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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stumpfverschweißen eines ersten Materialstücks aus Metall mit einem zweiten Materialstück aus Metall an gegenüberliegenden Längsrändern, wobei das zweite Materialstück eine größere Materialstärke als das erste Materialstück hat.
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In der Industrie, insbesondere der Automobilindustrie, geht der Trend aus Gewichts- und/oder Kostengründen immer mehr zu einer Materialmischbauweise der Karosserien. Hierbei werden typischerweise Materialien unterschiedlicher Zugfestigkeit, unterschiedlicher Schmelztemperaturen und/oder unterschiedlicher Streckgrenzen und/oder unterschiedlicher E-Modulen miteinander kombiniert. Die Herausforderung besteht dabei darin, die unterschiedlichen Materialien derart stoffschlüssig zu verbinden bzw. zu fügen, dass große Kräfte und Biegemomente übertragen werden können. Des Weiteren sollen aus Gewichtsgründen die Blechdicken entsprechend ihrer Festigkeitswerte optimiert werden, wodurch beispielsweise Stahl eine geringere Blechdicke als Aluminium aufweist.
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Bisher werden im Stand der Technik derartige Verbindungen aus unterschiedlichen Materialien durch Überlappschweißen hergestellt, da mit Überlappverbindungen gute Festigkeitskennwerte erreicht werden können. Bei den Oberlappverbindungen hat sich jedoch als nachteilig herausgestellt, dass sich an der Fügestelle ein dünner Spalt bildet, in den Feuchtigkeit eindringen kann. Aufgrund der eindringenden Feuchtigkeit und der unterschiedlichen elektrischen Potentiale der Verbindungspartner kann sich eine Korrosionszelle ausbilden, wodurch die Schweißverbindung bzw. das geschweißte Bauteil korrodieren kann. Darüber hinaus können derartige Verbindungen nicht komplett im sichtbaren Teil eines Produkts, insbesondere eines Fahrzeugs, eingesetzt werden, da eine Schweißnaht bzw. eine Überlappung zu sehen ist, welche hinsichtlich des Erscheinungsbilds als störend empfunden wird.
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Alternativ ist es aus dem Stand der Technik bekannt, dass zwei Materialien stumpfverschweißt werden können, indem ein Rührreibschweißverfahren angewendet wird. Diese Schweißtechnik bietet unter anderem den Vorteil, dass keine Schweißnaht sichtbar ist, welche als störend empfunden wird. Ferner können mittels der Rührreibschweißverbindung im Gegensatz zur Überlappschweißverbindung höhere Dauerfestigkeiten erreicht werden, da kein Überlappungsbereich vorhanden ist, in dem Kerbwirkungen auftreten. Allerdings können mit dem bekannten Verfahren für artfremde Verbindungen nur Materialien gleich großer Materialstärke miteinander verbunden werden, sodass die resultierenden Festigkeitswerte den Anforderungen entsprechen. Würden unterschiedliche Materialien unterschiedlicher Materialstärke an ihren Stümpfen miteinander verbunden, so entsprechen die von der Verbindung übertragbaren Kräfte und Biegemomente der Festigkeit des Materials mit geringerer Festigkeit bezogen auf den Querschnitt des materialschwächeren Materialstücks. Dies liegt daran, dass bei solchen Verbindungen der Querschnitt des dünneren Materialstücks an der Fügelinie mit den Festigkeitseigenschaften des Material mit geringerer Festigkeit kombiniert werden, sodass die übertragbaren Kräfte der Verbindung stets kleiner als die übertragbaren Kräfte der jeweiligen Materialstücke sind.
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Aus der
DE 1 901 281 U ist ein klassisches Schweißen bei einer Überlappverbindung im Bereich eines Kesselbodens beschrieben, wobei der dünne Boden an seinem Rand mit einem Blech unterfüttert wird. Beide werden an die dickere Mantelwand des Kessels angeschweißt.
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Beim MAG-Schweißen besteht das Problem, dass ein dünnes Blech sehr leicht wegbrennen kann aufgrund des extremen Wärmeeintrags. Das Überlappschweißen kann in diesem Fall durch Umbiegen des Blechrandes sicherer gestaltet werden, wie die
DE 10 2010 004 283 A1 vorschlägt.
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Rührreibschweißverfahren, bei denen zwei Bleche gleicher Materialien miteinander verschweißt werden, die jedoch unterschiedliche Dicke besitzen, beschreiben die
DE 699 33 978 T1 und die
JP H 10-193 143 A . Diese Schriften schlagen vor, auf das dünnere Blech auftragszuschweißen bzw. ein dünnes weiteres Blech gleichen Materials aufzukleben.
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Ebenfalls ein Rührreibschweißverfahren zeigt die
JP 2010-036 230 A , bei der zwei Bleche unterschiedlicher Materialien jedoch gleicher Dicke durch ein Werkzeug rührverschweißt werden, welches einen konisch zulaufenden Pin besitzt.
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Die
DE 10 2011 013 387 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstücks aus zwei Werkstücken, insbesondere zweier Blechplatinen aus einer Leichtmetalllegierung und einem Stahl. Diese werden entlang einer Stoßnaht miteinander verschweißt, beispielsweise durch ein Kaltmetalltransfer-Schweißverfahren (CMT), durch Laserschweißen oder durch ein Rührreibschweißverfahren.
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Die
DE 10 2009 031 581 A1 offenbart eine Beschlag-Adapter Anordnung, wobei ein Beschlagteil und ein Adapter miteinander verschweißt sind. Durch das Vorsehen eines umgebogenen Bereichs am Adapter wird eine Verstärkung der Materialstärke realisiert.
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Die
DE 102 38 550 B4 beschreibt eine Schweißvorrichtung zum Verschweißen von thermoplastischen Rohrelementen mittels eines Reibschweißverfahrens.
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Die
US 2010/0068550 A1 beschreibt eine Hohlstruktur die beim Schweißen durch ein Rührreibschweißverfahren gebildet wird.
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Die
US 2003/0024965 A1 beschreibt ein Rührreibschweißverfahren, bei dem Materialstücke aus unterschiedlichen Materialien und gleicher Materialstärke miteinander verschweißt werden.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein kostenoptimiertes Verfahren zum Stumpfverschweißen zu schaffen, mit dem zwei Materialstücke unterschiedlicher Materialien miteinander verschweißt werden, wobei die Festigkeitskennwerte der Verbindung verbessert sind.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Stumpfverschweißen eines ersten Materialstücks aus Metall mit einem zweiten Materialstück aus Metall an gegenüberliegenden Längsrändern gelöst, wobei das zweite Materialstück eine größere Materialstärke als das erste Materialstück hat und das erste Materialstück aus einem eine höhere Zugfestigkeit und/oder eine höhere Schmelztemperatur und/oder eine höhere Streckgrenze und/oder ein höheres E-Modul als das zweite Materialstück aufweisenden Werkstoff ist, wobei die folgenden Schritte ausgeführt werden:
- - Vorsehen eines verdickten Längsrandes am ersten Materialstück zur lokalen Erhöhung der Materialstärke des ersten Materialstücks am Längsrand, wobei die Verdickung des Längsrandes zumindest teilweise durch ein mehrfaches Falten gebildet ist, bei dem ein Abschnitt eines freien Endes des Ausgangsmaterials einwärts zwischen zwei benachbarten, nachfolgenden Abschnitten liegt oder bei dem ein freies Ende des Ausgangsmaterials zickzack gefaltet ist., und
- - Rührreibverschweißen der beiden Materialstücke längs der sich stirnseitig gegenüberliegenden Längsränder, wobei ein Rührreibschweißwerkzeug verwendet wird, das einen Pin aufweist, der im Bereich der sich gegenüberliegenden Längsränder in zumindest eines der Materialstücke eindringt und zumindest eine auf der Oberseite und/oder eine auf der Unterseite der Materialstücke aufliegende Schulter aufweist, wobei der Pin komplett oder überwiegend im zweiten Materialstück verfahren wird und/oder der Pin zunächst in das zweite Materialstück eindringt, und wobei der Pin relativ zur Schulter rotiert.
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Der Grundgedanke der Erfindung sieht dabei vor, dass die Dicke des Materialstücks mit der geringeren Materialstärke nur lokal an seiner Kontaktseite vergrößert wird, um den Verbindungsquerschnitt zwischen den beiden Verbindungspartnern zu vergrößern. Der Verbindungsquerschnitt im Fügebereich kann somit demjenigen entsprechen, der bei zwei Materialstücken gleicher Materialstärke auftritt. Dadurch wird erreicht, dass bei einer Verbindung zweier Materialien unterschiedlicher Dicke dennoch ein Bauteil mit den hohen Festigkeitskennwerten hergestellt werden kann, die auch bei einem rührreibverschweißten Bauteil aus gleich dicken Materialstücken auftreten. Zudem wird bei der derart hergestellten Verbindung das Korrosionsproblem aufgrund des vorhandenen Spaltes vermieden, welches bei einem herkömmlichen Überlappschweißverfahren auftreten kann. Es ist durch die Erfindung möglich, Materialien unterschiedlicher Zugfestigkeitswerte, Schmelztemperaturen und/oder Streckgrenzen miteinander zu kombinieren, die zudem unterschiedliche Materialstärken aufweisen, wobei dennoch ein Bauteil mit entsprechend hohen Festigkeitskennwerten entsteht.
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Durch das mehrfache Falten kann die Verdickung des Längsrandes am ersten Materialstück entsprechend größer ausfallen. Die Anzahl der Faltungen wird dabei durch die relativen Materialstärkeunterschiede zwischen dem ersten und dem zweiten Materialstück nahegelegt.
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Das dem Längsrand zugeordnete freie Ende des Materialstücks wird dabei beispielsweise umgebördelt, wodurch die Verdickung an dem Längsrand entsteht, welcher die Kontaktfläche zu dem zweiten Materialstück ausbildet. Somit ist die Verdickung des Längsrandes einstückig an dem ersten Materialstück ausgebildet. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass entgegen der herrschenden Lehrbuchmeinung, die aussagt, dass ein Materialstück mit seinem umgeformten Bereich nicht oder nur sehr unzureichend an ein anderes Materialstück geschweißt werden kann, durch die Erfindung sehr wohl geschweißte Bauteil mit hohen Festigkeitskennwerten erzeugt werden können. Alternativ hierzu kann die Verdickung des Längsrandes zumindest teilweise durch randseitiges Abkanten des ersten Materialstücks, insbesondere rechtwinkeliges Abkanten erzeugt werden. Die Abkantung bildet dabei eine Kontaktfläche zu dem zweiten Materialstück aus, über die der stirnseitige Kontakt hergestellt wird. Die Schweißverbindung findet demnach zwischen der Kontaktfläche an der Abkantung und dem Längsrand des zweiten Materialstücks statt. Über die Abkantung vergrößert sich der Querschnitt der Stirnfläche des ersten Materialstücks entsprechend.
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Das zweite Materialstück ist außerhalb der Verdickung wenigstens doppelt so dick wie das erste.
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Die Erfindung sieht insbesondere vor, dass der verdickte Längsrand des ersten Materialstücks den gegenüberliegenden Längsrand des zweiten Materialstücks stirnseitig kontaktiert, bevor sie verschweißt werden.
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Indem der Pin relativ zur Schulter rotiert, ist der Energieeintrag in den Fügebereich optimiert.
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Dadurch, dass erfindungsgemäß ein Rührreibschweißwerkzeug verwendet wird, das einen Pin aufweist, der im Bereich der sich gegenüberliegenden Längsränder in zumindest ein Materialstück eindringt und eine auf der Oberseite und/oder eine auf der Unterseite der Materialstücke aufliegende Schulter aufweist, ist sichergestellt, dass mindestens eines der beiden Materialien über seine gesamte Stirnfläche aufgrund des Pins plastifiziert werden kann, der als Rotationskörper ausgebildet sein kann. Zudem kann über die Schulter mechanischer Druck auf das erste und/oder das zweite Materialstück ausgeübt werden.
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Dadurch, dass der Pin komplett oder überwiegend im zweiten Materialstück verfahren wird und/oder der Pin zunächst in das zweite Materialstück eindringt, verschleißt der Pin im zweiten Materialstück aufgrund der geringeren Härte nicht so schnell. Das zweite Materialstück ist typischerweise als weicheres Material ausgebildet, wodurch der Pin besser in diesem Materialstück verfahren werden kann.
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Die Breite der Verdickung kann zwischen 2- und 30-mal der Materialstärke des ersten Materialstücks entsprechen. Hierdurch ist eine entsprechend materialstarke Verdickung ausgebildet, die die auftretenden Kräfte und Momente aufnehmen kann.
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Die Abkantung kann eine Höhe von 0,5- bis 1,5-mal der Materialstärke des zweiten Materialstücks haben, insbesondere 0,7- bis 1,3-mal der Materialstärke. Die Abkantung muss also nicht exakt der Materialstärke des Fügepartners entsprechen, wobei dennoch entsprechend gute Festigkeitswerte erreicht werden.
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Insbesondere weist das erste Materialstück eine durch erneutes Abkanten erzeugte Auflagefläche für die Unterseite des zweiten Materialstücks auf, welche vorzugsweise durch erneutes rechtwinkeliges Abkanten erzeugt worden ist. Die Auflagefläche kann dabei eine Stützfläche für das zweite Materialstück ausbilden. Über die Auflagefläche kann zwischen dem ersten Materialstück und dem zweiten Materialstück zusätzlich eine Überlappverbindung im Bereich der Auflagefläche hergestellt werden. Alternativ kann das zweite Materialstück auch an der Auflagefläche angeschweißt werden, um die Stabilität zu erhöhen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind das erste Materialstück aus einem Stahl und das zweite aus einem Leichtmetall oder Übergangsmetall, vorzugsweise Aluminium oder Kupfer. Diese Materialkombination stellt die typischerweise bei einem Fahrzeugbau bzw. Leichtkarosseriebau verwendete Materialkombination dar.
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Das erste Materialstück kann eine um wenigstens 40 % geringere Materialstärke als das zweite Materialstück aufweisen. Damit ist gewährleistet, dass das erste Materialstück, welches aus einem Material höherer Festigkeit gebildet ist, entsprechend dünner ausgebildet sein kann, wodurch Material eingespart wird.
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Insbesondere ist das zweite Materialstück um ein Vielfaches dicker ausgebildet als das erste Materialstück, sodass eine optimale Festigkeit-Gewichts-Relation bei dem hergestellten Bauteil erreicht werden kann.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verdickung so ausgebildet ist, dass die Materialstärke an der Verdickung der Materialstärke des zweiten Materialstücks am gegenüberliegenden Längsrand entspricht. Dies gewährleistet, dass beim Stumpfverschweißen der beiden Materialstücke eine über die komplette Stirnseite gehende Schweißverbindung zwischen den beiden Materialstücken hergestellt werden kann, wodurch sich die Festigkeitskennwerte der Verbindung entsprechend verbessern. Der Verbindungsquerschnitt im Fügebereich ist damit optimiert.
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Insbesondere ist das erste und/oder zweite Materialstück jeweils ein Blech. Bleche werden typischerweise im Leichtbau verwendet, da sie besonders gewichtssparend sind.
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Insbesondere entspricht die Länge der Verdickung zumindest dem Schulterradius des verwendeten Werkzeugs zum Rührreibverschweißen, wodurch garantiert ist, dass das Werkzeug mit seiner Schulter vollständig auf der Verdickung aufliegen kann.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass der beim Verfahren verwendete Pin eine bei seiner Rotation gebildete, konturierte umhüllende Mantelfläche aufweist, die im Wesentlichen der Querschnittsgeometrie der Stirnfläche der Verdickung entspricht, insbesondere konkav gekrümmt ist. Die umhüllende Mantelfläche wird durch die am weitesten radial zur Rotationsachse außenliegenden Stellen an der Umfangsfläche des Pins gebildet, so dass der Pin z.B. wie ein Fräser einen konkav axial verlaufenden Abschnitt, der die umhüllende Mantelfläche definiert, und radial weiter innen liegende Abschnitte hat.
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Der rotierende Pin, welcher die Plastifizierung der Materialstücke erzeugt, kann direkt an der Stirnfläche der Verdickung anliegen oder weist zumindest einen gleichbleibenden Abstand über die gesamte Höhe auf. Dies gewährleistet, dass sich zwischen den beiden Materialstücken eine stoffschlüssige Verbindung über die gesamte Stirnflächenhöhe von gleicher Qualität ausbilden kann.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass der Pin und die zumindest eine aufliegende Schulter mit unterschiedlichen Drehzahlen rotieren. Die Schulter kann auch stillstehend ausgebildet sein, sodass nur der Pin rotiert.
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Insbesondere kann der Pin einen Abstand zum ersten Materialstück aufweisen, der ein Fünftel des Durchmessers des Pins entspricht und/oder 0,2 mm beträgt. Dieser Abstand ist ausreichend, um das erste Materialstück genügend zu plastifizieren und dennoch einen Sicherheitsabstand zu haben, sodass der Pin nicht in das festere erste Materialstück eindringt und verschleißt.
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Die Schulter des Werkzeugs kann einen Durchmesser aufweisen, der zwischen dem 1- und 25-fachen der Materialstärke eines der beiden Materialstücke entspricht.
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Der Pin kann einen Durchmesser zwischen einem Viertel und drei Vierteln des Schulterdurchmessers aufweisen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Materialstücke auf einem Gegenhalter beim Schweißen aufgelegt werden, gegen den das Werkzeug gepresst wird. Der Gegenhalter hat einen Absatz oder eine Aufnahmenut, der bzw. die das erste Materialstück an dem dem zweiten Materialstück entgegengesetzten Rand der Verdickung hält und/oder der bzw. die eine Tiefe besitzt, die den Materialstärkenunterschied der Materialstärken weitestgehend ausgleicht. Damit liegen die Ober- oder Unterseiten der Materialstücke in einer gemeinsamen Ebene oder weisen einen Höhenunterschied auf, der geringer als der Materialstärkenunterschied ist. Der Absatz bzw. die Aufnahmenut gewährleisten, dass die Schulter des Werkzeugs auf einer ebenen Fläche aufliegt, wodurch sichergestellt ist, dass der Pin exakt entlang der Stirnfläche fahren kann. Ein Winkelversatz des Werkzeugs zu den Materialstücken wird somit verhindert. Die Höhenunterschiede der Stumpfschweißverbindung zwischen den beiden Materialstücken können durch den Absatz oder die Aufnahmenut an die Situation angepasst werden, sodass eine gute Schweißverbindung erzielt werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Verdickung zumindest teilweise durch gefaltete Abschnitte gebildet, die Lagen bilden, wobei zumindest zwei die Verdickung bildende Lagen vor dem Schweißen voneinander beabstandet sind, wobei beim Schweißen eine Axialkraft durch das Werkzeug auf die Verdickung ausgeübt wird, die die Lagen aufeinanderpresst und die Beabstandung verringert, insbesondere eliminiert. Hierdurch können Ausgangsmaterialien verwendet werden, die einen teilweise umgebördelten Längsrand aufweisen, welcher von dem Werkzeug beim Rührreibverschweißen mit dem zweiten Materialstück derart geschlossen wird, dass die gewünschte Materialstärke des ersten Materialstücks erreicht wird. Ferner kann durch die endgültige Ausbildung der Verdickung beim Rührreibverschweißen gleichzeitig die stoffschlüssige Verbindung der Lagen der Verdickung erzeugt werden, beispielsweise durch den Energieeintrag des Rührreibschweißwerkzeugs selbst.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schweißprozess bahngesteuert oder kraftgeregelt ist. Der Pin verläuft somit entsprechend einer vordefinierten Bahn oder er wird auf eine bestimmte maximale seitliche Kraft eingestellt, sodass der Pin entlang des Längsrandes des ersten Materialstücks verfährt und mit der vordefinierten Kraft seitlich gegen den Längsrand des ersten Materialstücks drückt. Der Pin des kraftgeregelt verfahrenen Werkzeugs kann vorzugsweise nicht in das härtere Materialstück eindringen.
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Eventuell kann vorgesehen sein, dass der Pin das erste Materialstück geringfügig „ankratzt“. Es kann, wenn das erste Materialstück nicht verflüssigt wird, im ersten Materialstück zu Kristallstrukturveränderungen kommen, wobei das erste Materialstück aber gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nicht einmal in die teigige Phase gebracht wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere an einer Werkzeugmaschine oder, bevorzugt, an einem frei programmierbaren Industrieroboter durchgeführt.
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Ein Rührreibschweißwerkzeug, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens der zuvor beschriebenen Art, kann einen Pin aufweisen, der im Bereich der sich gegenüberliegenden Längsränder in zumindest ein Materialstück eindringt und eine auf der Oberseite und/oder eine auf der Unterseite der Materialstücke aufliegende Schulter aufweist, wobei der Pin eine bei Rotation um seine Drehachse eine konturierte, insbesondere konkave umhüllende Mantelfläche hat. Der Pin ist dabei als Rotationskörper ausgebildet, welcher rotiert, um in das Materialstück einzudringen. Nach dem Eindringen in eines der beiden Materialstücke dreht sich der Pin derart weiter, dass die direkte Umgebung des Pins in zumindest einem Materialstück plastifiziert wird, wodurch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Materialstücken hergestellt werden kann.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass die Schulter und der Pin relativ zueinander verdrehbar sind, wobei sie mit unterschiedlichen Drehzahlen angetrieben werden können. Hierdurch wird erreicht, dass der größte Energieeintrag durch den Pin erreicht wird. Beispielsweise kann die Schulter auch drehfest ausgebildet sein, wodurch nur der Pin sich dreht, um die entsprechende Plastizifierung der Materialstücke herbeizuführen.
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Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 eine schematische Darstellung einer ersten, nicht unter die Erfindung fallenden Variante des Verfahrens zum Stumpfverschweißen und Erzeugen eines Bauteils,
- - 2 eine zweite, nicht unter die Erfindung fallende Variante des Verfahrens zum Stumpfverschweißen und Erzeugen eines Bauteils,
- - 3 eine dritte, erfindungsgemäße Variante des Verfahrens zum Stumpfverschweißen und Erzeugen eines Bauteils,
- - 4 eine vierte, erfindungsgemäße Variante des Verfahrens zum Stumpfverschweißen und Erzeugen eines Bauteils,
- - 5 eine fünfte, nicht unter die Erfindung fallende Variante des Verfahrens zum Stumpfverschweißen und Erzeugen eines Bauteils,
- - 6 eine sechste, nicht unter die Erfindung fallende Variante des Verfahrens zum Stumpfverschweißen und Erzeugen eines Bauteils,
- - 7 eine siebte, nicht unter die Erfindung fallende Variante des Verfahrens zum Stumpfverschweißen und Erzeugen eines Bauteils,
- - 8 eine achte, nicht unter die Erfindung fallende Variante des Verfahrens zum Stumpfverschweißen und Erzeugen eines Bauteils,
- - 9 eine neunte, nicht unter die Erfindung fallende Variante des Verfahrens zum Stumpfverschweißen und Erzeugen eines Bauteils, und
- - 10 eine schematische Darstellung des Rührreibschweißwerkzeugs.
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In 1 ist in einer nicht unter den Schutzumfang des vorliegenden Patents fallenden Variante schematisch dargestellt, wie ein erstes Materialstück 10 mit einem zweiten Materialstück 12 mittels eines Rührreibschweißwerkzeugs 14 verschweißt wird, um ein Bauteil 15 auszubilden.
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Das zweite Materialstück 12 weist eine deutlich größere Materialstärke als das erste Materialstück 10 auf. Beide Materialstücke 10, 12 sind Bleche.
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Bei sämtlichen im Folgenden aufgeführten Ausführungsformen sind beide Materialstücke 10, 12 aus Blechen hergestellt, und zwar aus Blechen unterschiedlichen Materials. Das erste Materialstück 10 ist üblicherweise stets ein Stahlblech, wogegen das zweite Materialstück 12 ein Leichtmetall oder eine Leichtmetalllegierung oder ein Übergangsmetall ist. Insbesondere ist das zweite Materialstück 12 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
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Wenn im Folgenden von Materialstärke der Materialstücke 10, 12 die Rede ist, so ist dies die vorzugsweise gleichbleibende Materialstärke des zweiten Materialstücks 12 und die Materialstärke des ersten Materialstücks 10 außerhalb der Verdickung 22.
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Sämtliche hergestellte Bauteile sind vorzugsweise Karosseriebauteile eines Fahrzeugs.
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Das erste Materialstück 10 hat ein freies Ende 16, welches in der gezeigten Variante des Verfahrens zu einer einen ersten Abschnitt 18 und einen zweiten Abschnitt 20 umfassenden Verdickung 22 umgeformt ist, so dass die beiden Abschnitte 18, 20 eine erste Lage 28 und eine zweite Lage 30 der Verdickung 22 bilden. Die Verdickung 22 ergibt sich somit durch einfaches Falten des freien Endes 16. Die Verdickung 22, dies gilt auch für die übrigen Ausführungsformen, kann beispielsweise durch Umbördeln erzeugt werden oder durch andere Umformverfahren.
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Die Verdickung 22 bildet einen Längsrand 24 des ersten Materialstücks 10, welcher einem Längsrand 26 des zweiten Materialstücks 12 stirnseitig gegenüberliegt, wobei sich die beiden Materialstücke 10, 12 mit ihren beiden Längsrändern 24, 26 vor dem Verschweißen stirnseitig kontaktieren können, was aber nicht zwingend notwendig ist, denn es kann auch ein geringfügiger Spalt zwischen den Materialstücken 10, 12 vorhanden sein.
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Hierdurch wird ein Fügebereich 27 gebildet, in dem das Rührreibschweißwerkzeug 14 die beiden Materialstücke 10, 12 plastifiziert, sodass das rührreibgeschweißte Bauteil 15 entsteht. Das zweite Materialstück 12 weist in der gezeigten Variante eine doppelt so große Materialstärke verglichen mit dem ersten Materialstück 10 auf, sodass das erste Materialstück 10 im Bereich seines Längsrandes 24 aufgrund der Verdickung 22 die gleiche Materialstärke wie das zweite Materialstück 12 hat.
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Dies bedeutet, dass das erste Materialstück 10 an der Verdickung eine Oberseite 32a ausbildet, die in einer Ebene mit einer Oberseite 34a des zweiten Materialstücks 12 liegt, wenn die beiden Materialstücke 10, 12 mit ihren Unterseiten 32b, 34b auf einer ebenen Fläche aufliegen.
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Die beiden Materialstücke 10, 12 werden im Anschluss an das stirnseitige Kontaktieren der beiden Längsränder 24, 26 mittels des Rührreibschweißwerkzeugs 14 rührreibverschweißt, um das Bauteil 15 zu bilden.
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Hierzu weist das Rührreibschweißwerkzeug 14 einen Pin 36 auf, welcher sich in der gezeigten Darstellung bereits in das weichere zweite Materialstück 12 rotierend eingedrückt hat. Der Pin 36 wird dabei so weit in das Materialstück 12 eingedrückt, dass eine Schulter 38 des Rührreibschweißwerkzeugs 14 auf den Oberseiten 32a sowie 34a aufliegt.
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Zum Verschweißen der beiden Materialstücke 10, 12 verfährt das Rührreibschweißwerkzeug 14 bahngesteuert entlang einer vordefinierten Bahn oder kraftgeregelt, indem es mit einer vorbestimmten Kraft gegen den Längsrand des ersten Materialstücks drückt und entlang von dessen Längsrand verfährt, sodass die beiden Materialstücke 10, 12 miteinander verschweißt werden.
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Der Pin 36 verfährt üblicherweise nur innerhalb des zweiten Materialstücks 12, wobei er sogar (eine Option) einen geringen Abstand zum ersten Materialstück 10 aufweisen kann. Der Pin 36 kann in diesem Fall das härtere erste Materialstück 10 nicht oder nur so stirnseitig kontaktieren, dass dieses kalt genug bleibt, um nicht einmal die teigige Phase zu erreichen.
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Der Pin 36 ist als Rotationskörper ausgebildet, welcher sich relativ zu der Schulter 38 des Rührreibschweißwerkzeugs 14 drehen kann. Aufgrund der hohen Drehzahl des Pins 36 werden die Bereiche zumindest eines der beiden Materialstücke 10, 12, welche in der Nähe des Pins 36 sind, plastifiziert, sodass sich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Materialstück 10 und dem zweiten Materialstück 12 ergibt. Hierdurch ist ein durch Stoffschluss gebildetes Bauteil 15 hergestellt.
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Der Pin 36 des Rührreibschweißwerkzeugs 14 weist in der gezeigten Variante eine bei Rotation um seine Achse gebildete umhüllende Mantelfläche 40 auf, welche linear ausgebildet ist.
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Aufgrund des Faltens des freien Endes 16 ergibt sich am Längsrand 24 des ersten Materialstücks 10 ein konvexer Querschnitt der ersten Stirnfläche am ersten Längsrand 24. Die zweite Stirnfläche am zweiten Längsrand 26 ist z.B. eben oder konvex ausgeführt oder weist einen entsprechenden konkaven Querschnitt auf, der eine andere Krümmung wie der Längsrand 24 oder dieselbe Krümmung (d.h. eine komplementäre Form) aufweisen kann. Die beiden Materialstücke 10, 12 können an ihren Stirnflächen vor dem Schweißen bei der konkaven Ausführung des Längsrandes 26 somit vollflächig aneinander anliegen, was jedoch nicht zwingend er Fall sein muss. Es kann auch ein geringfügiger Spalt zwischen den Materialstücken oder eine Punkt- oder Linienberührung vorhanden sein.
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Unabhängig von der Ausführungsform nach 1 gilt: Der nicht mit Material ausgefüllte Zwischenraum zwischen den Materialstücken 10, 12 wird beim Verschweißen dadurch gefüllt, dass erwärmtes Material des zweiten Materialstücks in den Zwischenraum transportiert wird. Dies erfolgt durch Schrägstellen der Rotations- oder Drehachse A des Rührreibschweißwerkzeugs 14. Durch dieses Kippen der Drehachse A dringt die Schulter 38 einseitig an der Oberseite 34a in das zweite Materialstück 12 ein, um dadurch Material zu verdrängen. Durch dieses Verdrängen des Materials wird insgesamt Material des zweiten Materialstücks 12 in den evtl. vorhandenen Spalt zwischen des Längsrändern 24, 26 gedrückt, um den Spalt auszufüllen (siehe 1). Das Werkzeug kann sowohl längs als auch quer zur Schweißrichtung geneigt sein oder gemäß einer Kombination in Quer- und Längsneigung geneigt sein. Natürlich kann die Drehachse A auch senkrecht zu den Oberflächen der Materialstücke 10, 12 verlaufen, wie ebenfalls in 1 gezeigt, wenn z.B. kein erheblicher Materialtransport zum Ausfüllen eines Spalts notwendig ist.
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In 2 ist eine zweite, nicht unter den Schutzumfang des vorliegenden Patents fallende Variante des Verfahrens gezeigt, wobei sich diese Variante von der aus 1 dahin gehend unterscheidet, dass die Stirnfläche des ersten Längsrands 24 an die Kontur des Pins 36 bzw. dessen bei Rotation entstehenden Mantelfläche 40 angepasst worden ist und jeweils plan verläuft.
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Der erste Längsrand 24 wird vor dem stirnseitigen Kontaktieren und dem Verschweißen mit dem zweiten Längsrand 26 gestaucht, wodurch sich eine erste Kontaktfläche 42 an dem stirnseitigen Ende des ersten Materialstücks 10 bzw. dessen Längsrand 24 ergibt. Die derartig ausgebildete erste Kontaktfläche 42 verläuft plan.
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Der Pin 36, welcher ebenfalls bei Rotation eine lineare Mantelfläche 40 ausbildet, ist somit exakt an die Kontur der ersten Kontaktfläche 42 angepasst bzw. umgekehrt. Die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Materialstück 10 und dem zweiten Materialstück 12 kann dadurch besonders gut ausgebildet werden, da der rotierende Pin 36 über die gesamte Höhe des Fügebereichs 27 einen gleichen Abstand zu dem ersten Materialstück 10 bzw. dessen Längsrand 24 hat.
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In 3 ist eine dritte Variante des Verfahrens gezeigt, wobei sich dieses insbesondere in der Materialstärke der verwendeten Materialstücke 10, 12 unterscheidet.
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Das hier gezeigte erste Materialstück 10 hat eine Verdickung mit dreifacher Materialstärke, wobei das erste Materialstück 10 ein freies Ende 16 aufweist, welches derart umgeformt worden ist, dass es insgesamt drei Abschnitte umfasst, den ersten Abschnitt 18, den zweiten Abschnitt 20 sowie einen dritten Abschnitt 44.
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Die drei Abschnitte 18, 20, 44 sind dabei durch Zickzackfalten zu einer Verdickung 22 ausgebildet, welche insgesamt drei Lagen umfasst. Die zweite Lage 30, die vom zweiten Abschnitt 20 gebildet ist, ist dabei mittig angeordnet und wird an beiden Seiten von jeweils einer weiteren Lage umgeben, nämlich der ersten Lage 28 sowie einer dritten Lage 46.
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Die dritte Lage 46 entspricht dem dritten Abschnitt 44 des gefalteten freien Endes 16, wobei die dritte Lage 46 in der gezeigten Variante derart ausgebildet ist, dass sie die Unterseite 32b aufweist.
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Durch das Zickzackfalten des freien Endes 16 kann somit eine Verdickung 22 hergestellt werden, die einen Materialstärkenunterscheid ausgleichen kann, sodass die Querschnitte der beiden Stirnflächen der Materialstücke 10, 12 im Fügebereich 27 aufeinander abgestimmt sind, wodurch sich ein optimaler Verbindungsquerschnitt zwischen den beiden Materialstücken 10, 12 ergibt.
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4 zeigt eine Alternative zu der dritten Variante aus 3, wobei die beiden Materialstücke 10, 12 ebenfalls ein Materialstärkenverhältnis von 1:3 aufweisen.
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In der in 4 gezeigten Variante weist das nach seiner Umformung gezeigte freie Ende 16 wieder drei Abschnitte 18, 20, 44 auf, die die dreilagige Verdickung 22 ausbilden. Die Abschnitte 18, 20, 44 sind jedoch im Gegensatz zu der dritten Variante anders angeordnet, sodass die Verdickung 22 anders aufgebaut ist.
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Die zweite Lage 30 der Verdickung 22 ist gemäß dieser Variante durch den dritten Abschnitt 44 gebildet, also dem Endabschnitt des freien Endes 16. Der dritte und letzte Abschnitt 44 des freien Endes 16 ist einwärts zwischen den beiden vom freien Ende 16 aus gesehen nachfolgenden Abschnitten 18, 20 gefaltet worden, sodass sich insgesamt eine schneckenförmige Verdickung 22 ergibt.
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Mit der gezeigten vierten Variante des Verfahrens ist es wiederum möglich, die Materialstärke des ersten Materialstücks 10 im Bereich seines Längsrandes 24 derart zu verdicken, dass es der Materialstärke des zweiten Materialstücks 12 entspricht. Die Querschnitte im Fügebereich 27 sind derart aneinander angepasst, dass sich ein optimaler Verbindungsquerschnitt einstellt. Auch bei dieser Variante ist der Längsrand des Materialstücks 10 im Querschnitt einfach konvex gekrümmt. Das zweite Materialstück 12 ist stirnseitig komplementär konkav geformt.
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In 5 ist eine fünfte, nicht unter den Schutzumfang des vorliegenden Patents fallende Variante des Verfahrens gezeigt, wobei das umgeformte freie Ende 16 analog zu der ersten und der zweiten Variante zwei Abschnitte 18, 20 aufweist. Die Materialstärke des zweiten Materialstücks 12 ist jedoch analog zu der dritten und vierten Variante dreimal so groß wie diejenige des ersten Materialstücks 10.
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Dennoch ist es möglich, dass die Verdickung 22 des ersten Materialstücks 10 an dem ersten Längsrand 24 die gleiche Materialstärke wie das zweite Materialstück am gegenüberliegenden zweiten Längsrand 26 hat.
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Dies wird dadurch erreicht, dass zwischen den beiden Abschnitten 18, 20 des umgeformten freien Endes 16 ein Zwischenstück 48 eingelegt wird, um welches der zweite Abschnitt 20 gefaltet wird. Das Zwischenstück 48 ist typischerweise als separater Materialstreifen ausgebildet, der mit zumindest einem der beiden Abschnitte 18, 20 kraft- oder stoffschlüssig verbunden ist.
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Das Zwischenstück 48 kann auch eine andere Materialstärke als das erste Materialstück 10 haben.
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Die Verdickung 22 ist somit wiederum analog zu der dritten und vierten Variante dreilagig ausgebildet. Im Gegensatz zu der dritten und vierten Variante sind die erste Lage 28 durch den ersten Abschnitt 18 und die zweite Lage 30 durch das Zwischenelement 48 realisiert. Die dritte Lage 46 der Verdickung 22 wird durch den zweiten Abschnitt 20 bereitgestellt, welche dann die Oberseite 32a umfasst.
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In 6 ist eine sechste, nicht unter den Schutzumfang des vorliegenden Patents fallende Variante gezeigt, bei der die Verdickung 22 durch einen weiteren Materialstreifen 50 hergestellt ist, welcher mit dem ersten Materialstück 10 über zumindest eine Verbindungsstelle 52 verbunden ist.
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7 zeigt eine siebte, nicht unter den Schutzumfang des vorliegenden Patents fallende Variante des Verfahrens, wobei in der siebten Variante das freie Ende 16 des ersten Materialstücks 10 um 90° abgekantet ausgebildet ist, sodass sich die Verdickung 22 des ersten Materialstücks 10 an seinem ersten Längsrand 24 durch ein randseitiges Abkanten des freien Endes 16 ergibt.
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Durch die Abkantung des freien Endes 16 wird die erste Kontaktfläche 42 zum stirnseitigen Kontaktieren mit dem zweiten Materialstück 12 bereitgestellt.
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In der gezeigten Variante entspricht die Abkanthöhe des freien Endes 16 exakt der Materialstärke des zweiten Materialstücks 12, sodass die erste Kontaktfläche 42 die gleiche Flächengröße wie die Kontaktfläche des zweiten Materialstücks 12 hat, was jedoch nicht einschränkend zu verstehen ist.
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Das freie Ende 16 weist demnach in der siebten Variante wiederum nur einen Abschnitt 18 auf, welcher jedoch abgekantet worden ist.
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8 zeigt eine achte, nicht unter den Schutzumfang des vorliegenden Patents fallende Variante des Verfahrens, wobei das freie Ende 16 in der gezeigten achten Variante durch zwei Abschnitte 18, 20 ausgebildet ist.
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Der erste Abschnitt 18 ist analog zu der siebten Variante derart um 90° abgekantet, dass es die erste Kontaktfläche 42 für den zweiten Längsrand 26 des zweiten Materialstücks 12 ausbildet.
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Der zweite Abschnitt 20 ist zu dem ersten Abschnitt 18 wiederum etwa rechtwinklig abgewinkelt, wobei er unterhalb des zweiten Materialstücks 12 verläuft, um eine Auflagefläche 54 für das zweite Materialstück 12 auszubilden, auf der die Unterseite 34b aufliegt.
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Über die Auflagefläche 54 kann eine Überlappverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Materialstück 10, 12 hergestellt werden oder das zweite Materialstück 12 wird an die Auflagefläche 54 geschweißt. Beides dient zur Stabilisierung der Verbindung der beiden Materialstücke 10, 12 und somit des Bauteils 15.
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Mit den in den 7 und 8 gezeigten Varianten des Verfahrens können Verdickungen 22 erzeugt werden, welche jegliches Materialstärkenverhältnis zwischen dem ersten Materialstück 10 und dem zweiten Materialstück 12 ausgleichen können.
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9 zeigt eine neunte, nicht unter den Schutzumfang des vorliegenden Patents fallende Variante des Verfahrens, wobei die beiden Materialstücke 10 und 12 beim Verschweißen auf einem Gegenhalter 56 platziert sind, der einen Anschlag beim Schweißverfahren für das Rührreibschweißwerkzeug 14 bildet.
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In der gezeigten Variante weist der Gegenhalter 56 eine Anschlagsfläche 58 auf, auf der die Unterseite 34b aufliegt. In der Anschlagsfläche 58 ist eine Aufnahmenut 60 ausgebildet, die die Verdickung 22 abschnittsweise derart aufnehmen kann, dass die erste Unterseite 32b in der Aufnahmenut 60 liegt und seitlich geführt und lagegesichert ist.
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Sollte die Verdickung 22 materialstärker als das zweite Materialstück 12 ausgebildet sein, so kann die Werkzeugschulter 38 trotzdem eben auf den Oberseiten 32a, 34a der beiden Materialstücke 10, 12 aufliegen, sodass der Pin 36 exakt senkrecht ausgerichtet ist.
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Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der Gegenhalter 56 einen Absatz anstatt der Aufnahmenut 60 aufweist, sofern die Verdickung 22 materialschwächer als das zweite Materialstück 12 ausgebildet ist.
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Ferner weist der Gegenhalter 56 einen axialen Anschlag 62 auf, der das erste Materialstück 10 axial so positioniert, dass es stirnseitig mit seinem ersten Längsrand 24 am gegenüberliegenden Längsrand 26 des zweiten Materialstücks 12 anliegt. Die beiden Materialstücke 10, 12 sind somit zueinander in axialer Richtung fixierend ausgerichtet.
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10 zeigt das Rührreibschweißwerkzeug 14, welches den Pin 36 aufweist, der eine bei seiner Rotation entstehende, konturierte umhüllende Mantelfläche 40 aufweist.
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Die Mantelfläche 40 ist dabei an die Querschnittsgeometrie der ersten Kontaktfläche 42 des ersten Materialstücks 10 im Querschnitt angepasst, welches aus einem härteren Material ausgebildet ist. Das Rührreibschweißwerkzeug 14 bzw. der Pin 36 haben somit einen nahezu gleichbleibenden Abstand über die gesamte Höhe der Schweißverbindung zu dem ersten Materialstück 10.
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Das Rührreibschweißwerkzeug 14 kann mit seiner Schulter 38 auf den Oberseiten 32a, 34a sowie den Unterseiten 32b, 34b aufliegen.
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Ferner ist es auch möglich, ein Werkzeug mit zwei Schultern vorzusehen, die zwischen sich die Materialstücke 10, 12 aufnehmen und an den Ober- und Unterseite anliegen, so dass ein Gegenhalter unnötig wird.
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Des Weiteren können die beiden Materialstücke 10, 12 von beiden Seiten gleichzeitig oder nacheinander rührreibverschweißt werden, um das Bauteil 15 zu bilden.
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Mit den verschiedenen Varianten des Verfahrens ist es möglich, zwei Materialstücke 10, 12 unterschiedlicher Materialstärke und unterschiedlichen Materialeigenschaften derart miteinander zu verbinden, dass ein Bauteil 15 mit hohen Festigkeitswerten entsteht, welches dennoch leicht ist.
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Typischerweise werden in der Automobilindustrie 0,75 mm dicke Stahlbleche sowie Aluminiumbleche mit einer Materialstärke von 1,5 mm verwendet.
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Bei einem derartigen Materialstärkenverhältnis von 1:2 ergibt sich bezogen auf das Aluminiumblech eine Erhöhung der Zugfestigkeit um einen Faktor 2 im Gegensatz zu direkt stumpfverschweißten Materialstücken.
