.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden, die Heizelemente oder die Sonotroden nicht nur zum Einträgen der Energie, sondern auch als die Aktuatoren zum Aufbringen der Anpresskraft fungieren.
21 . Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Warmverpressens und/oder während des metallurgischen Verbindens der von den Aktuatoren aufgebrachte Anpressdruck stets größer Null ist, vorzugsweise konstant anliegt, weiter vorzugsweise zumindest teilweise aufgebracht wird mit Hilfe einer Federeinrichtung.
22. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche; gekennzeichnet durch ein Eintauchtiefen-gesteuertes Qualitätskontroll-Verfahren in Form einer Steuerung oder Regelung mit folgenden Teilschritten: a) Überprüfen und Feststellen, dass das Strukturelement (c) der ersten Komponente (K1 ) bei seinem Eindringen in die zweite oder dritte Komponente (K2, K3) eine erste vorgegebene Wegmarke erreicht hat; b) Überprüfen an der ersten bzw. folgenden Wegmarke, ob sich die bis dahin in die durch das Eindringen entstehende Verbindung eingetragene Ist-Energie in einem Zielkorridor für einen der ersten Wegmarke zugeordneten Soll- Energieeintrag befindet; c‘) falls ja: Fortsetzen des Eindringvorganges bis zu einer nachfolgenden Wegmarke, und dort Wiederholen von Schritt b) für die nachfolgende Wegmarke; und c“) Im Falle einer Steuerung, falls nein: Anpassen von mindestens einer Stellgröße so, dass bei Erreichen der nachfolgenden Wegmarke ein für die nachfolgende Wegmarke vorgegebener Soll-Energieeintrag voraussichtlich erreicht wird, und anschließend Ausführen von Schritt c‘) mit der angepassten Stellgröße; oder c“) Im Falle einer Regelung, falls nein: Ermitteln der Differenz zwischen dem Ist-Energieeintrag und dem Soll-Energieeintrag an der ersten Wegmarke als Energie-Regelabweichung, Anpassen von mindestens einer Stellgröße nach Maßgabe der Energie-Regelabweichung so, dass die Energie- Regelabweichung an der nachfolgenden Wegmarke voraussichtlich zu Null wird, und anschließend: Ausführen von Schritt c‘) mit der angepassten Stellgröße.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte b) bis c‘) oder c“) für die nachfolgenden Wegmarken so lange wiederholt werden, bis eine finale Gesamt-Soll- Eindringtiefe erreicht worden ist.
24. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche; gekennzeichnet durch ein Energie-gesteuertes Qualitätskontroll-Verfahren als Steuerung oder Regelung mit folgenden Teilschritten: a) Überprüfen und Feststellen, dass das Strukturelement (c) der ersten Komponente (K1 ) bei seinem Eindringen in die zweite oder dritte Komponente (K2, K3) eine erste Energiemarke erreicht hat, die eine vorgegebene Energiemenge repräsentiert, die an der ersten Energiemarke in die durch das Eindringen entstehende Verbindung eingetragen sein soll; b) Überprüfen an der ersten bzw. folgenden Energiemarke, ob sich der bis dahin zurückgelegte Ist-Eintauchweg in einem Zielkorridor für einen der ersten Energiemarke zugeordneten Soll-Eintauchweg befindet; c‘) falls ja: Fortsetzen des Eindringvorganges bis zu einer nachfolgenden Energiemarke, und dort Wiederholen von Schritt b) für die nachfolgende Energiemarke; und c“) Im Falle einer Steuerung, falls nein: Anpassen von mindestens einer Stellgröße so, dass bei Erreichen der nachfolgenden Energiemarke ein für die nachfolgende Energiemarke vorgegebener Soll-Eintauchweg voraussichtlich erreicht wird, und anschließend: Ausführen von Schritt c‘) mit den angepassten Stellgrößen; oder c“) Im Falle einer Regelung, falls nein: Ermitteln der Differenz zwischen dem Ist-Eintauchweg und dem Soll-Eintauchweg an der ersten Energiemarke als Eintauchweg-Regelabweichung, Anpassen von mindestens einer Stellgröße nach Maßgabe der Eintauchweg-Regelabweichung so, dass die Eintauchweg- Regelabweichung an der nachfolgenden Energiemarke voraussichtlich zu Null wird; und anschließend: Ausführen von Schritt c‘) mit der angepassten Stellgröße.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte b) bis c‘) oder c“) für die nachfolgenden Energiemarken so lange wiederholt werden, bis eine finale Gesamt-Soll- Energiemarke erreicht worden ist.
26. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verpressen und/oder metallurgische Verbinden der Komponenten unter Schutzgas erfolgt.
27. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten Metall, dem zweiten Metall und/oder dem dritten Metall, soweit sie sich berühren, jeweils um gleiche oder unterschiedliche Metalle oder Metalllegierungen handelt.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den unterschiedlichen Metallen um Kupfer und Aluminium; oder dass es sich bei den unterschiedlichen Metalllegierungen um eine Kupferlegierung und eine Aluminiumlegierung handelt.
29. Vorrichtung zur Herstellung einer metallurgischen Verbindung zwischen einer ersten Komponente (K1 ) aus einem ersten Metall und mindestens einer zweiten Komponente (K2) aus einem zweiten Metall, wobei die erste und die zweite Komponente jeweils mindestens einen Oberflächenabschnitt aufweisen mit dem sie sich gegenüber stehen, aufweisend: mindestens einen Aktuator, der eine Anpresskraft größer Null auf die Komponenten (K1 , K2) ausübt zum Verpressen der ersten und der mindestens zweiten Komponente miteinander; und
- mindestens zwei Energieübertragungselemente zum Einbringen von Energie in die Komponenten und deren Oberflächenabschnitte zum Erzeugen einer stoffschlüssigen metallurgischen Verbindung zwischen den verpressten Komponenten (K1 , K2); und eine Steuereinrichtung (20) zur Ansteuerung des mindestens einen Aktuators und der Energieübertragungselemente; dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist zur Ansteuerung des mindestens einen Aktuators zum Aufbringen der Anpresskraft und der Energieübertragungselemente zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche.
30. Vorrichtung nach Anspruch 29, gekennzeichnet durch eine Schneid-, Zerspanungs-, Laser-, Stanz- oder Prägeeinrichtung, insbesondere eine Matrize zum Ausbilden des Strukturelementes an dem Oberflächenabschnitt der ersten, der zweiten und/oder der dritten Komponente.
31 . Vorrichtung nach Anspruch 29 oder 30, gekennzeichnet durch:
- einen Wegsensor zum direkten oder indirekten Erfassen der Ist-Eindringtiefe mit der das Strukturelement der ersten Komponente in den gegenüberliegenden Oberflächenabschnitt der zweiten Komponente (K2) oder der dritten Komponente (K3) eindringt;
- eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen der Ist-Eindringtiefe mit einer vorbestimmten Soll-Eintauchtiefe und ggf. Feststellen einer evtl. Abweichung; und wobei die Steuereinrichtung (20) ausgebildet ist zum Ansteuern der Energieübertragungselemente (E1 , E2) gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25.
32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 31 , gekennzeichnet durch:
- eine Energiemesseinrichtung zum direkten oder indirekten Erfassen der Ist- Energie, die beim Eindringen des Strukturelementes (c) der ersten Komponente in den gegenüberliegenden Oberflächenabschnitt der zweiten Komponente (K2) oder der dritten Komponente (K3) in die Verbindung eingetragen wird;
- eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen der eingetragenen Ist-Energie mit einem vorbestimmten Soll-Energieeintrag und ggf. Feststellen einer evtl. Abweichung; und wobei die Steuereinrichtung (20) ausgebildet ist zum Ansteuern der Energieübertragungselemente (E1 , E2) gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25.
33. Komponente (K1 , K2, K3) aus einem Metall zur Verwendung in dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 28, aufweisend: mindestens ein sich zu seinem freien Ende hin verjüngendes Strukturelement (c).
34. Komponente (K1 , K2, K3) nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement massiv aus Vollmaterial gebildet ist.
35. Komponente (K1 , K2, K3) nach einem der Ansprüche 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Strukturelement (c) um ein 3-dimensionales geometrisches Objekt handelt, beispielsweise in Form von einem Zahn, einem Kegel, einem Kegelstumpf, einer Pyramide, einem Pyramidenstumpf, einer Kugel oder einem Kugelsegment, einem liegenden Zylinder, einem liegenden Zylindersegment, insbesondere einem Halbzylinder oder um eine beliebige Kombination dieser Objekte, optional auch übereinander angeordnet.
36. Komponente (K1 , K2, K3) nach einem der Ansprüche 33 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende des Strukturelementes (c) in Form einer nichtplanen, vorzugsweise spitzen Kontur ausgebildet ist.
37. Komponente (K1 , K2, K3) nach einem der Ansprüche 33 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziges Strukturelement (c) oder eine Mehrzahl der Strukturelemente (c) beispielsweise in Form einer gradlinigen, sternförmigen, krummlinigen oder geschlossenen ringförmigen Anordnung oder in einer beliebigen Kombination dieser Anordnungen an dem Oberflächenabschnitt ausgebildet ist oder angeordnet sind.
38. Komponente (K1 , K2, K3) nach einem der Ansprüche 33 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (c) einstückig mit der Komponente, an der es ausgebildet ist, und aus demselben Metall wie die Komponente gebildet ist.
39. Komponente (K1 , K2, K3) nach einem der Ansprüche 33 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Metall um Kupfer, eine Kupferlegierung, Aluminium oder eine Aluminiumlegierung handelt.
40. Komponente (K1 , K2, K3) nach einem der Ansprüche 33 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass in oder an dem Strukturelement oder dem Endbereich der Komponente, an dem das Strukturelement ausgebildet ist, Löcher oder künstliche Deformationen ausgebildet sind zum Erzielen einer gewünschten Strom- und Wärmeverteilung innerhalb des Strukturelementes oder der Komponente.
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