DE102011080252A1

DE102011080252A1 - Verfahren zum verbinden verschiedener metallwerkstücke und verbundwerkstück aus verschiedenen metallwerkstoffen

Info

Publication number: DE102011080252A1
Application number: DE102011080252A
Authority: DE
Inventors: Tomonobu HATAKEYAMA; Gouki YOTSUYA
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2011-08-02
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2031-08-03
Also published as: CN102380703A; DE102011080252B4; CN102380703B; US20120052322A1; JP2012050996A; JP5740871B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden verschiedener Metallwerkstoffe, die unterschiedliche Schmelzpunkte besitzen, umfassend folgende Schritte: Positionieren eines Stahlteils (Metallwerkstoff mit hohem Schmelzpunkt) und eines Aluminiumteils (Metallwerkstoff mit niedrigem Schmelzpunkt) in einer Verbindungsposition; In-Berührung-Bringen eines Drehwerkzeugs unter Druck mit dem Stahlteil bei gleichzeitiger Drehung des Drehwerkzeugs und Einbringen des Drehwerkzeugs in das Stahlteil; Steuern einer Einbringposition des Drehwerkzeugs in eine Stellung, in der das Drehwerkzeug das Stahlteil nicht durchbricht; Erzeugen einer Reibungswärme an einem Bereich zwischen dem Stahlteil und dem Dre des Aluminiumteils durch Wärmeleitung aus der Reibungswärme, um dadurch den beiden Teilen zu ermöglichen, plastisch zu fließen; und teilweises Rühren des Stahlteils und des Aluminiumteils durch das Drehwerkzeug, um dadurch das Stahlteil und das Aluminiumteil durch Rührreibschweißen zu verbinden. Durch die obige Struktur lassen sich Bindungsstärke insbesondere einer Abschälfestigkeit der verschiedenen Metallwerkstoffe stark verbessern.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden unähnlicher (verschiedener) Werkstoffe, bei dem verschiedene Metallwerkstoffe durch eine Rührreibschweißung verbunden werden, ferner betrifft sie ein Verbundwerkstück aus verschiedenen Metallwerkstoffen, welches mit Hilfe dieses Verbindungsverfahrens erhalten werden kann.
Stand der Technik
Ein Fügevorgang zum Verbinden verschiedener Metallwerkstoffe wie beispielsweise Stahl- und Aluminiumteilen wurde im allgemeinen durch ein Schmelzschweißverfahren oder ein mechanisches Verbindungsverfahren unter Verwendung von Nieten oder dergleichen durchgeführt.
Allerdings ist im Fall des Schmelzschweißverfahrens die in einen Schweißbereich einzubringende Wärmemenge beträchtlich, es kommt an der Grenzfläche zwischen dem Stahlteil und dem Aluminiumteil leicht zu brüchigen intermetallischen Verbindungen (so zum Beispiel Fe₂Al₅, FeAl₃ oder dergleichen), so dass sich das Problem stellt, dass sich die Verbindungsfestigkeit der miteinander verbundenen zwei Teile in nachteiliger Weise verringert. Im Fall des mechanischen Verbindungsverfahrens unter Einsatz von Nieten oder Bolzen ist für den Verbindungsvorgang ein Extrawerkstoff für beispielsweise die Nieten erforderlich, was zu einer Steigerung der Fertigungskosten führt.
Aus diesem Grund wurde in den vergangenen Jahren die Forschung auf dem Gebiet des Verbindens eines Stahlbauteils mit einem Aluminiumbauteil mittels FSW (Friction Stir Welding = Rührreibschweißen) vorangetrieben, bei dem die zu verbindenden Werkstücke nicht geschmolzen, sondern erweicht werden, um ein plastisches Fließen hervorzurufen, durch welches die beiden Werkstücke als Festkörper verbunden werden (Festkörperschweißen). Bei diesem Rührreibschweiß-Verfahren wird ein aus üblichem Werkzeugstahl gefertigtes FSW-Werkzeug verwendet, welches mit dem Aluminiumwerkstück in Berührung gebracht wird, wodurch das Stahlwerkstück und das Aluminiumwerkstück durch Rührreibschweißen verbunden werden (siehe Patentschrift 1, Patentschrift 2 oder dergleichen).
Bei dem beispielsweise in der Patentschrift 1 dargestellten Rührreibschweiß-Verfahren wird eine Verbindungsfläche des Stahlteils mit einem Oxidationsschutzfilm (einem Zn-Überzug) bedeckt, das Stahl- und das Aluminiumteil werden übereinandergelegt. In diesem überlagerten Zustand wird das FSW-Werkzeug unter Drehung gegen das Aluminiumteil zur Anlage gebracht, und anschließend wird das FSW-Werkzeug in das Aluminiumteil eingebracht, demzufolge das Aluminiumteil und der Zn-Überzug aufgrund der Reibungswärme erweicht werden, so dass das plastische Fließen entsteht, durch welches der Zn-Überzug entfernt wird und eine Oberfläche des Stahlteils eine neue Texturfläche zeigt. Im Ergebnis werden das das plastische Fließen aufweisende Aluminiumteil und die neue Texturoberfläche des Stahlteils festkörperlich verbunden.
Schriften zum Stand der Technik
[Patentschrift]

[Patentschrift 1] Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2005-34879
[Patentschrift 2] Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2006-239720

Allerdings kann im Fall des Rührreibschweiß-Verfahrens, bei dem das FSW-Werkzeug nicht mit dem Stahlteil, sondern lediglich mit dem Aluminiumteil in Berührung gebracht wird, keine hohe Bindungsstärke der beiden Fügepartner erreicht werden, weil das Stahlteil und das Aluminiumteil nicht ausreichend gerührt werden. Wenn nämlich das FSW Werkzeug mit dem Aluminiumteil in Berührung tritt und in dieses eintritt und eine Temperatur des Aluminiumteils zu einem Punkt unmittelbar unterhalb des Schmelzpunkts des Aluminiumteils ansteigt, so wird dieses Aluminiumteil erweicht, um ein plastisches Fließen hervorzurufen, so dass eine Reibung zwischen dem FSW-Werkzeug und dem Aluminiumteil geringer wird. Im Ergebnis lässt sich eine zusätzliche Wärmeerzeugung (zusätzliche Reibungswärme) nicht erreichen. Aus diesem Grund kann die Temperatur des Stahlteils nicht auf eine Temperatur steigen, welche dem Stahlteil eine Plastifizierung ermöglicht, woraus sich ein Zustand ergibt, in welchem lediglich das Aluminiumteil gerührt wird. Aus diesem Grund werden das Stahlteil und das Aluminiumteil nicht ausreichend gerührt, und man kann keine starke Bindekraft der beiden Fügeteile erreichen.
Wenn als Gegenmaßnahme ein FSW-Werkstück aus üblichem Werkzeugstahl verwendet wird und das FSW-Werkzeug mit einem Stahlteil in Berührung gebracht wird, während sich das FSW-Werkzeug dreht, wie es dem üblichen Vorgehen entspricht, so steht zu befürchten, dass das FSW-Werkzeug aufgrund der Reibungswärme verschleißt oder bricht.
Als weitere Gegenmaßnahme wurde erwogen, ein aus einem speziellen Werkstoff wie beispielsweise PCBN (polykristallines kubisches Bornitrid) gefertigtes FSW-Werkzeug einzusetzen, welches kaum verschleißt oder bricht, selbst wenn das PCBN mit dem Stahlteil in Berührung steht. Allerdings ist ein derartiges FSW-Werkzeug aus PCBN per se äußerst teuer, so dass sich das Problem ergibt, dass sich die zum Durchführen der Rührreibschweißung erforderlichen Kosten in unvorteilhafter Weise erhöhen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben angesprochenen Probleme zu lösen, und dementsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verbinden verschiedener (unähnlicher) Metallwerkstoffe sowie einen Verbundkörper aus den verschiedenen Metallwerkstoffen zu schaffen, die in der Lage sind, eine Bindekraft, insbesondere eine Abschälfestigkeit der unähnlichen Metallwerkstoffe zu verbessern.
Außerdem besteht ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung in der Schaffung eines Verfahrens zum Verbinden verschiedener Metallwerkstoffe und eines Verbundwerkstücks aus verschiedenen Metallwerkstoffen, die in der Lage sind, in wirksamer Weise zu verhindern, dass das für die Rührreibschweißung verwendete drehende Werkzeug bricht oder beschädigt wird.
Um die oben angesprochenen Probleme zu lösen, schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verbinden verschiedener Metallwerkstoffe mit unterschiedlichem Schmelzpunkt, umfassend folgende Schritte: Positionieren eines Metallwerkstoffs mit hohem Schmelzpunkt und eines Metallwerkstoffs mit niedrigem Schmelzpunkt in einer Verbindungsposition, in der die verschiedenen Metallwerkstoffe verbunden werden; In-Berührung-Bringen eines Drehwerkzeugs unter hohem Druck mit dem Metallwerkstoff hohen Schmelzpunkts, während das Drehwerkzeug gedreht wird, und Einbringen des Drehwerkzeugs in den Metallwerkstoff hohen Schmelzpunkts; Steuern einer Einbringposition des Drehwerkzeugs in eine Position, in der das Drehwerkzeug den Metallwerkstoff hohen Schmelzpunkts nicht durchbricht; Erzeugen von Reibungswärme in einem Abschnitt zwischen dem Metallwerkstoff hohen Schmelzpunkts und dem Drehwerkzeug; teilweises Erweichen des Metallwerkstoffs hohen Schmelzpunkts und des Metallwerkstoffs niedrigen Schmelzpunkts durch aus der Reibungswärme abgeleiteter Wärmeleitung, um dem Metallwerkstoff hohen und niedrigen Schmelzpunkts plastisches Fließen zu ermöglichen; und teilweises Rühren des Metallwerkstoffs hohen Schmelzpunkts und des Metallwerkstoffs niedrigen Schmelzpunkts mit Hilfe des Drehwerkzeugs, um dadurch den Metallwerkstoff hohen Schmelzpunkts und den Metallwerkstoff niedrigen Schmelzpunkts durch Rührreibschweißen zu verschweißen.
Weiterhin wird ein Verbundkörper aus unähnlichen Metallwerkstoffen erfindungsgemäß erhalten durch Verbinden des einen hohen Schmelzpunkt aufweisenden Metallwerkstoffs mit dem einen niedrigen Schmelzpunkt aufweisenden Metallwerkstoff gemäß dem oben angesprochenen Verfahren zum Verbinden verschiedener Metallwerkstoffe.
Wenn bei dem Verfahren zum Verbinden verschiedener Metallwerkstoffe und dem Verbundwerkstück aus verschiedenen Metallwerkstoffen gemäß der Erfindung das Drehwerkzeug in den Metallwerkstoff hohen Schmelzpunkts von einer Seite her eingebracht wird, erzeugt der Metallwerkstoff hohen Schmelzpunkts eine Reibungshitze und wird auf eine Temperatur erwärmt, bei der der Metallwerkstoff hohen Schmelzpunkts erweicht wird und plastifiziert werden kann, wobei der Metallwerkstoff niedrigen Schmelzpunkts ebenfalls erweicht wird und plastifiziert werden kann durch Wärmeleitung, die von der Reibungswärme abgeleitet wird.
Aus diesem Grund können der Metallwerkstoff hohen Schmelzpunkts und der Metallwerkstoff niedrigen Schmelzpunkts teilweise und ausreichend mit Hilfe des Drehwerkzeugs gerührt werden, demzufolge die beiden Metallwerkstoffe mit hoher Bindekraft verbunden (verschweißt) werden können.
Außerdem wird eine Eindringposition (Eindringtiefe) des Drehwerkzeugs zu einer Position hin gesteuert, an der das Drehwerkzeug den Metallwerkstoff hohen Schmelzpunkts nicht durchbricht (ihn nicht durchdringt), so dass eine Verbindungsfläche des Metallwerkstoffs hohen Schmelzpunkts und des Metallwerkstoffs niedrigen Schmelzpunkts in ausreichendem Maß gewährleistet werden kann. Im Ergebnis lässt sich die Bindekraft, insbesondere eine Abschälfestigkeit der beiden unähnlichen Metallwerkstoffe stark verbessern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Seitenansicht, die schematisch eine Situation bei einem Rührreibschweiß-Verfahren veranschaulicht, bei dem eine Ausführungsform des Verfahrens zum Verbinden verschiedener Metallwerkstoffe gemäß der Erfindung angewendet wird.
2 ist eine Photographie, die ein äußeres Erscheinungsbild eines verbundenen Bereichs eines durch Rührreibschweißen verbundenen Körpers (einen Verbundkörper aus einer Weichstahlplatte und einer expandierten Aluminiumplatte) darstellt, der durch das in 1 dargestellte Rührreibschweiß-Verfahren erhalten wird.
3 ist eine Ansicht eines Querschnitts der Peripherie des in 2 gezeigten Verbindungsbereichs, wobei 3A eine Photographie ist, die den Querschnitt der Peripherie des Verbindungsbereichs veranschaulicht, 3B eine Ansicht ist, welche schematisch den in 3A dargestellten Querschnitt veranschaulicht, 3C eine vergrößerte Photographie ist, die einen Querschnitt des in 3 dargestellten Bereichs IIIC veranschaulicht, und 3D eine vergrößerte Photographie ist, welche einen Querschnitt des in 3A gezeigten Bereichs IIID veranschaulicht.
4 ist eine Ansicht, die einen Querschnitt der Peripherie des Verbindungsbereichs eines durch Rührreibschweißen verbundenen Körpers (eines Verbundkörpers aus einer Weichstahlplatte und einer Aluminiumgussplatte) veranschaulicht, der durch das in 1 gezeigte Rührreibschweiß-Verfahren erhalten wurde, wobei 4A eine Photographie ist, die den Querschnitt der Peripherie des Verbindungsbereichs darstellt, 4B eine vergrößerte Photographie ist, die einen Querschnitt des in 4A dargestellten Bereichs IVB veranschaulicht, 4C eine vergrößerte Photographie ist, die einen Querschnitt des in 4A gezeigten Bereichs IVC veranschaulicht, und 4D eine vergrößerte Photographie ist, die einen Querschnitt des in 4A gezeigten Bereichs IVD veranschaulicht.
5 ist eine Ansicht, die einen Querschnitt der Peripherie des Verbindungsbereichs eines durch Rührreibschweißen verbundenen Körpers (eines Verbundkörpers aus einer Weichstahlplatte und einer Aluminiumformgussplatte) veranschaulicht, erhalten durch das in 1 gezeigten Rührreibschweiß-Verfahren, wobei 5A eine Photographie ist, die den Querschnitt der Peripherie des Verbindungsbereichs veranschaulicht, 5B eine vergrößerte Photographie ist, die einen Querschnitt des in 5 gezeigten Bereichs VB veranschaulicht, 5C eine Vergrößerte Photographie ist, die einen Querschnitt des in 5A gezeigten Bereichs VC veranschaulicht, und 5D eine vergrößerte Photographie ist, die einen Querschnitt des in 5A gezeigten Bereichs VD veranschaulicht.
6 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einer Abschälfestigkeit des durch Rührreibschweißen erhaltenen Verbundwerkstücks und einer Eindringtiefe (Eindringposition) des Drehwerkzeugs.
7 ist eine graphische Darstellung, die eine Relation zwischen einer Abschälfestigkeit des durch Rührreibschweißen verbundenen Körpers und eines Durchmessers des Drehwerkzeugs zeigt.
8 ist eine Seitenansicht, die schematisch einen Betriebszustand eines herkömmlichen Rührreibschweiß-Verfahrens darstellt.
9 ist eine Ansicht, die einen Querschnitt einer Peripherie des Verbindungsbereichs eines durch Rührreibschweißen erhaltenen Verbundwerkstücks zeigt, erhalten durch das in 8 dargestellte Rührreibschweiß-Verfahren, wobei 8A eine Photographie ist, die den Querschnitt der Peripherie des Verbindungsbereichs zeigt und 8B eine Ansicht ist, die schematisch den in 9A dargestellten Querschnitt veranschaulicht.
10 ist eine graphische Darstellung, die zum Vergleich eine Abschälfestigkeit und eine Quer-Zugfestigkeit des in 2 bis 3 dargestellten durch Rührreibschweißung erhaltenen Verbundwerkstücks 15 und des in 9 gezeigten durch Rührreibschweißung erhaltenen Verbundwerkstücks veranschaulicht.
11 ist eine Ansicht zum Erläutern eines Verfahrens zum Prüfen von Festigkeiten eines Verbundwerkstücks, wobei 11A eine Ansicht zum Erläutern eines Prüfverfahrens für eine Abschälfestigkeit ist und 11B eine Ansicht zum Erläutern eines Prüfverfahrens für eine Quer-Zugfestigkeit veranschaulicht.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Im folgenden wird eine beste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen erläutert. Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist.
1 ist eine Seitenansicht, die schematisch eine Betriebssituation eines Rührreibschweiß-Verfahrens veranschaulicht, bei dem eine Ausführungsform des Verfahrens zum Verbinden verschiedener Metallwerkstoffe gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet wird. Bei dem Verfahren zum Verbinden verschiedener Metallwerkstoffe nach dieser Ausführungsform werden unähnliche (verschiedene) Werkstoffe mit jeweils unterschiedlichem Schmelzpunkt, das heißt ein Werkstoff mit hohem Schmelzpunkt und ein Schmelzpunkt mit niedrigem Schmelzpunkt, übereinandergelegt und einer Punktschweißung unterzogen.
Als Werkstoff mit hohem Schmelzpunkt wird ein Eisenteil, insbesondere ein Stahlteil 11 mit einem Schmelzpunkt von etwa 1500°C verwendet. Andererseits wird als Werkstoff mit niedrigem Schmelzpunkt ein Aluminiumteil (einschließlich einer Aluminiumlegierung) 12 mit einem Schmelzpunkt von etwa 580 bis 650°C verwendet. Dabei ist das Aluminiumteil 12 nicht beschränkt auf ein expandiertes Bauteil wie beispielsweise ein A6061-Bauteil, sondern man kann ebenfalls ein Gussteil verwenden, beispielsweise ein AC4CH-Teil oder dergleichen, ebenso ein Druckgussteil wie beispielsweise ein ADC12-Teil oder dergleichen.
Bei dem Rührreibschweiß-Verfahren nach dieser Ausführungsform werden zunächst das Stahlteil 11 und das Aluminiumteil 12 übereinandergelegt und in einem Bereich positioniert, an dem eine Verbindung (Schweißung) vorgenommen werden soll. Dabei wird das Stahlteil 11 auf der oberen Seite angeordnet, das Aluminiumteil 12 wird auf der unteren Seite angeordnet.
Als nächstes wird ein Drehwerkzeug 13 in Anlage an dem Stahlteil 11 gebracht, während das Drehwerkzeug 13 gedreht wird, und anschließend wird das Drehwerkzeug 13 in das Stahlteil 11 eingesenkt. Dabei ist das Drehwerkzeug 13 aus Werkzeugstahl gefertigt, beispielsweise SKD61 oder dergleichen, oder es besteht aus einem Formstahl, wobei das Drehwerkzeug 13 derart ausgebildet ist, dass es die Form eines Rundstabs mit einem Durchmesser von 3 bis 10 mm hat. Außerdem ist die Drehzahl des Drehwerkzeugs 13 auf einen Wert im Bereich von 75 bis 750 UpM eingestellt.
Wenn das Drehwerkzeug 13 in das Stahlteil 11 eingesenkt wird, wird eine Eindringposition (Eindringtiefe) des Drehwerkzeugs 13 zu einer Position gesteuert, an der das Stahlteil 11 nicht durch das Drehwerkzeug 13 gebrochen wird. Genauer gesagt, die Eindringstelle des Drehwerkzeugs 13 wird derart gesteuert, dass eine Position erreicht wird, gemäß der das obere Ende 13A des Drehwerkzeugs 13 sich in einem Bereich befindet, der zu einer Seite des Stahlteils 11 hin in einer Distanz L (L = 0,05 bis 0,6 mm) gegenüber einer Passfläche 14 von Stahlteil 11 und Aluminiumteil 12 abweicht.
Wenn der oben beschriebene Rührreibschweiß-Schweißvorgang durchgeführt wird, wird in dem Bereich zwischen dem Stahlteil 11 und dem Drehwerkzeug 13 Reibungswärme erzeugt, so dass das Stahlteil 11 erweicht wird und plastisches Fließen bewirkt. Während eine Temperatur des Aluminiumteils 12 in der Nähe des Drehwerkzeugs 13 teilweise erhöht wird, wird das Aluminiumteil 12 ebenfalls erweicht, so dass es zur Plastifizierung kommt.
Anschließend werden die Bereiche des Stahlteils 11 und des Aluminiumteils 12, die dem Drehwerkzeug 13 nahe sind und plastischen Materialfluss zeigen, durch eine Drehbewegung des Drehwerkzeugs 13 gerührt, so dass das Stahlteil 11 und das Aluminiumteil 12 einer Rührreib-Punktschweißung unterzogen werden.
Die durch Rührreibschweißung verbundene Körper 15, 18, 21, die durch dieses Rührreib-Punktschweißverfahren als Verbundwerkstücke aus verschiedenen Metallwerkstoffen gewonnen wurden, sind in den 2, 3, 4 und 5 dargestellt. Die durch Rührreibschweißung erhaltenen Verbundkörper 15 nach den 2 und 3 werden in der Weise erhalten, dass eine blanke Baustahlplatte (Zugfestigkeit: 270 MPa) als Stahlteil 11 mit einer Dicke von 1 mm und ein expandierter A6061-Aluminiumwerkstoff (Zugfestigkeit: 300 MPa) als Aluminiumteil 12 mit einer Dicke von 1 mm übereinandergelegt wurden, woraufhin das Stahlteil 11 (die blanke Baustahlplatte) und das Aluminiumteil 12 (die expandierte Aluminiumplatte) der Rührreib-Punktschweißung unter folgenden Fügebedingungen unterzogen wurden.
Die oben angesprochenen Fügebedingungen sind folgende: ein Drehwerkzeug 13 aus SKD61 mit einem Durchmesser von 6 mm wird in Form eines Rundstabs eingesetzt. Die Drehzahl des Drehwerkzeugs 13 wird auf 500 UpM eingestellt. Eine Einsenkgeschwindigkeit des Drehwerkzeugs 13 wird auf 20 mm/min eingestellt. Das Drehwerkzeug 13 wird so weit in das Stahlteil 11 eingesenkt, bis ein vorderer Endbereich 13A des Drehwerkzeugs 13 an eine Stelle gelangt, die in einem Abstand von 0,3 mm von einer Verbindungsfläche 14 zwischen dem Stahlteil 11 und dem Aluminiumteil 12 zu einer Seite des Stahlteils 11 hin abweicht. In diesem Zusammenhang wird eine Retentionszeit, die von einem Zeitpunkt der Beendigung des Einsenkvorgangs des Drehwerkzeugs 13 bis zu einem Zeitpunkt des Herausziehens dieses Drehwerkzeugs 13 reicht, auf 1 Sekunde eingestellt.
In diesem durch Rührreibschweißen erhaltenen verbundenen Körper 15 sind ein gerührter Bereich 16A auf der Seite des Stahlteils 11 (der blanken Baustahlplatte), die durch das Drehwerkzeug 13 gerührt wurde, und ein gerührter Bereich 16B auf einer Seite des Aluminiumteils 12 (der expandierten Aluminiumplatte) unter Bildung eines verbundenen Bereichs 17 verbunden (punktgeschweißt). Anhand dieser Merkmale lässt sich, wie in den 3C und 3D gezeigt ist, bestätigen, dass eine Metallstruktur des gerührten Bereichs 16B auf der Seite des Aluminiumteils 12 fein miniaturisiert ist, wodurch die Festigkeit der Metallstruktur erhöht wird.
Weiterhin wird der in 4 dargestellte, durch Rührreibschweißen verbundene Körper 18 in der Weise erhalten, dass die blanke Baustahlplatte als Stahlteil 11 mit einer Dicke von 1 mm und ein AC4CH-Aluminiumgussteil als Aluminiumteil 12 mit einer Dicke von 2 mm übereinandergelegt wurden, woraufhin das Stahlteil (die blanke Baustahlplatte) und das Aluminiumteil 12 (die Aluminiumgussplatte) einer Rührreib-Punktschweißung unter folgenden Verbindungsbedingungen unterzogen wurden:
Der in 5 gezeigte durch Rührreibschweißung erhaltene verbundene Körper 21 wird in der Weise erhalten, dass die blanke Bau-(Weich-)Stahlplatte als Stahlteil 11 mit einer Dicke von 1 mm und eine ADC12-Aluminium-Druckgussplatte als Aluminiumteil 12 mit einer Dicke von 6 mm übereinandergelegt werden, woraufhin das Stahlteil 11 (die blanke Baustahlplatte) und das Aluminiumteil 12 (die Aluminium-Druckgussplatte) unter folgenden Verbindungsbedingungen einer Rührreib-Punktschweißung unterzogen wurden.
Die oben angesprochenen Verbindungsbedingungen zur Zeit der Rührreib-Punktschweißung zum Erhalten des Rührreib-Schweißkörpers 18 und des Rührreib-Schweißkörpers 21 sind folgende: es wird ein Drehwerkzeug 13 aus SKD61 mit einem Durchmesser von 6 mm in Form eines Rundstabs verwendet. Die Drehzahl dieses Drehwerkzeugs 13 wird auf 500 UpM eingestellt. Eine Einsenkgeschwindigkeit des Drehwerkzeugs 13 wird auf 20 mm/min eingestellt. Das Drehwerkzeug 13 wird in das Stahlteil 11 eingesenkt, bis ein vorderer Endbereich 13A des Drehwerkzeugs 13 eine Stelle erreicht, die in einem Abstand von 0,4 mm von einer Passfläche 14 zwischen dem Stahlteil 11 und dem Aluminiumteil 12 zu einer Seite des Stahlteils 11 hin abweicht. Bei dieser Verbindung wird eine Retentionszeit zwischen einem Zeitpunkt der Beendigung des Einsenkvorgangs des Drehwerkzeugs 13 bis zu einem Zeitpunkt des Herausziehens dieses Drehwerkzeugs 13 auf 1 Sekunde eingestellt.
Auch im Fall des durch Rührreibschweißen erhaltenen verbundenen Körpers 18 nach 4 werden ein gerührter Bereich 16A auf einer Seite des Stahlteils 11 (der blanken Baustahlplatte) von dem Drehwerkzeug 13 gerührt, und ein gerührter Bereich 16B auf einer Seite des Aluminiumteils 12 (der Aluminiumgussplatte) werden verbunden (punktgeschweißt), um einen verbundenen Bereich oder Verbindungsbereich 20 zu bilden. Anhand dieser Merkmale lässt sich, wie in 4D gezeigt ist, bestätigen, dass eine Metallstruktur des Rührbereichs 19B auf der Seite des Aluminiumteils 12 fein miniaturisiert ist, wodurch die Festigkeit der Metalstruktur erhöht wird, verglichen mit Strukturen einer Oberfläche des Aluminiumteils 12 (dargestellt in 4B) und einem inneren Bereich des Aluminiumteils 12 (dargestellt in 4C). Dabei sei angemerkt, dass in den 4B, 4C und 4D ein schwarz gefärbter Bereich eine Siliciumkomponente bedeutet.
Auch in dem Fall des in 5 gezeigten durch Rührreibschweißen erhaltenen Verbundenen Körpers 21 werden ein Rührbereich 22A auf einer Seite des Stahlteils 11 (der blanken Baustahlplatte), der von dem Drehwerkzeug 13 gerührt wird, und ein Rührbereich 22B auf einer Seite des Aluminiumteils 12 (der Aluminium-Druckgussplatte) verbunden (punktgeschweißt), um dadurch einen Verbindungsbereich 23 zu schaffen. Durch diese Merkmale lässt sich gemäß 5D bestätigen, dass eine Metallstruktur des Rührbereichs 22B auf der Seite des Aluminiumteils 12 fein miniaturisiert ist, wodurch die Festigkeit der Metallstruktur gesteigert wird, verglichen mit den Strukturen eines Innenbereichs des Aluminiumteils 12 (dargestellt in 5B) und einer Oberfläche des Aluminiumteils 12 (dargestellt in 5C).
Bei dem oben erläuterten, in 1 dargestellten Rührreibschweiß-Verfahren gibt es folgende Gründe dafür, dass die Einsenkstelle (Eindringtiefe) des oberen Endbereichs 13A des Drehwerkzeugs 13 zu einer Stelle hin gesteuert wird, die mit einem Abstand L (L = 0,05 mm bis 0,6 mm) von einer Passfläche 14 zwischen dem Stahlteil 11 und dem Aluminiumteil 12 zu einer Seite des Stahlteils 11 hin abweicht: das durch die durch das Drehwerkzeug 13 verursachte Reibungswärme erweichte Stahlteil 11 und das Aluminiumteil 12, welches durch die von der Reibungswärme abgeleitete Wärme erweicht wurde, werden durch das Drehwerkzeug 13 in ausreichendem Maß gerührt, um der Verbindung eine hohe Bindekraft zu vermitteln.
Wenn nämlich der oben angesprochene Abstand L weniger als 0,05 mm beträgt, wird das Stahlteil 11 durch das Drehwerkzeug 13 während des Verbindungsvorgangs zwischen dem Stahlteil 11 und dem Aluminiumteil 12 gebrochen, so dass ein Verbindungsflächenbereich des verbundenen Bereichs 13 verringert wird und dementsprechend eine deutlich geringere Abschälfestigkeit der beiden Teile die Folge ist. Wenn hingegen der oben angesprochene Abstand L den Wert von 0,6 mm übersteigt, so kann die Reibungswärme nicht in ausreichendem Maß abgeleitet oder übertragen werden auf das Aluminiumteil 12, so dass das Ausmaß des Rührens des Aluminiumteils 12 durch das Drehwerkzeug 13 gering wird und dadurch die Biegekraft zwischen den beiden Teilen geringer wird.
Beispielsweise wurden eine blanke Baustahlplatte als Stahlteil 11 mit einer Dicke von 1 mm und ein expandierter A6061-Aluminiumwerkstoff als Aluminiumteil 12 mit einer Dicke von 1 mm übereinandergelegt, anschließend wurden das Stahlteil 11 und das Aluminiumteil 12 einer Rührreib-Punktschweißung unter folgenden Verbindungsbedingungen unterzogen, wobei der Abstand L des oberen Endbereichs 13A des Drehwerkzeugs 13 von der Passfläche 14 zwischen Stahlteil 11 und Aluminiumteil 12 variiert wurde.
Bei diesem Rührreib-Punktschweißvorgang gab es folgende Fügebedingungen: es wurde ein Drehwerkzeug 13 aus SKD61 mit einem Durchmesser von 6 mm in Form eines Rundstabs verwendet. Die Drehzahl dieses Drehwerkzeugs 13 wurde auf 500 UpM eingestellt. Die Retentionszeit zwischen dem Zeitpunkt der Beendigung des Einsenkens des Drehwerkzeugs 13 bis zu einem Zeitpunkt des Herausziehens des Drehwerkzeugs 13 wurde auf 1 Sekunde eingestellt.
Für jeden der so durch Rührreibschweißen erhaltenen verbundenen Körper 15 wurde eine in 11A dargestellte Abschälfestigkeitsprüfung durchgeführt. Die Prüfungsergebnisse sind in Tabelle 1 und in 6 dargestellt. In diesem Zusammenhang wurde ein Prüfteil für den Abschältest gemäß der japanischen Industrienorm (JIS Z3144) erstellt.
Wie in Tabelle 1 und 6 zu sehen ist, hatten die Abschälfestigkeiten niedrige Werte wie 0,12 kN und 0,20 kN im Fall der durch Rührreibschweißung erhaltenen verbundenen Körper 15, bei denen das Drehwerkzeug 13 derart in das Stahlteil 11 eingesenkt wurde, dass der obere Endbereich des Drehwerkzeugs 13 an Stellen positioniert war, die in Entfernungen L von 0 mm bzw. 0,7 mm gegenüber einer Passfläche 14 zwischen dem Stahlteil 11 und dem Aluminiumteil 12 zu einer Seite des Stahlteils 11 hin versetzt waren.
Im Gegensatz dazu ergaben sich in dem Fall, dass die durch Rührreibschweißen verbundenen Körper 15, bei denen das Drehwerkzeug 13 in das Stahlteil 11 derart eingesenkt wurde, dass der obere Endbereich des Drehwerkzeugs 13 gegenüber der Passfläche 14 zwischen Stahlteil 11 und Aluminiumteil 12 zu der Seite des Stahlteils 11 hin um eine Distanz L von 0,05 mm bis 0,6 mm versetzt war, hohe Werte von 0,25 kN oder mehr für die Abschälfestigkeiten. Dementsprechend wurde bestätigt, dass das Stahlteil 11 und das Aluminiumteil 12 mit hoher Bindekraft verschweißt und miteinander verbunden wurden. [Tabelle 1] Relation zwischen Eindringtiefe des Drehwerkzeugs und Abschälfestigkeit

Abstand L (mm) zwischen Passfläche und Endbereich des Drehwerkzeugs 0 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Abschälfestigkeit (kN) 0,12 0,26 0,35 0,53 0,57 0,56 0,49 0,41 0,20
In dem oben erläuterten Rührreib-Punktschweißverfahren nach 1 besteht ein Grund dafür, dass das Drehwerkzeug 13 in Form eines Rundstabs mit einem Durchmesser von 3 mm bis 10 mm gewählt wird, darin, dass eine übermäßige Wärmeerzeugung (Reibungswärme) durch die Berührung zwischen dem Drehwerkzeug 13 und dem Stahlteil 11 unterdrückt wird, so dass ein Verschleiß oder ein Bruch des Drehwerkzeugs 13 verhindert werden und eine ausreichende Bindekraft gewährleistet werden kann.
Wenn nämlich der Durchmesser des Drehwerkzeugs 13 den Wert von 10 mm übersteigt, wird die durch die Berührung des Drehwerkzeugs 13 mit dem Stahlteil 11 erzeugte Wärme übermäßig groß, so dass das Drehwerkzeug 13 verschleißen oder brechen kann. Wenn andererseits der Durchmesser des Drehwerkzeugs 13 weniger als 2 mm beträgt, wird eine Verbindungsfläche des Verbindungsbereichs 13 zwischen dem Stahlteil 11 und dem Aluminiumteil 12 klein, so dass die Bindekraft praktisch vermindert wird. Dementsprechend wird der Durchmesser des Drehwerkzeugs 13 zu 3 mm oder mehr gewählt.
Beispielsweise wurden eine blanke Baustahlplatte als Stahlteil 11 mit einer Dicke von 1 mm und ein expandiertes A6061-Aluminiummaterial als Aluminiumteil 12 mit einer Dicke von 1 mm übereinandergelegt, und der Durchmesser des Drehwerkzeugs 13 wurde gemäß Tabelle 2 geändert, wobei das Stahlteil 11 und das Aluminiumteil 12 unter folgenden Fügebedingungen einem Rührreib-Punktschweißvorgang unterzogen wurden:
Bei diesem Rührreib-Punktschweißvorgang gab es folgende Fügebedingungen:
Das Drehwerkzeug 13 bestand aus SKD61 und hatte die Form eines Rundstabs. Die Drehzahl des Drehwerkzeugs 13 wurde auf 500 UpM eingestellt. Eine Einsenkgeschwindigkeit dieses Drehwerkzeugs 13 wurde auf 20 mm/min eingestellt. Das Drehwerkzeug 13 wurde in das Stahlteil 11 derart eingesenkt, dass der obere Endbereich 13A des Drehwerkzeugs 13 an einer Stelle positioniert war, die einen Abstand von 0,3 mm von der Passfläche 14 zwischen dem Stahlteil 11 und dem Aluminiumteil 12 zu der Seite des Stahlteils 11 hin hatte. Die Retentionszeit zwischen einem Zeitpunkt der Beendigung des Einsenkens des Drehwerkzeugs 13 und einem Zeitpunkt des Herausziehens des Drehwerkzeugs 13 wurde auf 1 Sekunde eingestellt.
Für jeden der auf diese Weise durch Rührreibschweißen erhaltenen verbundenen Körper 15 wurde ein in 11A dargestellter Abschältest durchgeführt, die Testergebnisse sind in 7 dargestellt. Außerdem ist der Zustand jedes der Drehwerkzeuge 13 nach Beendigung jedes der Rührreib-Punktschweißvorgänge in Tabelle 2 dargestellt. Auch in diesem Fall wurde ein Prüfteil für den Abschälfestigkeitstest nach der japanischen Industrienorm (JIS Z3144) eingestellt.
Wie aus den in 2 gezeigten Ergebnissen ersichtlich ist, wird im Fall des Durchmessers des Drehwerkzeugs 13 von 11 mm oder mehr die durch die Reibung des Stahlteils 11 und Drehwerkzeugs 13 erzeugte Wärmemenge (Reibungshitze) übermäßig groß, so dass ein Verschleiß und eine Beschädigung des Drehwerkzeugs 13 zu beobachten waren.
War der Durchmesser des Drehwerkzeugs 13 2 mm oder darunter, so war die Verbindungsflächengröße des Verbindungsbereichs 17 zwischen dem Stahlteil 11 und dem Aluminiumteil 12 nur klein, was bestätigte, dass die Bindekraft (Abschälfestigkeit) in nachteilhafter Weise geringer wurde, wie in 7 dargestellt ist.

Deshalb zeigen die Ergebnisse, dass es im Hinblick auf die Bindekraft zwischen dem Stahlteil 11 und dem Aluminiumteil 12 wünschenswert ist, ein Drehwerkzeug 13 mit einem Durchmesser von 3 mm oder mehr zu verwenden. [Tabelle 2] Relation zwischen Durchmesser des Drehwerkzeugs und Verschleiß des Drehwerkzeugs

Durchmesser des Drehwerkzeugs (mm)	⌀ 5	∅ 6	∅ 8	∅ 10	∅ 11	∅ 12
Zustand des Drehwerkzeugs nach Schweißen	kein Verschleiß	kein Verschleiß	kein Verschleiß	kein Verschleiß	Verschleiß beobachtet	Verschleiß beobachtet

Außerdem besteht ein Grund bei dem oben erläuterten, in 1 dargestellten Rührschweiß-Punktschweißverfahren dafür, dass die Drehzahl des Drehwerkzeugs 13 bei dem Fügevorgang auf 75 UpM bis 750 UpM eingestellt wird, darin, dass eine übermäßige Wärmeerzeugung (Reibungswärme) durch den Kontakt des Drehwerkzeugs 13 mit dem Stahlteil 11 unterdrückt wird, so dass ein Verschleiß oder ein Bruch des Drehwerkzeugs 13 unterbunden werden kann und eine ausreichende Biegekraft zwischen dem Stahlteil 11 und dem Aluminiumteil 12 gewährleistet werden kann.
Wenn nämlich die Drehzahl des Drehwerkzeugs 13 750 UpM übersteigt, wird die durch den Kontakt des Drehwerkzeugs 13 mit dem Stahlteil 12 erzeugte Wärme übermäßig groß, so dass das Drehwerkzeug 13 leicht verschlissen wird oder bricht. Wenn andererseits die Drehzahl des Drehwerkzeugs 13 weniger als 75 UpM beträgt, wird die durch den Kontakt des Drehwerkzeugs 13 mit dem Stahlteil 11 erzeugte Wärmemenge zu gering, so dass die Biegekraft zwischen dem Stahlteil 11 und dem Aluminiumteil 12 abträglich verringert wird.
Beispielsweise wurde eine blanke Baustahlplatte als Stahlteil 11 mit einer Dicke von 1 mm und ein expandierter A6061-Aluminiumwerkstoff als Aluminiumteil 12 mit einer Dicke von 1 mm übereinander gelegt, und es wurde die Drehzahl des Drehwerkzeugs 13 bei dem Fügevorgang gemäß Tabelle 3 geändert, anschließend wurden das Stahlteil 11 und das Aluminiumteil 12 einer Rührreib-Punktschweißung unter folgenden Fügebedingungen unterzogen.
Die Fügebedingungen bei dem Rührreib-Punktschweißvorgang waren jetzt folgende: es wurde ein Drehwerkzeug 13 aus SKD61 in Form eines Rundstabs mit einem Durchmesser von 6 mm verwendet. Eine Einsenkgeschwindigkeit dieses Drehwerkzeugs 13 wurde auf 20 mm/min eingestellt. Das Drehwerkzeug 13 wurde soweit in das Stahlteil 11 eingesenkt, bis der obere Endbereich 13A des Drehwerkzeugs 13 eine Position inne hatte, die gegenüber der Passfläche 14 zwischen dem Stahlteil 11 und dem Aluminiumteil 12 einen Abstand von 0,3 mm in Richtung des Stahlteils 11 besaß. Eine Retentionszeit zwischen einem Zeitpunkt der Beendigung des Einsenkens des Drehwerkzeugs 13 bis zu einer Zeit des Herausziehens des Drehwerkzeugs 13 wurde auf 1 Sekunde eingestellt.
Für jeden der so durch Rührreibschweißen erhaltenen verbundenen Körper 15 wurde die Drehzahl des Drehwerkzeugs 13 geändert, und es wurde ein Verbindungszustand beobachtet. Die beobachteten Ergebnisse sind in Tabelle 3 niedergelegt.
Wie aus den in Tabelle 3 dargestellten Ergebnissen ersichtlich ist, war im Fall einer Drehzahl des Drehwerkzeugs 13 von 50 UpM die durch Reibung des Stahlteils 11 und des Drehwerkzeugs 13 erzeugte Wärmemenge (Reibungshitze) übermäßig gering, so dass die Bindung zwischen dem Stahlteil 11 und dem Aluminiumteil 12 unzureichend war.
War hingegen die Drehzahl des Drehwerkzeugs 12 auf einen Wert im Bereich von 75 UpM bis 750 UpM eingestellt, so war die Bindung zwischen dem Stahlteil 11 und dem Aluminiumteil 12 ausreichend.
Als außerdem die Drehzahl des Drehwerkzeugs 13 auf 800 UpM oder darüber eingestellt wurde, war zwar die Bindung zwischen dem Stahlteil 11 und dem Aluminiumteil 12 ausreichend, allerdings wurde die durch den Kontakt zwischen dem Stahlteil 11 und dem Drehwerkzeug 13 erzeugte Wärmemenge übermäßig groß, so dass ein Verschleiß des Drehwerkzeugs 13 beobachtet wurde. [Tabelle 3] Unterschied im Verbindungszustand abhängig von der Drehzahl des Drehwerkzeugs

Drehzahl (UpM) 50 75 100 200 300 400 500 600 700 750 800

Verbindungszustand nicht-verbunden gut gut gut gut gut gut gut gut gut Entstehung von Verschleiß
Als nächstes wurden bezüglich des in 2, 3 dargestellten, durch Rührreibschweißen erhaltenen verbundenen Körpers 15 und eines in 9 durch herkömmliches Rührreibschweißen (Patentschrift 1) erhaltenen verbundenen Körpers 100 eine Abschälfestigkeit und eine Quer-Spannungs-(Zug-)Festigkeit verglichen.
Bei dem oben angesprochenen herkömmlichen Rührreib-Schweißverfahren wurden gemäß 8 eine mit Zn (Zink) überzogene Stahlplatte 101 als Stahlteil 101 mit einer Dicke von 1 mm und ein expandiertes A6061-Aluminiumwerkstoff als Aluminiumteil 102 mit einer Dicke von 4 mm übereinander gelegt, und von einer Seite her wurde ein Rührreib-Schweißwerkzeug (FSW-Werkzeug) 103 in das Aluminiumteil 102 eingesenkt, anschließend wurden das Stahlteil 101 und das Aluminiumteil 102 einem Rührreib-Punktschweißvorgang unter folgenden Fügebedingungen unterzogen. Hier bezeichnet das Bezugszeichen 106 eine Zn(Zink-)Überzugschicht.
Die oben angesprochenen Fügebedingungen waren folgende: ein Reibrühr-Schweißwerkzeug 103 mit einem Schulterdurchmesser S von 12 mm, einem Kopfdurchmesser P von 5 mm und einer Kopflänge M von 3,5 mm wurde von einer Seite des Aluminiumteils 102 her eingesenkt. Die Drehzahl dieses Rührreib-Schweißwerkzeugs 103 wurde auf 1500 UpM eingestellt. Eine Einsenkgeschwindigkeit dieses Rührreib-Schweißwerkzeugs 103 wurde auf 20 mm/min eingestellt. Eine Einsenktiefe dieses Rührreib-Schweißwerkzeugs 103 wurde auf 3,7 mm eingestellt (das heißt, der obere Endbereich 103A des Rührreib-Schweißwerkzeugs 103 wurde an einer Stelle positioniert, die gegenüber einer Passfläche 104 zwischen dem Stahlteil 101 und dem Aluminiumteil 102 einen Abstand von 0,3 mm in Richtung des Aluminiumteils 102 besaß). Eine Retentionszeit zwischen einem Zeitpunkt der Beendigung des Einsenkens des Rührreib-Schweißwerkzeugs 103 und einem Zeitpunkt des Herausziehens des Rührreib-Schweißwerkzeugs 103 wurde auf 2 Sekunden eingestellt.
Bei dem in 9 gezeigten, durch Rührreibschweißen erzeugten verbundenen Körper 15, hergestellt nach dem in 8 dargestellten herkömmlichen Rührreibschweißverfahrens ergab sich ein mit dem Bezugszeichen 105 versehener Verbindungsbereich.
Bezüglich jedes so erhaltenen, durch Rührreibschweißen verbundenen Körpers 100 und der in den 2 und 3 dargestellten, durch Rührreibschweißen erhaltenen verbundenen Körper 15 wurden eine Abschälfestigkeitsprüfung und eine Quer-Zugprüfung nach 11 durchgeführt. Auch hier wurde ein Prüfteil für die Abschälfestigkeitsprüfung gemäß der japanischen Industrienorm (JIS Z3144) hergestellt, während ein Prüfstück für die Quer-Zugfestigkeit gemäß der japanischen Industrienorm (JIS Z3137) hergestellt wurde. Diese Festigkeits-Prüfergebnisse sind in Tabelle 4 und in 10 dargestellt.
Wie aus den in Tabelle 4 dargestellten Ergebnissen ersichtlich ist, wird bei dem durch das Rührreibschweißverfahren gemäß der Ausführungsform der Erfindung erhaltenen verbundenen Körper 15 die Abschälfestigkeit um etwa das Dreifache verbessert, während die Quer-Zugfestigkeit um etwa das Anderthalbfache (1,5-fache) erhöht wurde im Vergleich zu dem durch das herkömmliche Rührreibschweißverfahren erhaltenen verbundenen Körper 100. [Tabelle 4] Vergleich der Festigkeit von durch Rührreibschweißung verbundenen Körpern

Durch Rührreibschweißen verbundener Körper 15 Durch Rührreibschweißen verbundener Körper 100

Abschälfestigkeit 0,49 0,16

Quer-Zugfestigkeit 0,52 0,35
Da die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der oben beschriebenen Weise ausgestaltet ist, lassen sich durch die Ausführungsform die folgenden vorteilhaften Wirkungsweisen (1) bis (5) erzielen:

(1) Da das Drehwerkzeug 13 von einer Seite des Stahlteils 11 her in dieses eingesenkt wird, wird das Stahlteil 11 unter Erzeugung von Reibungswärme derart erweicht, dass eine Temperatur erzielt wird, bei der das Stahlteil 11 plastisches Fließen aufweist, während das Aluminiumteil 12 ebenfalls erweicht wird, und zwar durch Wärme, die aus der Reibungswärme abgeleitet wird. Aus diesem Grund werden sowohl das Stahlteil 11 als auch das Aluminiumteil 12 plastifiziert und können teilweise und in ausreichendem Maße an einer Stelle nahe dem Drehwerkzeug 13 gerührt werden, demzufolge das Stahlteil 11 und das Aluminiumteil 12 mit hoher Bindekraft verbunden (verschweißt) werden können.
(2) Die Einsenkposition (Eindringtiefe) des Drehwerkzeugs 13 wird in einen Bereich hin gesteuert, in welchem das Drehwerkzeug 13 das Stahlteil 11 nicht durchbricht, das heißt, der obere Endbereich 13A des Drehwerkzeugs 13 wird so gesteuert, dass er sich zu einer Stelle hin bewegt, die von der Passfläche 14 zwischen dem Stahlteil 11 und dem Aluminiumteil 12 zu der Seite des Stahlteils 11 hin um mindestens 0,05 mm abweicht, so dass hierdurch eine ausreichend große Verbindungsfläche des Verbindungsbereichs 17 zwischen dem Stahlteil 11 und dem Aluminiumteil 12 erreicht wird. Im Ergebnis lässt sich die Bindekraft, insbesondere die Abschälfestigkeit des Stahlteils 11 und des Aluminiumteils 12 deutlich verbessern.
(3) Da die Einsenkposition (Eindringtiefe) des Drehwerkzeugs 13 derart gesteuert wird, dass der vordere Endbereich 13A des Drehwerkzeugs 13 sich bis zu einer Stelle bewegt, die gegenüber der Passfläche zwischen dem Stahlteil 11 und dem Aluminiumteil 12 um eine Entfernung L (L = 0,05 mm bis 0,6 mm) zu einer Seite des Stahlteils 11 hin abweicht, können sowohl das Stahlteil 11 als auch das Aluminiumteil 12 durch die Reibungswärme erweicht und durch das Drehwerkzeug 13 ausreichend gerührt werden. Im Ergebnis lässt sich die Bindekraft des Stahlteils 11 und des Aluminiumteils 12 verbessern.
(4) Da das Drehwerkzeug 13 in Form eines Rundstabs mit einem Durchmesser von 3 mm bis 10 mm gestaltet ist, wird die durch die Reibung zwischen dem Drehwerkzeug 13 und dem Stahlteil 11 erzeugte Wärme in angemessener Weise unterdrückt, so dass ein Verschleiß oder ein Brechen des Drehwerkzeugs 13 wirksam verhindert werden kann.
(5) Da die Drehzahl des Drehwerkzeugs 13 zur Zeit des Fügevorgangs auf 75 UpM bis 750 UpM eingestellt ist, wird die durch die Reibung zwischen dem Drehwerkzeug 13 und dem Stahlteil 11 erzeugte Wärme in angemessener Weise unterdrückt, so dass ein Verschleiß oder ein Bruch des Drehwerkzeug 13 wirksam verhindert werden kann.

Wenngleich die vorliegende Erfindung hier auf der Grundlage der Ausführungsbeispiele erläutert wurde, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise kann als Drehwerkzeug 13 auch das Rührreibwerkzeug (das FSW-Werkzeug) mit einem Schulterbereich gemäß 8 verwendet werden. Wenn allerdings in diesem Fall der Schulterbereich mit dem Stahlteil 11 in Berührung tritt, würde der Schulterbereich aufgrund der Wärmeerzeugung innerhalb kurzer Zeit verschleißen. Deshalb sei angemerkt, dass dieser Schulterbereich sorgfältig gehandhabt werden sollte, damit er nicht in Berührung mit dem Stahlteil 11 tritt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2005-34879 [0006]
JP 2006-239720 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

JIS Z3144 [0047]
JIS Z3144 [0053]
JIS Z3144 [0069]
JIS Z3137 [0069]

Claims

Verfahren zum Verbinden verschiedener Metallwerkstoffe mit unterschiedlichem Schmelzpunkt, umfassend folgende Schritte: Positionieren eines Metallwerkstoffs mit hohem Schmelzpunkt und eines Metallwerkstoffs mit niedrigem Schmelzpunkt in einer Verbindungsposition, in der die verschiedenen Metallwerkstoffe verbunden werden; In-Berührung-Bringen eines Drehwerkzeugs unter hohem Druck mit dem Metallwerkstoff hohen Schmelzpunkts, während das Drehwerkzeug gedreht wird, und Einbringen des Drehwerkzeugs in den Metallwerkstoff hohen Schmelzpunkts; Steuern einer Einbringposition des Drehwerkzeugs in eine Position, in der das Drehwerkzeug den Metallwerkstoff hohen Schmelzpunkts nicht durchbricht; Erzeugen von Reibungswärme in einem Abschnitt zwischen dem Metallwerkstoff hohen Schmelzpunkts und dem Drehwerkzeug; teilweises Erweichen des Metallwerkstoffs hohen Schmelzpunkts und des Metallwerkstoffs niedrigen Schmelzpunkts durch aus der Reibungswärme abgeleiteter Wärmeleitung, um dem Metallwerkstoff hohen und niedrigen Schmelzpunkts plastisches Fließen zu ermöglichen; und teilweises Rühren des Metallwerkstoffs hohen Schmelzpunkts und des Metallwerkstoffs niedrigen Schmelzpunkts mit Hilfe des Drehwerkzeugs, um dadurch den Metallwerkstoff hohen Schmelzpunkts und den Metallwerkstoff niedrigen Schmelzpunkts durch Rührreibschweißen zu verschweißen.
Verfahren zum Verbinden verschiedener Metallwerkstoffe nach Anspruch 1, bei dem die Einbringposition des Drehwerkzeugs in eine Position gesteuert wird, an der ein Endbereich des Drehwerkzeugs an einer Stelle positioniert wird, die von einer Grenzfläche des Metallwerkstoffs hohen Schmelzpunkts und des Metallwerkstoffs niedrigen Schmelzpunkts einen Abstand von 0,05 bis 0,6 mm zur Seite des Metallwerkstoffs hohen Schmelzpunkts hat.
Verfahren zum Verbinden verschiedener Metallwerkstoffe nach Anspruch 1, bei dem das Drehwerkzeug aus Stahl besteht und die Form eines Rundstabs aufweist, und der Durchmesser des Drehwerkzeugs auf 3 bis 10 mm eingestellt ist.
Verfahren zum Verbinden verschiedener Metallwerkstoffe nach Anspruch 1, bei dem die Drehzahl des Drehwerkzeugs auf 75 bis 750 UpM eingestellt ist.
Verfahren zum Verbinden verschiedener Metallwerkstoffe nach Anspruch 1, bei dem der Metallwerkstoff hohen Schmelzpunkts ein Eisenteil ist, während der Metallwerkstoff niedrigen Schmelzpunkts ein Aluminiumteil ist.
Verbundwerkstück aus verschiedenen Metallwerkstoffen, erhalten durch Verbinden eines Metallwerkstoffs hohen Schmelzpunkts und eines Metallwerkstoffs niedrigen Schmelzpunkts mit Hilfe des Verfahrens zum Verbinden verschiedener Metallwerkstoffe nach einem der Ansprüche 1 bis 5.