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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen einer Reibschweiß-Verbindung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Verbindung von Körpern mittels eines Reibschweiß-Verfahrens, wobei der erste Körper rohrförmig ist oder einen rohrförmigen Abschnitt aufweist und der andere Körper eine Bohrung zur Aufnahme des rohrförmigen Körpers beziehungsweise von dessen rohrförmigem Abschnitt aufweist, ist insbesondere dann schwierig, wenn die Wandstärke des rohrförmigen Abschnitts beziehungsweise des rohrförmigen Körpers im Verhältnis zur Materialdicke des mit der Bohrung versehenen anderen Körpers gering ist. Noch schwieriger wird es, wenn zumindest das Material des rohrförmigen Abschnitts sehr gut wärmeleitend ist, wie dies beispielsweise bei Aluminium der Fall ist, und/oder wenn dessen Wandstärke sehr dünn ist. Ebenfalls problematisch ist es, wenn das Material des rohrförmigen Abschnitts deutlich weicher als das Material des anderen Körpers ist. In diesen Fällen besteht die Gefahr, dass beim Reibschweißen die Wandung des rohrförmigen Abschnitts aufschmilzt, bevor die Wandung der Bohrung die für eine wirkungsvolle Verschweißung erforderliche Temperatur erhalten hat und dass das zum Reibschweißen verwendete Rotationswerkzeug das aufgeschmolzene Material des rohrförmigen Abschnitts abtransportiert. Eine wesentliche Anforderung an das Reibverschweißen von Rohren besteht darin, die Öffnung des reibverschweißten Rohrs zu erhalten und zu vermeiden, dass sich der Innendurchmesser des Rohrs beim Reibverschweißen wesentlich ändert. Insbesondere beim Reibverschweißen von Rohren aus weichen, zähen Materialien, wie beispielsweise Aluminium, besteht die Gefahr, dass bei einem mit diesem Material in relativbewegten Kontakt geratendes Werkzeug, insbesondere bei einem Polygonwerkzeug, plastifiziertes Material des Rohrs an der Werkzeugoberfläche anhaftet und beispielsweise die Polygonstruktur am Umfang des Werkzeugs zusetzt oder verschmiert, wodurch das Werkzeug unbrauchbar wird.
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STAND DER TECHNIK
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Aus der
DE 10 2007 016 991 A1 ist ein Verfahren zum Anbringen eines metallischen Anschlussteils an einen Metallkörper bekannt, bei welchem zunächst mittels eines Formwerkzeugs durch Fließformung eine Buchse in der Wandung des Metallkörpers erzeugt wird und wobei dann ein rohrförmiger Befestigungsabschnitt des Anschlussteils in die Buchse eingesetzt und mittels eines in den Befestigungsabschnitt des Anschlussteils eindringenden rotierenden Drehwerkzeugs eine Reibschweißverbindung zwischen dem Anschlussteil und der Buchse hergestellt wird.
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Aus der
US 6 889 435 B1 ist ein Verfahren zur Anbringung eines Metallteils an einem anderen Metallteil mittels Reibschweißens bekannt, wobei ein mit einer Spitze versehenes Drehwerkzeug durch die beiden einander berührenden Metallteile hindurchgedrückt wird, wobei neben einer Fließformung auch eine Reibschweißverbindung zwischen den beiden Metallteilen erzeugt wird.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen einer Reibschweißverbindung eines ersten Körpers mit einem zweiten Körper anzugeben, mit dem auch Körper unterschiedlicher Wandstärke wirksam, nämlich fluiddicht und zugfest, verschweißt werden können, und zwar auch dann, wenn zumindest einer der Körper eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit besitzt und/oder wenn zumindest einer der Körper aus einem weicheren und zäheren Material besteht als der andere Körper. Insbesondere soll, wenn einer der Körper ein Rohr ist, die Rohröffnung im Wesentlichen erhalten bleiben.
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Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Reibschweiß-Verbindung eines ersten Körpers mit einem zweiten Körper mittels eines in einer Wirk-Rotationsrichtung rotierbaren Werkzeugs, wobei der erste Körper rohrförmig ist oder einen rohrförmigen Abschnitt aufweist, wobei der zweite Körper eine Bohrung zur Aufnahme des rohrförmigen Abschnitts des ersten Körpers aufweist und wobei zumindest ein Bereich des Außendurchmessers des rohrförmigen Abschnitts gleich oder geringfügig größer ist als der Durchmesser der Bohrung, zeichnet sich aus durch die Schritte,
- - Einsetzen des rohrförmigen Abschnitts des ersten Körpers in zumindest einen Teil der Bohrung des zweiten Körpers, so dass der rohrförmige Abschnitt zumindest in der Wirk-Rotationsrichtung drehfest in der Bohrung aufgenommen ist, und
- - Erzeugen von Reibungswärme durch das relativ zum rohrförmigen Abschnitt des ersten Körpers rotierende Werkzeug, wobei zwischen dem Werkzeug und dem rohrförmigen Abschnitt eine metallische Hülse vorgesehen ist, so dass das Werkzeug nicht in direkten Kontakt mit dem rohrförmigen Abschnitt gerät.
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VORTEILE
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Durch das Vorsehen der metallischen Hülse zwischen dem Werkzeug und dem oder den zu verschweißenden Körper(n) wird auf einfache, wirksame Weise ein direkter Kontakt des Werkzeugs mit dem Material des jeweiligen Körpers verhindert. Stattdessen gerät nur die metallische Hülse in Berührung mit den zu verschweißenden Körpern und wird mit diesen ebenfalls verschweißt. Das Werkzeug bleibt dabei im Wesentlichen unbeschädigt und es kommt nicht zu Materialanhaftungen am Werkzeug. Die axiale Durchgangsbohrung der mit den beiden Körpern verschweißten Hülse bildet nach dem Verschweißen eine Verlängerung der Bohrung des rohrförmigen Abschnitts des ersten Körpers, wodurch die beiden Bohrungen in Fluidverbindung stehen. Da die Hülse aus Metall besteht, das insbesondere ein hartes Metall wie zum Beispiel Stahl ist, bleibt die axiale Durchgangsbohrung auch nach dem Rotationsverschweißen erhalten, so dass stets gewährleistet ist, dass ein Fluidzugang zu dem von der Bohrung des rohrförmigen Abschnitts gebildeten Hohlraum erhalten bleibt.
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Die durch das Rotieren des Werkzeugs entstehende Reibungswärme wirkt mittelbar oder unmittelbar auf die beiden miteinander zu verschweißenden Körper, nämlich den ersten Körper und den zweiten Körper, ein und erzeugt dort an deren Berührungsfläche die Wärme, die für das zum erfolgreichen Verschweißen erforderliche Plastifizieren des Materials beider Körper im Bereich der zusammenzufügenden Umfangsflächen benötigt wird. Das Verfahren ist nicht auf metallische Werkstoffe der beiden miteinander zu verschweißenden Körper beschränkt, sondern ist beispielsweise auch bei thermoplastischen Kunststoffen einsetzbar.
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Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale dieses erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 11.
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Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich aus durch die Schritte:
- - Herstellen einer in Wirk-Rotationsrichtung drehfesten, lösbaren Verbindung zwischen der metallischen Hülse und dem Werkzeug;
- - Versetzen des mit der metallischen Hülse verbundenen Werkzeugs in Rotation in Wirk-Rotationsrichtung;
- - Einführen und Vorschieben eines ersten Hülsenabschnitts der mit dem Werkzeug rotierenden Hülse in die Axialbohrung des ersten Körpers unter Erzeugung von Reibungswärme zwischen dem Außenumfang des ersten Hülsenabschnitts und dem Innenumfang des rohrförmigen Abschnitts;
- - Stoppen der Rotationsbewegung der Einheit aus Werkzeug und Hülse;
- - Lösen der Verbindung zwischen dem Werkzeug und der mit dem ersten Körper verschweißten Hülse.
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Bei dieser Verfahrensvariante findet die Erzeugung von Reibungswärme zwischen der Hülse und dem oder den zu verschweißenden Körper(n) statt. Das Werkzeug gerät nicht in Kontakt mit den Materialien der Körper und ist so durch die Hülse geschützt, die selbst Teil der Schweißverbindung wird.
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Dabei ist es von Vorteil, wenn der rohrförmige Abschnitt des ersten Körpers nur teilweise in die Bohrung des zweiten Körpers eingesetzt ist und wenn gleichzeitig mit dem Einführen und Vorschieben des ersten Hülsenabschnitts in die Axialbohrung des ersten Körpers auch ein zweiter Hülsenabschnitt der mit dem Werkzeug rotierenden Hülse unter Erzeugung von Reibungswärme zwischen dem Außenumfang des zweiten Hülsenabschnitts und dem Innenumfang der Bohrung in die Bohrung eingeführt und vorgeschoben wird. Auf diese Weise wird auch die Hülse mit beiden Körpern verschweißt und bildet zusätzlich zur unmittelbaren Schweißverbindung zwischen den beiden Körpern eine mechanische Verbindung, die die beiden Körper zusammen hält.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn zwischen dem ersten Hülsenabschnitt und dem zweiten Hülsenabschnitt ein ringförmiger Bundabschnitt gebildet ist, der beim Einführen und Vorschieben der mit dem Werkzeug rotierenden Hülse in die Bohrung mit der drehfest in der Bohrung gelegenen ringförmigen Stirnfläche des rohrförmigen Abschnitts des ersten Körpers unter Erzeugung von Reibungswärme in Berührung gerät. Die rotierende Relativbewegung zwischen dem ringförmigen Bundabschnitt und der ringförmigen Stirnfläche sorgt für eine besonders wirksame reibungsbedingte Wärmeerzeugung, durch die sowohl das Material des rohrförmigen Abschnitts als auch das Material am Innenumfang der Bohrung plastifiziert werden und eine feste Gefügeverbindung eingehen.
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Vorzugsweise weist der erste Hülsenabschnitt und/oder der zweite Hülsenabschnitt zumindest bereichsweise einen polygonalen Außenumfang auf und die rotierende Hülse wird mit den polygonalen Außenumfangsbereichen in die Bohrung des zweiten Körpers und in die Axialbohrung des ersten Körpers eingeführt und vorgeschoben wird. Durch den polygonalen Außenumfang des jeweiligen rotierenden Hülsenabschnitts wird auf besonders wirksame und schnelle Weise die angestrebte Plastifizierung des Materials erreicht.
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Auch vorteilhaft ist es, wenn der zweite Hülsenabschnitt ein Innengewinde aufweist, in das das Werkzeug mit einem Außengewindeabschnitt eingeschraubt ist, der am Werkzeug vorgesehen ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, die Hülse mit dem Werkzeug schnell und zuverlässig zu verbinden, wobei die Einschraubrichtung der Wirk-Rotationsrichtung des Werkzeugs entspricht. Dadurch ist beim Rotationsreibschweißen die feste Positionierung der Hülse am Werkzeug gewährleistet. Nach erfolgter Herstellung der Reibschweißverbindung kann das Werkzeug durch gegensinniges Drehen wieder aus der Hülse herausgedreht werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich aus durch die zusätzlichen Schritte:
- - Herstellen einer in Wirk-Rotationsrichtung drehfesten, lösbaren Verbindung zwischen der metallischen Hülse und dem Werkzeug;
- - Versetzen des mit der metallischen Hülse verbundenen Werkzeugs in Rotation in Wirk-Rotationsrichtung;
- - Einführen und Vorschieben eines ersten Hülsenabschnitts der mit dem Werkzeug rotierenden Hülse in die Axialbohrung des ersten Körpers unter Erzeugung von Reibungswärme zwischen dem Außenumfang des ersten Hülsenabschnitts und dem Innenumfang des rohrförmigen Abschnitts;
- - Stoppen der Rotationsbewegung der Einheit aus Werkzeug und Hülse;
- - Lösen der Verbindung zwischen dem Werkzeug und der mit dem ersten Körper verschweißten Hülse.
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Diese Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besitzt den Vorteil, dass die für den Reibschweißvorgang benötigte Wärme im Inneren der Hülse erzeugt wird und dadurch die beiden miteinander zu verschweißenden Körper und insbesondere der rohrförmige, erste Körper keiner unmittelbaren mechanischen Belastung durch das rotierende Polygonwerkzeug unterworfen sind. Auch diese Verfahrensvariante kann sowohl bei metallischen Werkstoffen der zu verbindenden Körper als auch bei thermoplastischen Kunststoffen eingesetzt werden.
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Vorzugsweise weist dabei das Polygonwerkzeug einen Bundabschnitt auf, der beim Vorschieben des rotierenden Polygonwerkzeugs in der Hülse auf den Bundabschnitt der Hülse auftrifft und dort unter Erzeugung von Reibungswärme relativ zum Bundabschnitt der Hülse rotiert. Dadurch wird an einer zusätzlichen (stirnseitigen) Stelle ebenfalls Reibungswärme in der Hülse erzeugt, die von dort axial in den ersten und den zweiten Körper im Bereich der umfänglichen Berührungsflächen der beiden Körper eindringt.
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Von Vorteil ist das Verfahren, wenn der Werkstoff des ersten Körpers einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als der Werkstoff der Hülse.
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Dabei ist der metallische Werkstoff der Hülse vorzugsweise Stahl.
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Die Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich besonders vorteilhaft einsetzen, wenn der Werkstoff des ersten Körpers und des zweiten Körpers ein Metall ist oder ein Metall aufweist, wobei das Metall vorzugsweise ein Leichtmetall, beispielsweise Aluminium, ist.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein Gegenstand erzeugt, der zumindest einen ersten Körper aufweist, der mit einem zweiten Körper auf eine erfindungsgemäße Weise reibverschweißt worden ist. Beispielsweise kann dieser Gegenstand ein Wärmetauscher, zum Beispiel ein Kühler, sein, bei welchem als erste Körper mehrere Rohre oder rohrförmige Elemente vorgesehen sind, die mit ihrem jeweiligen ersten und/oder zweiten Ende mit einem einen zweiten Körper bildenden Fluidverteilerkörper mittels eines der erfindungsgemäßen Verfahren verschweißt worden sind.
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So können zur Bildung eines Wärmetauschers als erste Körper eine Mehrzahl von Rohren vorgesehen sein und der zweite Körper kann von einem Bereich der Wandung eines Fluidverteilers gebildet sein.
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Es kann auch noch ein weiterer zweiter Körper vorgesehen sein, der von einem Bereich der Wandung eines weiteren Fluidverteilers gebildet ist, wobei sich die Rohre dann zwischen dem ersten Fluidverteiler und dem weiteren Fluidverteiler erstrecken.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit zusätzlichen Ausgestaltungsdetails und weiteren Vorteilen sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.
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Figurenliste
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Es zeigt:
- 1 bis 3 die Schritte einer ersten Realisierungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und
- 4 bis 6 die Schritte einer zweiten Realisierungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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1 zeigt einen ersten Körper 1, der zumindest an seinem freien Ende einen rohrförmigen Abschnitt 10 mit einer Axialbohrung 12 aufweist, und einen zweiten Körper 2, der beispielsweise von einer gegenüber der Wandung 10' des rohrförmigen Abschnitts 10 dickeren Platte gebildet ist. Der rohrförmige Abschnitt 10 des ersten Körpers 1 ist drehfest in eine Bohrung 20 des zweiten Körpers 2 eingesetzt. Dabei dringt der rohrförmige Abschnitt 10 über einen Teil der axialen Erstreckung der Bohrung 20 in die Bohrung 20 ein, im gezeigten Beispiel etwa zur Hälfte der Axialerstreckung der Bohrung 20. Das in der Bohrung 20 gelegene freie Ende des rohrförmigen Abschnitts 10 bildet eine ringförmige, im Wesentlichen radial verlaufende Stirnfläche 10".
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Ein Werkzeug 3, das als Rotationswerkzeug ausgebildet ist und um eine Rotationsachse X rotierbar ist, weist einen Werkzeugschaft 30 auf, an den sich axial ein Bundabschnitt 32 anschließt. Auf der vom Werkzeugschaft 30 abgewandten Seite des Bundabschnitts 32 erstreckt sich axial und rotationsymmetrisch ein mit einem Außengewinde 33 versehener Verbindungsabschnitt 34. Das Werkzeug 3 ist so positioniert, dass die Rotationsachse X mit der Achse x der Bohrung 20 des zweiten Körpers 2 koaxial verläuft.
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Das Werkzeug 3 ist mit einer Hülse 4 verbunden, die ebenfalls rohrförmig ausgebildet ist und die in ihrer Axialrichtung einen ersten rohrförmigen Hülsenabschnitt 40 und einen zweiten rohrförmigen Hülsenabschnitt 42 aufweist. An den ersten rohrförmigen Hülsenabschnitt 40 schließt sich der im Außendurchmesser größere zweite rohrförmige Hülsenabschnitt 42 an, wobei die beiden Hülsenabschnitte 40, 42 unter Ausbildung einer sich im Wesentlichen radial erstreckenden ringförmigen Stufe 41 ineinander übergehen. Der Außenumfang des ersten Hülsenabschnitts 40 und der Außenumfang des zweiten Hülsenabschnitts 42 können im Querschnitt kreisrund oder vorzugsweise polygonal ausgebildet sein. Eine axiale Durchgangsbohrung 43 des ersten Hülsenabschnitts 40 mündet in eine vom Durchmesser her größere axiale Bohrung 44 des zweiten Hülsenabschnitts 42, die mit einem Innengewinde 44' versehen ist. Das Innengewinde 44' ist an das Außengewinde 33 des Verbindungsabschnitts 34 des Werkzeugs 3 angepasst.
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Wie in 1 zu erkennen ist, ist die Hülse 4 mit dem Innengewinde 44' ihres zweiten Hülsenabschnitts 42 auf das Außengewinde 33 am Verbindungsabschnitt 34 aufgeschraubt. Die axiale Länge des Verbindungsabschnitts 34 ist geringfügig größer als die axiale Länge der mit dem Innengewinde 44' versehenen Bohrung 44 der Hülse 4. Ist der Verbindungsabschnitt 34 des Werkzeugs 3 bis zum Anschlag in die Bohrung 44 der Hülse 4 eingeschraubt, wie es in 1 dargestellt ist, so liegt der Verbindungsabschnitt 34 des Werkzeugs 3 mit seiner vom Bundabschnitt 32 abgewandten freien Stirnfläche 31 gegen eine sich vorzugsweise radial erstreckende Ringschulter 44" an, die am Boden der Bohrung 44 im Bereich des Übergangs vom ersten rohrförmigen Hülsenabschnitt 40 zum zweiten rohrförmigen Hülsenabschnitt 42 ausgebildet ist. Dabei sind die dem Werkzeug 3 zugewandte ringförmige Stirnfläche 42' der Hülse 4 und die zur Hülse 4 weisende Ringschulter 32' des Bundabschnitts 32 des Werkzeugs 3 um eine Längendifferenz ΔL voneinander beabstandet. Dieser Axialabstand ΔL bildet so eine ringförmige Lücke zwischen dem Bundabschnitt 32 des Werkzeugs 3 und der zum Werkzeug 3 weisenden Stirnfläche 42' der Hülse 4.
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Die Einschraubrichtung des Werkzeugs 3 in den zweiten Hülsenabschnitt 42 entspricht dabei der als Wirk-Rotationsrichtung R bezeichneten Rotationsrichtung des Werkzeugs 3, in welche rotierend das Werkzeug 3 mit der Hülse 4 dann, wie in 2 gezeigt ist, in die Bohrung 20 des zweiten Körpers 2 eingeführt wird. Der Durchmesser der Bohrung 20 ist gleich oder geringfügig kleiner als der Außendurchmesser des zweiten Hülsenabschnitts 42. Ist der Außendurchmesser des zweiten Hülsenabschnitts 42 polygonal, so ist der Durchmesser der Bohrung 20 geringfügig kleiner als der von den Spitzen der Polygone am Außenumfang des zweiten Hülsenabschnitts 42 bestimmte Durchmesser. In analoger Weise ist auch der Innendurchmesser der Axialbohrung 12 des rohrförmigen Abschnitts 10 gleich oder geringfügig kleiner als der Außendurchmesser des ersten Hülsenabschnitts 40. Ist der Außendurchmesser des ersten Hülsenabschnitts 40 polygonal, so ist der Innendurchmesser der Axialbohrung 12 des rohrförmigen Abschnitts 10 geringfügig kleiner als der von den Spitzen der Polygone am Außenumfang des ersten Hülsenabschnitts 40 bestimmte Durchmesser.
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Beim Einführen der mit dem Werkzeug 3 rotierenden Hülse 4 in die Bohrung 20 des zweiten Körpers 2 gerät der Außenumfang des ersten Hülsenabschnitts 40 in Berührung mit der Innenumfangsfläche 12' der Axialbohrung 12 und der Außenumfang des zweiten Hülsenabschnitts 42 gerät in Berührung mit der Innenumfangsfläche 20' der Bohrung 20. Durch die rotierende Relativbewegung entsteht Reibungswärme, die das Material an den Innenumfangsflächen 12' und 20' und an der Außenumfangsfläche 40" des ersten Hülsenabschnitts 40 sowie der Außenumfangsfläche 42" des zweiten Hülsenabschnitts 42 plastifiziert, so dass ein axiales Vorschieben des Werkzeugs 3 mit der daran angebrachten Hülse 4 in die Bohrungen 12 und 20 ermöglicht ist, auch falls der Außendurchmesser des jeweiligen Hülsenabschnitts 40, 42 geringfügig größer ist als der Innendurchmesser der zugeordneten Bohrung 12, 20.
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Dabei wird das überschüssige plastifizierte Material der Innenumfangsfläche 20' der Bohrung 20 des zweiten Körpers 2 nach oben in einen von der ringförmigen Lücke bestimmten Ringraum 17 zwischen der ringförmigen Stirnfläche 42' der Hülse 4 und dem Bundabschnitt 32 des Werkzeugs 3 gefördert, wie in 2 zu erkennen ist. Das überschüssige plastifizierte Material der Innenumfangsfläche 12' der Axialbohrung 12 des rohrförmigen Abschnitts 10 wird nach oben in einen durch eine am Außenumfang des ersten Hülsenabschnitts 40 vorgesehene Umfangsnut 45 ausgebildeten Hohlraum 46 gefördert, wie in dem vergrößerten Ausschnitt der 2 zu erkennen ist.
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Die Einheit aus dem Werkzeug 3 und Hülse 4 wird unter Rotation so weit in die Bohrung 20 des zweiten Körpers 2 eingeführt, bis der Bundabschnitt 32 des Werkzeugs 3 auf der ihm zugewandten Oberfläche 22 des zweiten Körpers 2 zur Anlage kommt. Auch dabei wird zwischen dem Bundabschnitt 32 und dem zweiten Körper 2 in deren gegenseitigem ringförmigen Berührungsbereich Reibungswärme erzeugt, die in den zweiten Körper 2 entlang der Innenumfangsfläche 20' der Bohrung 20 eindringt und die das Material der Stirnfläche 42' sowie der Außenumfangsfläche 42" des zweiten Hülsenabschnitts 42 und auch das Material der Innenumfangsfläche 20' der Bohrung 20 plastifiziert und miteinander verschweißt.
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Der axiale Abstand von der zur Hülse 4 weisenden Ringschulter 32' des Bundabschnitts 32 des Werkzeugs 3 zur ringförmigen Stufe 41 der Hülse 4 entspricht dem axialen Abstand zwischen der zum Werkzeug 3 weisenden Oberfläche 22 des zweiten Körpers 2 und der ringförmigen Stirnfläche 10" des in der Bohrung 20 gelegenen freien Endes des rohrförmigen Abschnitts 10. Daher gerät die ringförmige Stufe 41 der Hülse 4 gleichzeitig in Berührung mit der ringförmigen Stirnfläche 10" des in der Bohrung 20 gelegenen freien Endes des rohrförmigen Abschnitts 10, wodurch auch hier Reibungswärme erzeugt wird, die das Wandungsmaterial des rohrförmigen Abschnitts, das diesen umgebende Material der Innenumfangsfläche 20' der Bohrung 20 und das Material des ersten Hülsenabschnitts 40 plastifiziert und diese miteinander verschweißt, wie im Ergebnis in 3 durch die dort markierten Schweißnähte gezeigt ist.
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Nach einer vorgegebenen Zeit, in der die Relativrotation zwischen der Einheit aus dem Werkzeug 3 und der Hülse 4 sowie dem zweiten Körper 2 aufrechterhalten wird (zum Beispiel 2 bis 4 Sekunden, vorzugsweise 3 Sekunden), wird die Rotation gestoppt. Daraufhin kühlen das plastifizierte Material des rohrförmigen Abschnitts 10, das plastifizierte Material der Hülse 4 und das plastifizierte Material des zweiten Körpers 2 im Bereich der Bohrung 20 ab, wobei diese Materialien dann eine feste mechanische Verbindung (Reibschweißverbindung) eingehen.
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Danach wird der Schaft 30 des Werkzeugs 3 in der der Wirkrotationsrichtung R entgegengesetzten Richtung gedreht und der Verbindungsabschnitt 34 wird aus dem zweiten Hülsenabschnitt 42 herausgeschraubt, so dass sich das in 3 dargestellte reibverschweißte Werkstück aus dem ersten Körper 1, dem zweiten Körper 2 und der Hülse 4 ergibt. Der erste Körper 1 ist somit mit seinem rohrförmigen Abschnitt 10 und der Hülse 4 in der Bohrung 20 des zweiten Körpers 2 reibverschweißt, wie durch die in 3 schematisch dargestellte flächig umlaufende Reibschweißnaht 24 symbolisiert dargestellt ist.
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4 zeigt eine alternative Realisierungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der der erste Körper 101 von einem Rohr gebildet ist und bei dem der zweite Körper 102 beispielsweise plattenartig ausgebildet und mit einer Bohrung 120 versehen ist. Der in 4 obere Teil des rohrförmigen ersten Körpers 101 bildet einen mit einer Axialbohrung 112 versehenen rohrförmigen Abschnitt 110, dessen Außendurchmesser gleich oder geringfügig größer ist als der Innendurchmesser der Bohrung 120.
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Zunächst wird der rohrförmige Abschnitt 110 des ersten Körpers 101 in die Bohrung 120 des zweiten Körpers 102 so eingesetzt, dass der rohrförmige Abschnitt 110 axialfest und drehfest in der Bohrung 120 aufgenommen ist, was beispielsweise durch eine Presspassung realisiert sein kann.
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Es wird dann, wie in 5 dargestellt ist, eine metallische Hülse 104 bereitgestellt, die als rotationsymmetrischer, rohrförmiger, abgestufter Körper ausgebildet ist. Die Hülse 104 besitzt einen ersten rohrförmigen Abschnitt 140, dessen Außendurchmesser gleich oder geringfügig größer ist als der Innendurchmesser des rohrförmigen Abschnitts 110 des ersten Körpers 101. An den ersten rohrförmigen Abschnitt 140 schließt sich in Axialrichtung ein zweiter rohrförmiger Abschnitt 142 an, dessen Durchmesser größer ist als der des ersten rohrförmigen Abschnitts 140. Am Übergang vom ersten rohrförmigen Abschnitt 140 zum zweiten rohrförmigen Abschnitt 142 ist eine radiale, ringförmige Stufe 141 ausgebildet, die an ihrer zum ersten rohrförmigen Abschnitt 140 weisenden Stirnseite eine ringförmige Stirnfläche 141' ausbildet.
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Der innere Durchmesser D des zweiten rohrförmigen Abschnitts 142 ist größer als der innere Durchmesser d des ersten rohrförmigen Abschnitts 140. Auch hier ist der Übergang zwischen der axialen Bohrung 143 des ersten rohrförmigen Abschnitts 140 zur axialen Bohrung 144 des zweiten rohrförmigen Abschnitts 142 durch eine ringförmige Radialstufe 145 gebildet. Die Radialstufe 145 bildet auf ihrer vom ersten rohrförmigen Abschnitt 140 abgewandten Seite eine sich radial erstreckende ringförmige Stirnfläche 145' aus.
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Die metallische Hülse 104 ist ebenfalls drehfest und vorzugsweise auch axialfest, beispielsweise mit einer Presspassung, in die Axialbohrung 112 des rohrförmigen Abschnitts 110 des ersten Körpers 101 eingesetzt.
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Der erste rohrförmige Abschnitt 140 der Hülse 104 bildet einen Eindringabschnitt und der zweite rohrförmige Abschnitt 142 bildet einen Bundabschnitt der Hülse 104. Die Hülse 104 wird in Axialrichtung so weit in die Axialbohrung 112 des rohrförmigen Abschnitts 110 eingesetzt, dass die äußere stirnseitige Ringfläche 141' des Bundabschnitts 142 auf der der Hülse 104 zugewandten Oberfläche 122 des zweiten Körpers 102 aufliegt.
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Der Vorgang des Reibverschweißens wird nun anhand der Darstellung in 6 erläutert. Ein in einer Wirk-Rotationsrichtung R rotierendes Polygonwerkzeug 103 weist einen Schaft 130 auf, der in der Nähe seines Endes mit einem Bundabschnitt 132 versehen ist, dessen Durchmesser größer ist als der des Schaftes 130, aber geringfügig geringer ist als der Innendurchmesser D des Bundabschnitts 142 der Hülse 104. Auf der vom Schaft 130 abgewandten Seite des Bundabschnitts 132 ist an der Spitze des Polygonwerkzeugs 103 ein polygonaler Verdrängungskörper 133 ausgebildet, dessen maximaler Außendurchmesser gleich oder geringfügig größer ist als der Innendurchmesser d des Eindringabschnitts 140 der metallischen Hülse 104. Der Bundabschnitt 132 des Polygonwerkzeugs 103 bildet an seiner zum polygonalen Verdrängungskörper 133 weisenden Seite eine sich radial erstreckende Ringfläche 132' aus.
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Zum Zwecke des Reibverschweißens wird das rotierende Polygonwerkzeug 103 in die Bohrung 143 des Eindringabschnitts 140 der metallischen Hülse 104 eingeführt und in Axialrichtung durch die Bohrung 143 des rohrförmigen Eindringabschnitts 140 vorgeschoben. Dabei entsteht zwischen dem polygonalen Verdrängungskörper 133 und der Innenwand des Eindringabschnitts 140 Reibungswärme, die durch die Wandung 140' des Eindringabschnitts 140 radial nach außen an die Wandung 110' des rohrförmigen Abschnitts 110 des ersten Körpers 101 abgegeben wird und diesen plastifiziert. Die erzeugte Reibungswärme wandert weiter radial nach außen bis in die Innenumfangsfläche der Bohrung 120 des zweiten Körpers 102 und plastifiziert auch dort das Material, so dass sich das plastifizierte Material des rohrförmigen Abschnitts 110 mit dem plastifizierten Material des zweiten Körpers 102 im Bereich der Bohrung 120 verschweißt.
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Die in den 4 bis 6 gezeigte Variante eignet sich besonders dann, wenn das Material des ersten Körpers 101 und das Material des zweiten Körpers 102 ein Leichtmetall, beispielsweise Aluminium, ist. In diesem Fall besteht die Hülse 104 aus Stahl und das Polygonwerkzeug besteht aus gehärtetem Stahl. Es wird so vermieden, dass zur Reibverschweißung des ersten Körpers 101 mit dem zweiten Körper 102 ein direkter Kontakt des aus gehärtetem Stahl bestehenden rotierenden Polygonwerkzeugs 3 mit dem Aluminium erfolgt. Das Aluminium wird somit durch die stählerne Hülse 104 vor dem rotierenden Polygonwerkzeug 3 geschützt.
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Besonders geeignet sind die beiden erfindungsgemäßen Verfahren dann, wenn eine Vielzahl von Rohren zur Bildung einer Rohrmatrix in einem Aufnahmekörper die Enden einer Vielzahl von Rohren aufnimmt. Ein solcher Aufnahmekörper kann beispielsweise die Wand eines Fluidverteilers eines Kühlkörpers sein, wobei die Rohre dann Kühlrohre bilden. In einer solchen Anwendung entspricht die Wandung des Fluidverteilers dem zweiten Körper 2 beziehungsweise 102 und die Rohre entsprechen jeweils dem ersten Körper 1 beziehungsweise 101.
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Die erfindungsgemäßen Reibschweißverfahren bewirken eine zuverlässige Gas- und Flüssigkeitsdichteverschweißung zwischen dem ersten Körper und dem zweiten Körper, auch wenn diese Körper beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen.
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Bezugszeichen in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.
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Bezugszeichenliste
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Es bezeichnen:
- 1
- erster Körper
- 2
- zweiter Körper
- 3
- Werkzeug
- 4
- Hülse
- 10
- erster rohrförmiger Abschnitt
- 10'
- Wandung von 10
- 10"
- ringförmige Stirnfläche
- 11
- Innengewinde
- 12
- Axialbohrung
- 12'
- Innenumfangsfläche
- 13
- Außengewinde
- 14
- Anschlussabschnitt
- 15
- Durchgangsbohrung
- 16
- Ringschulter
- 17
- Ringraum
- 20
- Bohrung
- 20'
- Innenumfangsfläche
- 21
- Innenumfang
- 22
- Oberfläche
- 24
- Reibschweißnaht
- 30
- Werkzeugschaft
- 31
- Stirnfläche
- 32
- Bundabschnitt
- 32'
- Ringschulter
- 33
- Außengewinde
- 34
- Verbindungsabschnitt
- 40
- erster rohrförmiger Hülsenabschnitt
- 41
- ringförmige Stufe
- 42
- zweiter rohrförmiger Hülsenabschnitt
- 42'
- Stirnfläche
- 42"
- Außenumfangsfläche
- 43
- axiale Bohrung von 40
- 44
- axiale Bohrung von 42
- 44'
- Innengewinde
- 44"
- Ringschulter
- 45
- Umfangsnut
- 46
- Hohlraum
- 101
- erster Körper
- 102
- zweiter Körper
- 103
- Polygonwerkzeug
- 104
- Hülse
- 110
- rohrförmiger Abschnitt
- 110'
- Wandung
- 112
- Axialbohrung
- 120
- Bohrung
- 122
- Oberfläche
- 130
- Schaft
- 132
- Bundabschnitt
- 132'
- Ringfläche
- 133
- polygonaler Verdrängungskörper
- 140
- erster rohrförmiger Abschnitt (Eindringabschnitt)
- 140'
- Wandung
- 141
- radiale Stufe
- 141'
- ringförmige Stirnfläche
- 142
- zweiter rohrförmiger Abschnitt (Bundabschnitt)
- 143
- axiale Bohrung
- 144
- axiale Bohrung
- 145
- Radialstufe
- 145'
- ringförmige Stirnfläche
- D
- Innendurchmesser
- d
- Innendurchmesser
- R
- Wirk-Rotationsrichtung
- X
- Rotationsachse
- ΔL
- Axialabstand
