DE102006021044B4

DE102006021044B4 - Reibschweißverfahren

Info

Publication number: DE102006021044B4
Application number: DE102006021044.1A
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: 2014-11-06
Anticipated expiration: 2026-05-06
Also published as: DE102006021044A1; WO2007128265A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines reibgeschweißten Kühlkanalkolbens aus einem Kolbenboden (1), der mit einem Kolbenschaft (2) reibgeschweißt wird, wobei eine zu verschweißende Verbindungsfläche (3) des Kolbenbodens (1) mit einer zu verschweißenden Verbindungsfläche (3) des Kolbenschafts (2) zum Reibschweißen zueinander angeordnet werden, sodass sie eine nicht vollflächige Berührungsfläche ausbilden, und dass Kolbenboden und Kolbenschaft (1, 2) unter Ausbilden einer Schweißverbindung gegeneinander reibgeschweißt werden, wobei die Ausbildung eines definiert einstellbaren Schweißwulstes (7) beim Reibschweißen durch eine als Ansatz (5) an der Innen-Verbindungsfläche (3) ausgebildete Führung (5) von mindestens einem der beiden zu verbindenden Kolbenteile (1, 2) geleitet wird, so daß der Schweißwulst (7) eine definierte Breite aufweist, damit derselbe durch einen Spalt (8) in der Aussenwand des Kühlkanalkolbens durch ein zerspanendes Verfahren entfernbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Reibschweißen eines Kühlkanalkolbens aus einem Kolbenboden und einem Kolbenhemd.
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. Außerdem ist das Reibschweißen zweier Teile aus JP 2002224857 A , JP 2000288747 A , JP 06047570 A , JP 63030189 A , JP 63097381 A , JP 58061987 A , JP 56062687 A und JP 55086692 A bekannt.
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 die Nachteile gemäß dem Stand der Technik zu verhindern.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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 Kolbenbodens oder Kolbenhemds 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 zu verbindenden Teile abgeschrägt sein. Bevorzugt wird jedoch eine ebene Fläche eines Kolbenteils mit einer abgeschrägten Fläche eines anderen Kolbenteils 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 daher, 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.
Reibgeschweißte Kolben die nach einem oben beschriebenen Verfahren hergestellt sind, wurden so hergestellt, dass die Schweißfläche an einem Kolbenboden und/oder Kolbenschaft 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 Kolbenteile an zumindest einer Seite durch Reibschweißen mit keinem oder einem definiert kleinen Schweißwulst zusammengefügt. Somit wird erreicht, dass ein Schweißwulst vollständig innerhalb eines vorgegebenen definierten Breitenmaßes entfernt werden kann.
Bevorzugt ist der reibgeschweißte Kolben ein Teil, bei dem der Schweißwulst stört oder zu entfernen ist, beispielsweise ein gebauter Kolben für einen Verbrennungsmotor.
Um eine gleichmäßige Ausdehnung bei der Erwärmung des reibgeschweißten Kolbens zu erzielen, sowie erleichterte Fügeeigenschaften beim Reibschweißen, ist der Werkstoff des ersten und zweiten Teils identisch.
Um bei bestimmten Anforderungen die Qualität des reibgeschweißten Kolbens zu verbessern und gleichzeitig ein sehr wirtschaftliches reibgeschweißtes Teil herzustellen, kann es von Vorteil sein, wenn der Werkstoff von Kolbenboden und Kolbenhemd in der Legierung verschieden ist. Es kann beispielsweise als Kolbenboden eine fertige bzw. eine hoch feste Legierung eingesetzt werden und für das Kolbenhemd 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.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale 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 schematisch einen Ausschnitt eines Schnittes durch ein zu verbindendes Kolbenteil zur Herstellung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.
2 einen Ausschnitt eines Schnitts durch einen reibgeschweißten Kolben,
3 einen vergrößerten Ausschnitt der 3, und
4 den Ausschnitt gemäß 2 mit einer entfernten Schweißwulst.
Die 1 zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts eines Kolbenbodens 1 in einem noch nicht zusammen reibgeschweißten Zustand mit einem hier nicht dargestellten Kolbenhemd 2. Der Kolbenboden 1 weist in dieser Ausführungsform als spezielle Ausgestaltung eine abgeschrägte Schweißfläche 3 am Kolbenboden 1 auf. Diese abgeschrägte Schweißfläche 3 wird beim Zusammenverbinden mit dem nicht gezeigten Kolbenhemd 2 durch Reibschweißen auf eine ebene Schweißfläche des Kolbenhemds 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 von Kolbenboden und Kolbenhemd 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.
Der Kolbenboden 1 weist zudem noch eine Besonderheit auf, dass er 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 definiert großer 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 Kolbenboden 1 vergrößert die ansatzförmige Führung 5 den Durchmesser des Kolbenbodens 1.
Die 2 zeigt als besondere Ausführungsform und besondere Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäß reibgeschweißten Kolbens einen Ausschnitt eines Schnitts 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 von Kolbenboden und Kolbenschaft 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, Kolbenboden 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 Kolbenboden und Kolbenschaft Teil 1, 2 vorliegt, der die Lebensdauer des reibgeschweißten Kolbens 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 B.
Die 4 zeigt schematisch im Schnitt den reibgeschweißten Kolben mit dem ersten Teil 1 als Kolbenoberteil bzw. Kolbenboden und zweitem Teil 2 als Kolbenunterteil bzw. Kolbenschaft, die durch das erfindungsgemäße Reibschweißverfahren verbunden worden sind. Bei diesem reibgeschweißten Kolben 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. Kolben, die fehlerhaft reibverschweißt sind, können somit schnell herausgefunden werden.
Der Werkstoff, aus dem der Kolbenboden 1 hergestellt ist, kann aufgrund der Anforderungen ein sehr hochfestes bzw. widerstandsfähiges Material – beispielsweise Stahl oder Aluminium – sein. Hingegen kann der Kolbenschaft 2 aus einem weicheren Werkstoff oder minderwertigeren Werkstoff – auch beispielsweise aus Stahl oder Aluminium – hergestellt sein. Im Übrigen wird auf die zeichnerischen Darstellungen der Erfindungen als wesentlich verwiesen.
Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft an einem Automobil-Kühlkanalkolben beschrieben wurde und sich genauso gut auf andere Kolben übertragen lässt, deren Wulst unter anderem durch einen engen Spalt der Öffnung entfernt werden soll.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines reibgeschweißten Kühlkanalkolbens aus einem Kolbenboden (1), der mit einem Kolbenschaft (2) reibgeschweißt wird, wobei eine zu verschweißende Verbindungsfläche (3) des Kolbenbodens (1) mit einer zu verschweißenden Verbindungsfläche (3) des Kolbenschafts (2) zum Reibschweißen zueinander angeordnet werden, sodass sie eine nicht vollflächige Berührungsfläche ausbilden, und dass Kolbenboden und Kolbenschaft (1, 2) unter Ausbilden einer Schweißverbindung gegeneinander reibgeschweißt werden, wobei die Ausbildung eines definiert einstellbaren Schweißwulstes (7) beim Reibschweißen durch eine als Ansatz (5) an der Innen-Verbindungsfläche (3) ausgebildete Führung (5) von mindestens einem der beiden zu verbindenden Kolbenteile (1, 2) geleitet wird, so daß der Schweißwulst (7) eine definierte Breite aufweist, damit derselbe durch einen Spalt (8) in der Aussenwand des Kühlkanalkolbens durch ein zerspanendes Verfahren entfernbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der zu verschweißenden Verbindungsflächen (3) von Kolbenboden und Kolbenschaft (1, 2), geradlinig, konkav, konvex oder spitz, abgeschrägt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung (5) im Querschnitt gesehen dreiecksförmig ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahrensprodukt ein Kolben für einen Verbrennungsmotor ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff von Kolbenboden und Kolbenschaft (1, 2) identisch ist.
Verfahren nach einem oder mehren der vorher genannten Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff von Kolbenboden und Kolbenschaft Teils (1, 2) in der Legierung verschieden ist.