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Die Erfindung betrifft ein Schweißverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines Schweißverfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
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Ein derartiges Verbindungsverfahren weist zumindest die folgenden Schritte auf: Bereitstellen zumindest eines zu verschweißenden ersten Bauteils, das insbesondere aus einem Metall wie z. B. Aluminium besteht, Pressen eines entlang einer ersten Richtung erstreckten Schweißstiftes auf das mindestens eine erste Bauteil entlang der ersten Richtung, und Rotieren des Schweißstiftes um die erste Richtung (als Rotationsachse), so dass das mindestens eine erste Bauteil im Bereich des Schweißstiftes weich (fließfähig) wird und eine Ausnehmung in dem mindestens einen Bauteil ausgebildet wird.
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Derartige Schweißverfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden auch als Rührreib- bzw. Reibpunktschweißen (Festphasenfügeverfahren) bezeichnet.
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Dabei kann weiterhin der rotierende Schweißstift, der auch als Rührpin bezeichnet wird und aus einer zylindrischen Schulter eines rotierbaren Schweißwerkzeuges herausragt, in einen Stumpfstoß zweier Bauteile in Form von Blechen gedrückt werden, wobei das rotierende Schweißwerkzeug samt dem daran drehfest festgelegten Schweißstift dann nach einer definierten Zeit, während der Reibungswärme erzeugt wird, entlang der Stumpfnaht der Bleche weiterbewegt wird.
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Der Prozessablauf gliedert sich also im Wesentlichen in drei Schritte. Im ersten Schritt wird ein rotierendes Schweißwerkzeug mit dem Schweißstift voran mit hoher Kraft solange in den Fügespalt gedrückt, bis die Schulter des Schweißwerkzeuges auf der Bauteiloberfläche zur Anlage kommt. Während des zweiten Schritts verweilt das sich drehende Schweißwerkzeug samt Schweißstift für einige Sekunden an der Eintauchstelle. Durch die Reibung zwischen der Werkzeugschulter und den Fügepartnern erwärmt sich der Werkstoff unter der Schulter bis kurz unter den Schmelzpunkt. Dieser Temperaturanstieg hat einen Festigkeitsabfall zur Folge, wodurch der Werkstoff plastifiziert wird und eine Vermischung der Fügezone möglich wird. Mit dem Einsetzen der Vorschubbewegung beginnt der dritte Schritt, bei dem das rotierende Schweißwerkzeug mit hoher Anpresskraft entlang der Fügelinie bewegt wird. Der durch die Vorschubbewegung entstehende Druckgradient zwischen Vorder- und Rückseite des Schweißstiftes und dessen Rotationsbewegung bewirken den Transport von plastifiziertem Werkstoff beider Bauteile um den Schweißstift herum, der sich dort vermischt und die spätere Naht bildet. Am Ende der Naht wird das Werkzeug wieder aus der Fügezone herausgezogen.
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Aufgrund dieses hier exemplarisch dargestellten charakteristischen Prozessablaufs ist das Rührreibschweißen sehr gut für Aluminiumlegierungen geeignet. Probleme, die beim Schmelzschweißen von Aluminiumlegierungen durch den Phasenübergang verursacht werden, wie z. B. die Heißrissproblematik und die Porenbildung, treten beim Rührreibschweißen infolge der Abwesenheit einer flüssigen oder dampfförmigen Phase nicht auf.
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Beim Rührreibschweißen wird einerseits der Werkstoff durch eine vertikal zur Werkstückoberfläche gerichtete Kraft unter Wärmeeinbringung gestaucht und andererseits durch die Geometrie des rotierenden Werkzeugs der teilplastische Werkstoff durch Verwirbelung nach unten gedrückt. Es entsteht ein Extrusionskanal, der bis an die Nahtwurzel reicht (auch Schweißnugget genannt). Die zu fügenden Bauteile stehen dabei still. Eine besondere Ausformung der Naht vor der Verschweißung ist nicht notwendig.
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Das Schweißwerkzeug weist vorzugsweise eine senkrecht zum Schweißstift angeordnete Schulter auf, die einen größeren Durchmesser als der Schweißstift selbst besitzt. Die Schulter kann in Form einer Halbschale ausgebildet sein, die die Umgebungsluft von der Schweißnaht isolieren soll. Der Schweißstift ist für die Verwirbelung des Werkstoffs zuständig. Die Neigung des Werkzeugs bzw. des Schweißstifts zur Oberfläche der zu fügenden Bauteile beträgt vorzugsweise etwa 2° bis 3° in stechender Anordnung. Der Schweißstift selbst hat einen geringen Verschleiß, er muss zur Aufrechterhaltung der Qualität nach etwa 3 km Schweißnaht ausgetauscht werden.
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Das oben beschriebene bekannte Verfahren kann auch zur lokalen Eigenschaftsverbesserung und zum Schließen von Poren in Gussgefügen verwendet werden. Es wird dann oft anstelle von FSW (englisch: Friction Stir Welding, deutsch: Rührreibschweißen) von FSP (englisch: Friction Stir Processing, deutsch: Rührreibbearbeitung) gesprochen.
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Herausforderungen beim Einsatz des Rührreibschweißens bestehen in den relativ hohen Prozesskräften, die je nach Legierung und Bauteildicke von ca. 1 kN bis weit über 20 kN betragen, der eingeschränkten 3D-Fähigkeit durch den notwendigen Kontakt zwischen der Werkzeugschulter und dem zu bearbeitenden Bauteil, den Endkratern am Ende der Schweißnaht durch den Austritt des Werkzeugs (Schweißstiftes), die jedoch durch automatisch zurückziehbare Schweißstifte vermieden werden können (englisch: „Retractable Pin Tool”, RPT, RPT-Technologie, deutsch: Werkzeug mit rückziehbarem Stift).
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Mit dem Rührreibschweißen (FSW) können Bleche verschiedener Materialien, insbesondere Metalle, bis zu einer Tiefe von mehr als 30 mm gefügt werden. Die erzielbaren Einschweißtiefen und Schweißgeschwindigkeiten hängen dabei stark vom zu fügenden Material ab und verringern sich in der Regel mit steigender Festigkeit und Härte. Die Prozesskräfte steigen mit steigender Festigkeit und Härte des Materials stark an. Verwendet wird das Verfahren deshalb hauptsächlich für Aluminium. Des Weiteren ist auch ein Fügen von Metallschäumen möglich.
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Verwendung findet das FSW hauptsächlich beim Verschweißen großflächiger Bauteile. Anwendungsbeispiele sind die Flugzeugindustrie, Raumfahrt, Schifffahrt, Schienenfahrzeugbau, aber mittlerweile auch verstärkt bei kleineren Anwendungen der Automobilbau oder die Medizintechnik.
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Die schnelle Entwicklung des Rührreibschweißens für Aluminiumlegierungen und seine erfolgreiche Implementierung für kommerzielle Produkte hat seine Anwendung auf andere Nichteisenmetalle (Magnesium, Kupfer, Titan, und ihre Legierungen) sowie Stahl und Thermoplaste motiviert.
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Ein weiteres Beispiel sind die Hintertüren des Mazda RX-8. Hier wird keine Naht, sondern nur Punkte geschweißt. Dies nennt man auch Reibpunktschweißen oder FSSW-Schweißen (englisch: Friction Stir Spot Welding). Das Werkzeug führt hier lediglich eine Vertikalbewegung durch.
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Herkömmlicherweise werden für das FSW Spezialmaschinen verwendet, die speziell für dieses Verfahren konstruiert oder umgerüstet wurden, um den Anforderungen des Prozesses zu genügen. Vereinzelt kommen auch Tricept-Robotersysteme zum Einsatz. Mittlerweile werden auch herkömmliche Produktionswerkzeuge für das FSW eingesetzt, um Kosten zu reduzieren und die Flexibilität zu erhöhen. Beispielsweise wurde der FSW-Prozess mittlerweile auf Werkzeugmaschinen oder Standardindustrierobotern umgesetzt Eine Hybridvariante des Rührreibschweißens ist das LAFSW-Schweißen (englisch: Laser Assisted Friction Stir Welding, deutsch: laserunterstütztes Rührreibschweißen). Bei dieser Variante wird zusätzlich Wärmeenergie durch einen Laserstrahl eingebracht, der unmittelbar dem rotierenden Werkzeug, dem Schweißstift, vorauseilt. Dadurch soll unter anderem eine Verringerung der vertikalen Kraft beim Einführen des FSW-Werkzeugs in das Bauteil und ein Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit erreicht werden. Diese Verfahrensvariante ist jedoch wegen des Lasers mit erhöhten Kosten verbunden.
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Ausgehend von dem eingangs dargelegten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde, ein Schweißverfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung eines Schweißverfahrens zu schaffen, die das Verschweißen bzw. Verbinden von Bauteilen weiter vereinfachen und verbessern.
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Dieses Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Danach ist vorgesehen, dass der Schweißstift als ein Verbindungsmittel ausgebildet ist, das nach dem besagten Plastifizieren des mindestens einen ersten Bauteils im Bereich des Schweißstiftes dauerhaft in jener Ausnehmung verbleibt, wobei der Schweißstift in der Ausnehmung mit dem mindestens einen ersten Bauteil beim Plastifizieren verschweißt bzw. unlösbar mit der Ausnehmung verbunden wird, oder wobei alternativ der Schweißstift nicht mit jenem Bauteil verschweißt bzw. unlösbar verbunden wird, so dass der Schweißstift aus der Ausnehmung herausnehmbar ist, ohne die Konfiguration der Ausnehmung zu zerstören (lösbare Verbindung).
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Eine unlösbare Verbindung ist also hierbei insbesondere als eine Verbindung gekennzeichnet, die sich nur durch Zerstören, also dauerhaftes Verändern des ersten Bauteiles und/oder des Verbindungsmittels lösen lässt. Eine lösbare Verbindung kann z. B. durch Herausdrehen des Verbindungsmittels gelöst werden, etwa wenn das Verbindungsmittel als eine Schraube ausgebildet ist, wie unten näher erläutert.
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Auf die vorgenannte Weise wird ein Rührreib- bzw. Reibpunktschweißverfahren (Festphasenfügeverfahren) mit verbleibenden „Werkzeug” bereitgestellt, das mit Vorteil gegenüber dem Stand der Technik einen einstufigen Prozess zur Herstellung einer hochfesten, lösbaren bzw. unlösbaren form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung oder einer unlösbaren, stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Verbindungsmittel und zumindest einem ersten oder ggf. mehreren Bauteilen darstellt. Die übliche Abfolge des Schweißens, Rohrens/Gewindeschneidens und Bolzen- oder Schraubeneindrehens wird auf einen Arbeitsschritt reduziert. Hierdurch kann einerseits eine erhöhte Qualität einer unlösbaren Verbindung zwischen dem Verbindungsmittel und der Ausnehmung (erstes Bauteil) durch ggf. stoffschlüssiges Fügen unterhalb der Werkstoff-Schmelztemperatur und somit eine hohe Belastbarkeit der Verbindung geschaffen werden und andererseits eine präzise, lösbare Verbindung zwischen der Ausnehmung und dem Verbindungsmittel z. B. in Form ineinandergreifender Gewinde bereitgestellt werden.
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Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Schweißstift zum Pressen gegen das mindestens eine erste Bauteil und zum Rotieren an einem Schweißwerkzeug festgelegt bzw. ragt von einer senkrecht zum Stift verlaufenden Schulter des Werkzeuges ab, wobei insbesondere das Schweißwerkzeug um die erste Richtung entlang einer zweiten Richtung rotierbar ist, und wobei insbesondere das Schweißwerkzeug samt Schweißstift entlang der ersten Richtung in Richtung auf das erste Bauteil verfahren wird, um den Schweißstift gegen das mindestens eine erste Bauteil zu drücken, so dass es beim Plastifizieren des ersten Bauteiles in dieses eintauchen kann. Damit der Schweißstift, der erfindungsgemäß ein Verbindungsmittel darstellt, in dem mindestens einen ersten Bauteil verbleiben kann, ist er vorzugsweise lösbar am Schweißwerkzeug festgelegt, und wird bevorzugt nach dem Herstellen der Verbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem Verbindungsmittel und ggf. weiterer Bauteile vom Schweißwerkzeug gelöst.
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Vorzugsweise ragt der Schweißstift von einer Stirnseite des Schweißwerkzeuges ab, wobei jene Stirnseite beim Ausbilden der Ausnehmung zur Anlage an einen die Ausnehmung berandenden Randbereich des mindestens einen ersten Bauteils gebracht wird, um plastifiziertes Material bei der Ausformung der besagten Ausnehmung zurückzudrängen. Ggf. wird der Schweißstift noch tiefer in das jeweilige Bauteil gedrückt.
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Es ist auch denkbar, dass die Stirnseite des Schweißwerkzeuges bzw. dessen Schulter an dem Stift selbst ausgebildet ist, d. h., einstückig an den Schweißstift angeformt ist. Das Schweißwerkzeug trägt dann diesen Schweißstift, der einen freien Endbereich aufweist, der von einer senkrecht dazu verlaufenden Schulter bzw. Stirnseite des Schweißstiftes (einstückig) abragt.
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In einer Variante des Verfahrens wird das Verbindungsmittel durch eine Schraube oder einen Bolzen/Stehbolzen mit einem Außengewinde gebildet, wobei die Schraube derart gegen das mindestens eine erste Bauteil gedrückt wird und rotiert wird, dass beim Eintauchen in das (an dieser Stelle plastifizierte) Bauteil an der Ausnehmung ein dem Außengewinde entsprechendes Innengewinde ausgebildet wird. Bei einem Stehbolzen kann es sich insbesondere um eine Schraube ohne Schraubenkopf handeln. In der Regel wird ein Stehbolzen mit einem Gewinde in ein (üblicherweise höherwertiges) Teil eingeschraubt, das zu diesem Zweck mit einem entsprechenden Gewinde versehen wurde. Dieser Gewindeteil wird in der Regel nicht mehr bewegt/gelöst. Das andere Gewindeende des Stehbolzens dient dem Befestigen eines anzuflanschenden weiteren Teils, das daran z. B. mit Mutter und Unterlegscheibe festgelegt werden kann.
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Die vorstehende Art des Gewindeformens ist besonders vorteilhaft, da im Gegensatz zum Gewindeschneiden kein Material verloren geht, sondern durch Umformen vollständig erhalten bleibt. Die Materialfaser wird dabei nicht durchtrennt, sondern am Gewindegrund verdichtet. Dadurch sind solchermaßen geformte Gewinde auszugsfester und haben eine sehr glatte Oberfläche. Die höhere Drehzahl und Vorschubgeschwindigkeit gegenüber dem Schneiden erhöht dabei zusätzlich die Produktivität. Gewindeformen kann insbesondere in Materialien mit guter Kaltverformbarkeit eingesetzt werden. Dies sind neben Stahl und Edelstahl auch Leichtmetalle und Leichtmetalllegierungen mit einer Streckgrenze von 1200 N/mm2. Grundsätzlich kommen insbesondere Werkstoffe, die beim Bohren langspanend sind, für das Gewindeformen in Betracht.
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Weiterhin ist im Hinblick auf die vorstehend beschriebene Art des Gewindeformens von Vorteil, dass in Abhängigkeit von dem Druck mit dem der Schweißstift gegen das mindestens eine erste Bauteil gedrückt wird und der Rotationsgeschwindigkeit des Schweißstiftes die Selbsthemmung des geformten Gewindes (Innengewinde der Ausnehmung) kontinuierlich bis maximal zur Verschweißung mit dem Grundwerkstoff (erstes Bauteil) erhöht werden kann. Hierdurch kann des Weiteren ggf. der übliche Schraubensicherungslack (z. B. Loctite) entfallen.
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Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Erhöhung der Dauerschwingfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit einer solchen Verbindung. Weiterhin können die Poren des ersten Bauteiles im Bereich des geformten Gewindes verschlossen werden. Insbesondere bei lösbaren Verbindungen zwischen dem geformten Außen- und Innengewinde sind werkstoffgerechte angepasste „Gewindeformen” möglich (z. B. Rundgewinde etc.)
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In einer weiteren Variante des Verfahrens ist das Verbindungsmittel als ein Bolzen ohne Gewinde oder eine Niete ausgebildet. Insbesondere bei unlösbaren Verbindungen zwischen dem Verbindungsmittel und dem mindestens einen ersten Bauteil und ggf. weiterer Bauteile sind Werkstoff- bzw. bauteilgerecht angepasste „Bolzenformen” möglich (z. B. Hinterschnitte etc.). Solche Verbindungsmittel können z. B. dazu ausgebildet sein, mit einem Hinterschnitt, etwa in Form eines gegenüber dem Nietenschaft/Bolzenschaft verbreiterten Nieten- bzw. Bolzenkopfes oder einem sonstigen verbreiterten Abschnitt, der z. B. das erste Bauteil oder ggf. ein weiteres Bauteil hintergreifen kann. Insbesondere können mehrere Bauteile miteinander verbunden werden (z. B. Kurbelgehäuse mit Hauptlagerdeckel, Pleuelstange mit Pleuelkappe etc.) In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird neben dem ersten Bauteil ein zweites Bauteil bereitgestellt, wobei das zweite Bauteil so bezüglich des ersten Bauteils angeordnet wird, dass eine entlang einer dritten Richtung erstreckte Oberfläche des ersten Bauteils an einer entlang der dritten Richtung erstreckten Oberfläche des zweiten Bauteils anliegt, wobei der Schweißstift im Bereich eines durch die beiden Stirnseiten definierten Fügespaltes so gegen die beiden Bauteile gedrückt wird, rotiert wird und entlang der dritten Richtung aus einer ersten Position in eine zweite Position verfahren wird, dass die Stirnseite des Schweißwerkzeuges insbesondere an den beiden dem Schweißwerkzeug zugewandten Oberflächen der beiden Bauteile anliegt und die beiden Bauteile jeweils im Bereich der zugeordneten Stirnseiten nach und nach plastifiziert werden und hierbei zumindest abschnittsweise entlang der dritten Richtung miteinander verschweißt werden, indem plastifiziertes Material der beiden Bauteile vom rotierenden Schweißstift mitgenommen und um den Schweißstift miteinander vermengt wird. Hierbei wird die besagte Ausnehmung, in der der Schweißstift am Ende verbleibt, in der zweiten Position ausgebildet.
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In der zweiten Position kann der Schweißstift dabei entlang der ersten Richtung noch tiefer in die beiden Bauteile gedrückt werden.
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In einer weiteren Variante des Verfahrens wird bevorzugt ein zweites Bauteil bereitgestellt, wobei das zweite Bauteil so bezüglich des ersten Bauteils angeordnet wird, dass die beiden Bauteile entlang der ersten Richtung übereinander liegen, wobei der Schweißstift zum Verbinden der beiden Bauteile entlang der ersten Richtung auch in das zweite Bauteil gedrückt wird und dieses im Bereich des Schweißstiftes plastifiziert, so dass sich die Ausnehmung durch das erste Bauteil hindurch auch in das zweite Bauteil erstreckt.
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Natürlich können auch zwei Bauteile mit ihren Stirnseiten aneinandergelegt werden und ein drittes Bauteil kann entlang der ersten Richtung unterhalb des durch die beiden Stirnseiten definierten Fügespaltes angeordnet werden. Hierbei können die beiden Bauteile mit einander verschweißt werden und das dritte Bauteil kann über das Verbindungsmittel als Schweißstift mit den beiden anderen Bauteilen verbunden werden.
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Des Weiteren wird das der Erfindung zugrunde liegende Problem durch eine Vorrichtung zur Durchführung eines Schweißverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Danach ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung einen entlang einer ersten Richtung erstreckten Schweißstift aufweist, der entlang der ersten Richtung verfahrbar ist, um gegen mindestens ein zu verschweißendes erstes Bauteil zu drücken, wobei der Schweißstift um die erste Richtung rotierbar ist, so dass das mindestens eine erste Bauteil im Bereich des Schweißstiftes plastifiziert wird und eine Ausnehmung in dem mindestens einen Bauteil ausgebildet wird, wobei der Schweißstift als ein Verbindungsmittel ausgebildet ist, das dazu ausgebildet ist, nach dem besagten Plastifizieren des mindestens einen ersten Bauteils im Bereich des Schweißstiftes in jener Ausnehmung zu verbleiben, wobei die Vorrichtung den Schweißstift so gegen das mindestens eine erste Bauteil drückt und rotiert, dass der Schweißstift in der Ausnehmung mit dem mindestens einen ersten Bauteil unlösbar verbunden bzw. verschweißt wird oder lösbar mit jenem Bauteil verbunden wird (nicht verschweißt wird), so dass der Schweißstift aus der Ausnehmung zerstörungsfrei herausnehmbar ist.
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Zusammenfassend zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die entsprechende Vorrichtung dadurch aus, dass beim Herstellen der besagten Verbindungen keine Zusatzwerkstoffe nötig sind, hohe Nahtfestigkeiten erzielbar sind, kein Schutzgas nötig ist, der Prozessablauf vergleichsweise einfach ist, ein breites Spektrum von Mischverbindungen möglich ist sowie relativ niedrige Temperaturen (in Aluminium ca. 550 C auf der Schweißnahtoberfläche) und damit wenig Verzug möglich sind.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen bei den nachfolgenden Figurenbeschreibungen von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 eine ausschnitthafte Schnittansicht eines Schweißwerkzeuges mit einem davon abragenden Schweißstift vor dem Eintauchen in eine Bauteiloberfläche;
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2 eine ausschnitthafte Schnittansicht des Schweißwerkzeuges gemäß 1 mit in die Bauteiloberfläche eingetauchtem Schweißstift;
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3 eine Variante des in den 1 und 2 gezeigten Verfahrens; und
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4 ein durch das in den 1 und 2 dargestellte Verfahren erzeugtes Gewinde.
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1 zeigt in Zusammenhang mit 2 ein zylindrisches Schweißwerkzeug 10 mit einem davon entlang einer ersten Richtung B abragenden zylindrischen Schweißstift 100, der bezüglich des Schweißwerkzeuges 10 koaxial angeordnet ist. Dabei steht der Schweißstift 100 über eine Schulter 11 des Schweißwerkzeuges 10 hinaus und weist einen ersten freien Endbereich 101 auf, über den er lösbar am Schweißwerkzeug 10 festgelegt ist sowie einen zweiten freien Endbereich 102, der dem ersten freien Endbereich 101 entlang der ersten Richtung B, die mit der Vertikalen Z zusammenfallen kann, gegenüberliegt. Der Schweißstift 100 weist ferner eine umlaufende, entlang der ersten Richtung erstreckte Außenseite 104 auf, sowie eine dem Schweißwerkzeug 10 entlang der ersten Richtung B abgewandte Stirnseite 103 zur Anlage an einer Oberfläche 21 eines zu verschweißenden ersten Bauteiles 20 in Form eines Blechs, die sich in diesem Ausführungsbeispiel entlang der X-Y-Ebene erstreckt.
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Entlang der ersten Richtung B kann unterhalb des ersten Bauteiles 20 ein weiteres zweites Bauteil 30 in Form eines Blechs angeordnet sein, das mit dem ersten Bauteil 20 verbunden werden soll. Dabei kann das zweite Bauteil 30 mit einer ebenfalls entlang der X-Y-Ebene erstreckten Oberfläche 31 an einer dem Schweißwerkzeug abgewandten Oberfläche 22 des ersten Bauteiles 20 flächig anliegen.
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Der Schweißstift 100 wird nun zum Eintauchen in das erste metallische Bauteil 20 entlang einer zweiten Richtung R in Rotation versetzt, so dass er eine vorbestimmbare Rotationsgeschwindigkeit aufweist und entlang der ersten Richtung B senkrecht zur Oberfläche 21 in Richtung auf das erste Bauteil 20 abgesenkt, so dass er mit einer vordefinierten Kraft gegen das erste Bauteil 20 drückt. Dabei sind jener Druck und die Rotationsgeschwindigkeit des Schweißstiftes 100 in Abhängigkeit vom Material des Schweißstiftes 100 sowie des ersten bzw. zweiten Bauteiles 20, 30 so bemessen, dass das erste Bauteil 20 und ggf. ein darunter angeordnetes zweites Bauteil 30 im Bereich des eintauchenden Schweißstiftes 100 durch die mittels des Schweißstiftes 100 und ggf. der Schulter 11 erzeugte Reibungswärme plastifiziert wird und eine entsprechende Ausnehmung 200 ausgebildet wird.
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Zum Zurückdrängen von plastifiziertem Material des ersten Bauteils 20 und zum Erwärmen des ersten Bauteiles 20 wird der Schweißstift 100 vorzugsweise entlang der ersten Richtung B gemäß 2 so tief in das erste und ggf. das zweite Bauteil 30 eingetaucht, dass die Schulter 11 des Schweißwerkzeuges zur Anlage an die Oberfläche 21 bzw. zur Anlage an einen die ausgebildete Ausnehmung 200 begrenzenden Randbereich 23 jener Oberfläche 21 zu liegen kommt. Hierbei kann die Schulter 11 gleichzeitig zum Anspiegeln bzw. zur Bearbeitung der Anlage- oder Auflagefläche (Randbereich 23) genutzt werden, was eine zusätzliche Reduktion der Arbeitsschritte bedeutet.
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Es ist auch möglich, dass der Schweißstift 100 selbst die Schulter 11 ausbildet. Das Schweißwerkzeug 10 liegt dann entsprechend hinter jener Schulter 11.
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Der Schweißstift 100 ist weiterhin dazu eingerichtet und vorgesehen, dauerhaft in der ausgebildeten Ausnehmung als Verbindungsmittel zu verbleiben. Hierzu kann der Schweißstift 100 als eine Schraube ausgebildet sein, die beispielsweise gemäß 2 an der Außenseite 104 am zweiten freien Endbereich 102 ein Außengewinde 105 aufweisen kann (vgl. 2). Des Weiteren kann der Schweißstift 100 als ein Bolzen ausgebildet sein, der z. B. an einem der freien Endbereiche 101, 102 einen abstehenden Bereich aufweisen kann, so dass der Bolzen 100 das erste Bauteil 20 (z. B. in der Ausnehmung 200) oder weitere Bauteile 30 hintergreifen kann. Weiterhin kann der Schweißstift 100 auch als ein Niet oder ein ähnliches Verbindungsmittel ausgebildet sein.
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Abhängig vom Druck, der Rotationsgeschwindigkeit und den beteiligten Materialen kann der Schweißstift 100 in der Ausnehmung 200 kraft- und/oder formschlüssig unlösbar festgelegt werden oder in der Ausnehmung 200 mit dem ersten bzw. zweiten Bauteil 20, 30 stoffschlüssig verschweißt werden, indem eine Schweißnaht 201 zwischen dem ersten bzw. zweiten Bauteil 20, 30 und dem Verbindungsmittel 100 im Bereich der Ausnehmung 200 ausgebildet wird (vgl. z. B. 2).
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Insbesondere bei einem Schweißstift in Form einer Schraube mit einem Außengewinde 105 kann beim Plastifizieren in dem ersten bzw. zweiten Bauteil eine Ausnehmung mit entsprechendem Innengewinde 202 geschaffen werden, derart, dass das Verbindungsmittel nach dem Erstarren des Materials wieder aus der Ausnehmung herausgeschraubt werden kann. Ein exemplarisches Beispiel für ein solches Innengewinde 202 eines ersten Bauteiles 60 ist in der 4 im Querschnitt gezeigt. Somit kann also durch Aufbringen einer definierten axialen Anpresskraft des Schweißstiftes auf das Eindrehen, Anziehen der Schraube bzw. des Stehbolzens mit definiertem Drehmoment und Drehwinkel verzichtet werden und die Herstellung eines absolut spielfreien Gewindes, bei dem die obere und die untere Gewindeflanke anliegen, ermöglicht werden. Des Weiteren können die besagten Gewinde 202 bzw. Bolzen 100 absolut winkeltreu, also beispielsweise in einem rechten Winkel zur Bauteiloberfläche 21 angeordnet werden. Ferner werden die Poren im Bereich des geformten Gewindes 202 verschlossen. Insbesondere in spröden und porösen Werkstoffen erlaubt dies die Erhöhung der Tragfähigkeit von Gewinden, z. B. in Aluminium-(Druck)gussbauteilen, Sintermetallen, Metallschäumen etc.).
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Gemäß 3 kann das Verbindungsmittel 100 schließlich, bevor es in dem ersten bzw. zweiten Bauteil 40, 50 verbleibt, zum Rührreibschweißen verwendet werden. Hierbei können z. B. ein flächiges erstes Bauteil 40 und ein flächiges zweites Bauteil 50 entlang der X-Y-Ebene nebeneinander angeordnet werden, so dass eine Stirnseite 42 des ersten Bauteiles 40, die sich entlang einer dritten Richtung B' erstreckt, quer zu dieser dritten Richtung B einer Stirnseite 52 des zweiten Bauteiles 50 gegenüberliegt, die sich ebenfalls entlang der dritten Richtung B' erstreckt. Die beiden Stirnseiten 42, 52 definieren auf diese Weise einen Fügespalt zwischen den beiden Bauteilen 40, 50, der durch eine Schweißnaht 201 verbunden werden soll.
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Hierzu wird das Schweißwerkzeug 10 in einer ersten Position entlang des Fügespaltes auf die beiden Bauteile 40, 50 abgesenkt, so dass der Schweißstift 100 gemäß den 2 bzw. 3 in das erste und das zweite Bauteil 40, 50 eintauchen kann, wobei die Schulter 11 des Schweißwerkzeuges 10 zur Anlage an die beiden dem Schweißwerkzeug 10 zugewandten Oberflächen 41, 51 der beiden Bauteile 40, 50 gelangt. Durch die vom Schweißwerkzeug 10 samt Schweißstift 100 auf die Bauteile 40, 50 übertragene Reibungswärme plastifizieren die beiden Bauteile 40, 50 im Bereich der Stirnseiten 42, 52 um den Schweißstift 100, und Material von den beiden Stirnseiten 42, 52 wird miteinander aufgrund der Rotation des Schweißstiftes 100 vermengt. Indem nun das Schweißwerkzeug 10 bzw. der Schweißstift 100 entlang der dritten Richtung B', also entlang des Fügespaltes in eine zweite Position verfahren wird, wird eine den Fügespalt ausfüllende, die beiden Bauteile 40, 50 miteinander verbindende Schweißnaht 201 erzeugt. In der zweiten Position kann dann der Schweißstift 100 bzw. das Verbindungsmittel 100 in der Schweißnaht 201 in einer entsprechenden Ausnehmung 200 verbleiben (vgl. 2), die z. B. bei einem entsprechenden Verbindungsmittel 100 ein Innengewinde 202 gemäß 4 aufweisen kann.
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Es ist auch möglich, dass das Verbindungsmittel 100 in der zweiten Position noch tiefer entlang der ersten Richtung B in den Grundwerkstoff bzw. die beiden Bauteile 40, 50 eintaucht. Dies ist unabhängig davon, ob eine lösbare oder unlösbare Verbindung hergestellt werden soll.
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Das oben beschriebene Verfahren bzw. die dargestellte Vorrichtung ermöglichen somit eine erhöhte Festigkeit durch Fügen von Bauteilen in der festen Phase, indem nur eine Plastifizierung des Materials stattfindet. Hierbei können Mischverbindungen und unterschiedliche Werkstoffe (z. B. Metalle) stoff- und/oder kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbunden werden. Es handelt sich um ein spanloses Verfahren, so dass die Entsorgung bzw. Lagerung von Prozessabfällen entfällt. Das Verfahren ist ferner voll automatisierbar.
