DE102006021044A1

DE102006021044A1 - Reibschweißverfahren und reibgeschweißtes Teil

Info

Publication number: DE102006021044A1
Application number: DE102006021044A
Authority: DE
Inventors: Ernst-Peter Schmitz; Peter Kolbe; Josef Dambacher
Original assignee: Gesenkschmiede Schneider GmbH
Current assignee: Gesenkschmiede Schneider GmbH
Priority date: 2006-05-05
Filing date: 2006-05-05
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2026-05-06
Also published as: WO2007128265A1; DE102006021044B4

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Reibschweißen eines ersten Teils (1) mit einem zweiten Teil (2) beschrieben. Eine zu verschweißende Verbindungsfläche (3) des ersten Teils (1) wird mit einer zu verschweißenden Verbindungsfläche (3) des zweiten Teils (2) zum Reibschweißen zueinander angeordnet, sodass sie eine nicht vollflächige Berührungsfläche ausbilden und dass das erste und zweite Teil 1, 2) unter Ausbilden einer Schweißverbindung gegeneinander reibgeschweißt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Reibschweißen eines ersten Teils mit einem zweiten Teil sowie auf ein reibgeschweißtes Teil, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Es ist bekannt zwei Teile durch Reibschweißen miteinander zu verbinden. Insbesondere ist es bekannt, wie beispielsweise in der WO 2006/034862 A1 beschrieben, bei einem Kühlkanalkolben einen Kolbenboden mit einem Kolbenschaft durch Reibschweißen zu verbinden.
Bei bestimmten Anwendungen ist es jedoch von Nachteil, wenn die durch das Reibschweißen ausgebildete Schweißwulst unerwünscht groß auftritt.
Es ist Aufgabe der Erfindung beim Reibschweißen zumindest an einer Seite der zu verbindenden Teile eine genau definiert kleine Schweißwulst an der Schweißnaht zu erzeugen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass eine zu verschweißende Verbindungsfläche des ersten Teils mit einer zu verschweißenden Verbindungsfläche des zweiten Teils zum Reibschweißen derart zueinander angeordnet werden, sodass sie eine nicht vollflächige Berührungsfläche ausbilden und dass das erste und zweite Teil unter Ausbilden einer Schweißverbindung gegeneinander reibgeschweißt werden.
Dadurch dass die beiden zu verschweißenden Teile vor dem Verschweißen keine vollflächige Berührungsfläche ausbilden, sondern eine größere Berührungsfläche erst während des Schweißvorgangs entsteht, kann die Ausbildung eines Schweißwulstes zumindest an einer Seite der zu verbindenden Teile definiert genau gesteuert werden.
Um keine vollflächige Berührungsfläche zu erzielen, ist mindestens eine der zu verschweißenden Verbindungsflächen des ersten oder zweiten Teils abgeschrägt. Dadurch dass die beiden zu verschweißenden Verbindungsflächen nicht passgenau aufeinander liegen, bilden sie vor dem Schweißvorgang eine kleine Berührungsfläche aus, die sich während des Schweißvorgangs vorteilhaft auf eine maximale Berührungsfläche vergrößert. Es können beide Flächen der verbindenden Teile abgeschrägt sein. Bevorzugt wird jedoch eine ebene Fläche eines Teils mit einer abgeschrägten Fläche eines anderen Teils miteinander reibgeschweißt. Die abgeschrägte Fläche kann entweder geradlinig, konkav, konvex oder spitz ausgebildet sein. Die Gestalt der Abschrägung hängt von der Einstellung des Schweißvorgangs ab und davon ab, was für eine Schweißwulst erzielt werden soll. Ist die Schweißnaht nach einer Seite hin abgeschrägt, so wird auf der Randseite, an der sich weniger Material befindet, eine kleinere bis gar keine Schweißwulst ausgebildet. An der Randseite, an der sich die zu verschweißenden Verbindungsflächen berühren ist mehr Material vorhanden. Es bildet sich eine entsprechend größere Schweißwulst aus, deren Größe nicht genau vorherbestimmt ist.
Ist die zu verschweißende Verbindungsfläche nach zwei Seiten d. h. zu zwei Rändern im Querschnitt gesehen abgeschrägt, so befindet sich die Berührungsfläche in der Mitte und die Größe der Schweißwülste kann beidseitig definiert eingestellt werden.
Von Vorteil ist, wenn die Ausbildung des Schweißwulstes beim Reibschweißen durch eine Führung an mindestens einem der beiden zu verbindenden Teile geleitet wird. Damit kann der sich ausbildende Schweißwulst definiert in eine Richtung geführt werden, sodass eine Entfernung des Schweißwulstes an definierten Orten stattfinden kann. Dies kann bei bestimmten Geometrieanordnungen bzw. Bauraumverhältnissen des reibgeschweißten Teils erforderlich sein.
Erfindungsgemäß wird zudem die Aufgabe durch ein reibgeschweißtes Teil, das nach einem oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist, dadurch gelöst, dass die Schweißfläche an einem ersten Teil und/oder einem zweiten Teil vor dem Reibschweißen abgeschrägt ist. Somit lässt sich die Breite der Schweißwulst auf ein definiertes Maß zu der abgeschrägten Seite hin erzeugen. Der größere Anteil des Materialaustritts tritt auf der Seite auf, auf der eine Berührungsfläche vor und während des Schweißvorgangs ausgebildet ist.
Die Schweißfläche ist vorteilhafterweise durch eine Führung an mindestens einem von zwei zu verbindenden Teilen verlängert. Der sich umlegende Schweißwulst an der Schweißnaht wird somit von der Führung bei der Ausbildung begrenzt.
Vorteilhaft ist die Führung im Querschnitt gesehen dreiecksförmig ausgebildet. Die Dreiecksform ist mit dem zu verbindenden Teil einstückig verbunden.
Um bei bestimmten Anwendungen die Schweißwulst auf eine bestimmte Größe zu reduzieren und nur bestimmte Zerspanungs- bzw. Drehwerkzeuge einsetzen zu müssen, sind die verbundenen Teile an zumindest einer Seite durch Reibschweißen mit keinem oder einem definiert kleinen Schweißwulst zusammengefügt. Somit wird erreicht, dass ein Schweißwulst vollständig innerhalb einem vorgegebenen definierten Breitenmaß entfernt werden kann.
Bevorzugt ist das reibgeschweißte Teil ein Teil, bei dem der Schweißwulst stört oder zu entfernen ist, beispielsweise ein Ventil, ein Ventilstößel, ein Einspritzpumpenkolben, ein Kolben für einen Verbrennungsmotor oder ein Doppelrad.
Um eine gleichmäßige Ausdehnung bei der Erwärmung des reibgeschweißten Teils zu erzielen, sowie erleichterte Fügeeigenschaften beim Reibschweißen, ist der Werkstoff des ersten und zweiten Teils identisch.
Um bei bestimmten Anforderungen die Qualität des reibgeschweißten Teils zu verbessern und gleichzeitig ein sehr wirtschaftliches reibgeschweißtes Teil herzustellen, kann es von Vorteil sein, wenn der Werkstoff des ersten und des zweiten Teils in der Legierung verschieden ist. Es kann beispielsweise das erste Teil ein fertiger bzw. eine hoch feste Legierung eingesetzt werden und für das zweite Teil ein minderwertiger/weicherer oder preiswerter Werkstoff eingesetzt werden. Es versteht sich, dass sich die Werkstofflegierungen sowohl auf Stahl oder Aluminiumlegierungen alleine beziehen oder eine Kombination aus Stahl und Aluminiumlegierung.
Bevorzugt ist bei einem reibgeschweißten Teil, dass nach einem oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist, das erste zu verbindende Teil ein Kolbenboden und das zweite zu verbindende Teil ein Kolbenschaft.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmal nicht an der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf vier dazugehörige Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Ausschnitt eines Querschnittes eines Teils zur Herstellung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.
2 einen Ausschnitt eines Querschnitts eines reibgeschweißten Teils.
3 einen vergrößerten Ausschnitt der 3, und
4 den Ausschnitt gemäß 2 mit einer entfernten Schweißwulst.
Die 1 zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts eines ersten Teils 1 in einem noch nicht zusammen reibgeschweißten Zustand mit einem zweiten, nicht dargestellten Teil 2. Das erste Teil 1 weist in dieser Ausführungsform als spezielle Ausgestaltung eine abgeschrägte Schweißfläche 3 am ersten Teil 1 auf. Diese abgeschrägte Schweißfläche 3 wird beim Zusammenverbinden mit dem nicht gezeigten zweiten Teil 2 durch Reibschweißen auf eine ebene Schweißfläche des zweiten Teils 2 gesetzt. Dadurch ergibt sich, dass sich auf der rechten Seite der 1 mehr Material befindet, als auf der linken Seite der 1. Es liegt also ein keilförmiger Spalt 4 vor dem Reibschweißen vor. Die zu verschweißenden Berührungsflächen des ersten und zweiten Teils 1, 2 sind somit nicht vollflächig verbunden. Eine vollflächige Verbindung ergibt sich erst durch den Reibschweißvorgang. Der keilförmige Spalt 4 kann in einem Winkel Y von ca. 1–15° sein.
Das erste Teil 1 weist zudem noch eine Besonderheit auf, dass es auf der einen Seite eine als Ansatz ausgebildete Führung 5 aufweist, die den entstehenden Schweißwulst 7 bei der Ausbildung begrenzt und ihn in einen bestimmte Richtung führt. Somit entsteht ein Schweißwulst 7 mit einer definiert großen Breite B auf der Seite mit dem großen Spalt 4 und der Führung 5.
Die Führung 5 ist in dieser speziellen Ausführungsform dreiecksförmig ausgebildet. Der abstehende Winkel Z zur äußeren Randfläche des ersten Teils 1 ist ungefähr zwischen 10–65°.
Bei einem vorzugsweise runden ersten Teil 1 vergrößert die ansatzförmige Führung 5 den Durchmesser des ersten Teils 1.
Die 2 zeigt als besondere Ausführungsform und besondere Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen reibgeschweißten Teils einen Ausschnitt im Querschnitt von einem Kolben für einen Verbrennungsmotor. Das erste Teil 1 ist ein sogenannter Kolbenboden und das zweite Teil 2 wird als Kolbenring bzw. Kolbenschaft bezeichnet. Die 2 zeigt einen reibgeschweißten Kolben nach dem Zusammenfügen des ersten und zweiten Teils 1, 2 nach dem Reibschweißen. Die 2 zeigt, dass eine Schweißwulst 6 im Innenraum des Kolbens in einer herkömmlichen Weise ausgebildet ist. Die Reibschweißwulst 7 am oberen, ersten Teil 1 ist dagegen kleiner mit einer definierten Breite B während dem Reibschweißvorgang ausgebildet worden. Dies ist bei dieser speziellen Anwendung notwendig, um den Schweißwulst 7 durch eine Öffnung 8 mit einem zerspanenden Werkzeug entfernen zu können.
Die Entfernung des Schweißwulstes 7 hat sich als vorteilhaft herausgestellt, um ein möglichst geringes Störvolumen in einem mit Öl gefüllten Kühlkanal 9 zu erhalten. Außerdem dient die Entfernung des Schweißwulstes 7 zur Qualitätskontrolle, um festzustellen, ob die Reibschweißnaht 10 wie erwartet ausgebildet ist oder ob ein Bruch zwischen erstem und zweitem Teil 1, 2 vorliegt, der die Lebensdauer des reibgeschweißten Teils deutlich senkt.
Die Öffnung 8 wird später zur Funktion als Kühlkanal beispielsweise in einem Verbrennungsmotor durch ein Verfahren gemäß dem Stand der Technik verschlossen.
Die 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der 2. Die 3 soll verdeutlichen, wie aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens die Breite B der Schweißwulst 7 derart definiert einstellbar ist, und dass die Breite B geringer ist als die Höhe H der Öffnung 8.
Die 4 zeigt schematisch im Querschnitt das reibgeschweißte Teil mit dem ersten Teil 1 als Kolbenoberteil bzw. Kolbenboden und zweiten Teil 2 als Kolbenunterteil bzw. Kolbenring, die durch das erfindungsgemäße Reibschweißverfahren verbunden worden sind. Bei diesem reibgeschweißten Teil sind insbesondere die Schweißwülste 7 durch ein zerspanendes Verfahren entfernt worden. Der Kühlkanal 9 hat somit kein Störvolumen und die Reibschweißnaht 10 ist durch den Spalt 8 von außen einfach kontrollierbar. Bauteile die fehlerhaft reibverschweißt sind, können somit schnell herausgefunden werden.
Der Werkstoff, aus dem das erste Teil 1 hergestellt ist, kann aufgrund der Anforderungen ein sehr hochfestes bzw. widerstandsfähiges Material beispielsweise Stahl oder Aluminium sein. Hingegen das zweite Teil 2 kann aus einem weicheren Werkstoff oder minderwertigeren Werkstoff auch beispielsweise aus Stahl oder Aluminium hergestellt sein kann. Im übrigen wird auf die zeichnerischen Darstellungen der Erfindungen als wesentlich verwiesen. Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft an einem Kolben beschrieben wurde und sich genauso gut auf andere Teile übertragen lässt, deren Wulst unter anderem durch einen engen Spalt der Öffnung entfernt werden soll, wie beispielsweise Doppelräder und Ventile.

1: erstes Teil
2: zweites Teil
3: Verbindungsfläche
4: Spalt
5: Führung
6: Schweißwulst
7: Schweißwulst
8: Öffnung
9: Kühlkanal
10: Reibschweißnaht

Claims

Verfahren zum Reibschweißen eines ersten Teils (1) mit einem zweiten Teil (2), dadurch gekennzeichnet, dass eine zu verschweißende Verbindungsfläche (3) des ersten Teils (1) mit einer zu verschweißenden Verbindungsfläche (3) des zweiten Teils (2) zum Reibschweißen zueinander angeordnet werden, sodass sie eine nicht vollflächige Berührungsfläche ausbilden, und dass des erste und zweite Teil (1, 2) unter Ausbilden einer Schweißverbindung gegeneinander reibgeschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der zu verschweißenden Verbindungsflächen (3) des erste und zweiten Teils (1, 2), insbesondere geradlinig, konkav, konvex oder spitz, abgeschrägt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung des Schweißwulstes (7) beim Reibschweißen durch eine Führung (5) an mindestens einem der beiden zu verbindenden Teile (1, 2) geleitet wird.
Reibgeschweißtes Teil, hergestellt nach einem Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißfläche (3) an einem ersten Teil (1) und/oder einem zweiten Teil (2) vor dem Reibschweißen abgeschrägt ist.
Reibgeschweißtes Teil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißfläche (3) durch eine Führung (5) an mindestens einem der zu verschweißenden Teile (1, 2) verlängert ist.
Reibgeschweißtes Teil nach Anspruch , dadurch gekennzeichnet, dass die Führung (5) im Querschnitt gesehen dreiecksförmig ausgebildet ist.
Reibgeschweißtes Teil, nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verbundenen Teile (1, 2) an zumindest einer Seite durch Reibschweißen mit keiner oder einer definiert kleinen Schweißwulst (7) zusammengefügt sind
Reibgeschweißtes Teil, nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Ventil oder Ventilstößel, Einspritzpumpenkolben, ein Kolben für einen Verbrennungsmotor oder ein Doppelrad ist.
Reibgeschweißtes Teil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des ersten und zweiten Teils (1, 2) identisch ist.
Reibgeschweißtes Teil nach einem oder mehren der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des ersten und zweiten Teils (1, 2) in der Legierung verschieden ist.
Reibgeschweißtes Teil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste zu verbindende Teil (1) ein Kolbenboden und das zweite zu verbindende Teil (2) ein Kolbenschaft ist.