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Technisches Gebiet
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Diese
Erfindung betrifft die Reibrührbearbeitung
von Metallblechwerkstücken
unter Verwendung eines Stützambosses.
Im Spezielleren betrifft diese Erfindung die Adaption eines Stützambosses
zum Erhöhen
der Wärmeübertragung
von einem Werkstück,
um den thermischen und mechanischen Verzug eines Blechs während einer
Reibrührbearbeitung der
Metallblechwerkstücke
zu reduzieren. Der Ausdruck „Reibrührbearbeitung” umfasst
normalerweise lineares Reibrührschweißen, Reibrühr-Punktschweißen und
eine Reibrührbearbeitung,
bei der ein Fügen von
Werkstücken
nicht vorgesehen ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei
der Reibrührbearbeitung
wird das Ende eines rotierenden Werkzeuges in Reibungseingriff mit
einer Fläche
oder Flächen
eines oder mehrerer gestützten/r
Werkstücke/s
gepresst, um den/die darunter liegenden Flächenbereich/e der Werkstücke zu erwärmen. Das
Arbeitsende des rotierenden Werkzeuges wird in Kontakt mit den zu
bearbeitenden Teilen gepresst. Das oder die Werkstück/e ist/sind
einer der angewendeten Kraft des Werkzeuges entgegengesetzten Seite
durch ein gelegentlich als Amboss bezeichnetes Element gestützt. Eine
von einem Reibrührwerkzeug
kontaktierte Fläche
eines Werkstückes
wird in erster Linie abhängig
von dem Druck und der Rotationsgeschwindigkeit des Werkzeuges für ein Materialbearbeitungsobjekt
schnell erwärmt.
Das Reibrührwerkzeug
ist aus einem harten Material mit einem hohen Schmelzpunkt gebildet,
das durch die an der Grenzfläche
des rotierenden Werkzeuges und dem/den in Ein griff stehenden Werkstück/en erzeugte
Wärme nicht
erweicht oder beeinträchtigt
wird. Reibrührbearbeitungsambosse
sind üblicherweise aus
einer Hartstahllegierung gebildet, die durch die Reibrührwärme des/der
gegen den Ambosskörper gepressten
Werkstücke/s
unbeeinflusst bleibt.
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Wo
das Ende des Reibrührwerkzeuges
im Wesentlichen flach ist, kann die Wirkung des rotierenden Reibrührwerkzeuges
das/die darunter liegende/n Werkstück/e mit minimalem Verzug für ein Wärmebearbeitungsergebnis
erwärmen.
Der Zweck kann darin bestehen, die Oberfläche zu erweichen oder zu härten oder
die darunter liegende Oberflächenmikrostruktur
des Werkstückes
zu verändern,
wobei Phasenumwandlungen in dem Werkstück verursacht werden oder nicht.
Oder der Zweck kann darin bestehen, eine Schweißverbindung zwischen zwei oder mehreren
darunter liegenden Blechlagen zu bilden. Wo das Ende des rotierenden
Werkzeuges eine sich axial erstreckende Sonde trägt (d. h., die Sonde liegt auf
der Rotationsachse des Werkzeuges und erstreckt sich von dem Ende
des Werkzeuges weg) erweicht die konzentriertere Kraft der rotierenden
Sonde schnell die kontaktierte/n Fläche/n, bis die Sonde von dem
erweichten Bereich zurückgezogen
oder weg bewegt wird. Nach dem Abkühlen kann das wieder erstarrte
Material eine Stumpfschweißverbindung zwischen
anliegenden Stirnflächen
von zwei Werkstücken
oder eine überlappte
Schweißverbindung zwischen übereinander
liegenden Lagen von Blechmaterial bilden. Auf diese Weise wird eine
lineare Reibrührnahtschweißverbindung
hergestellt, indem die Sonde in die Werkstücke versenkt wird und die Sonde
bewegt wird, um fortschreitend ein Muster von vorübergehend
erweichtem Material zu bilden. Oder eine oder mehrere Reibrührpunktschweißverbindung/en
kann/können
gebildet werden, indem die rotierende Sonde kurzzeitig in überlappende
Bleche oder Bänder
versenkt wird und die Sonde zurückgezogen
wird, um zuzulassen, dass das erweichte Material durch die Grenzfläche der
Lagen hindurch erstarrt. Es kann eine Reihe solcher Punktschweißverbindungen
zwischen zwei Blechen oder verschiedenen Werkstücken hergestellt werden.
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Die
Reibrührbearbeitung
wurde an Metallen und anderen Materialien wie z. B. Polymerzusammensetzungen
praktiziert, die auf solch eine durch Reibung erzeugte Erwärmung auf
eine erwünschte Weise
ansprechen. Im Allgemeinen wurde die Rate der Erwärmung dieser
Reibrührprozesse
und die erreichte Temperatur durch die Bauart der Sonde oder eine
andere Kontaktfläche
des rotierenden Werkzeuges, den Druck zwischen dem Werkzeug und
der in Eingriff stehenden Fläche,
der Rate der Rotation des Werkzeuges, der Rate der Verschiebung
des Werkzeuges (wenn anwendbar) und die Dauer des Reibungseingriffes
geregelt.
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Es
wäre von
Vorteil, die Reibrührbearbeitung an
relativ dünnen
Blechen aus wärmeleitfähigen Materialien
wie z. B. Aluminiumlegierungen und Magnesiumlegierungen zu praktizieren.
Es ist zum Beispiel oft erwünscht,
eine oder mehrere Punktschweißverbindung/en
zwischen Lagen solcher Metalllegierungsbleche zu bilden. Eine beispielhafte
Anwendung ist die Bildung einer Nahtschweißverbindung oder einer Reihe
von Punktschweißverbindungen zum
Säumen
der Umfänge
von inneren und äußeren Aluminiumlegierungsverschlussbleche
für Kraftfahrzeuge.
In diesen Autoverschlussblechen ist üblicherweise eine Lage von
Klebstoff zwischen dem Innenblech und dem Außenblech aufgebracht. Die Kante einer äußeren Aluminiumblechtafel
kann um eine Umfangskante einer inneren Aluminiumblechtafel gewickelt
sein und eine Schweißverbindung
ist von der Rückseite
der Anordnung und durch zwei oder drei Blechlagen der zusammengesetzten
Blechtafeln hindurch gebildet. Es hat sich jedoch gezeigt, dass
bekannte Reibrührbearbeitungsmethoden
gelegentlich einen thermischen und mechanischen Verzug in den reibrührgeschweißten Aluminiumblechen
zur Folge haben. Die Reibrührerwärmung ist örtlich und
intensiv und die Wärmeübertragung
von den Punktschweißverbindungs- oder linearen Nahtschweißverbindungsstellen
verursacht einen Verzug des kühleren
umgebenden Metalls. Sichtbare Flächen
von Autokarosserieblechen können
als Folge davon verunstaltet werden.
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Es
ist ein Ziel der Erfindung, ein auf solche Metallbleche anwendbares
Reibrührbearbeitungsverfahren
vorzusehen, das die Verformung oder den Verzug des umgebenden Blechmaterials,
insbesondere an der Fläche
des Werkstückes,
die der Fläche des
Reibrührwerkzeugeingriffes
gegenüberliegt,
reduziert.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Bei
der Reibrührbearbeitung
stützt
eine geeignete Ambossstruktur das/die Werkstück/e gegen die angewendete
Kraft des rotierenden Reibrührwerkzeuges.
In der Praxis dieser Erfindung können die
Werkstücke
oft Leichtmetallblechmaterialien wie z. B. Aluminiumlegierungs-
oder Magnesiumlegierungs-Fahrzeugkarosseriebleche oder andere relativ dünne Metallteile
sein und es wird auch ein Amboss verwendet, um Wärme von einer Reibrührbearbeitungsstelle
zu leiten. Wenn z. B. ein Stapel aus drei Lagen von Aluminiumblechen
mit einer Dicke von einem Millimeter einer Reibrührbearbeitung unterzogen wird,
kann die Temperatur des erweichten Metalls 450–470°C erreichen. Die Masse des heißen erweichten
Metalls kann umgebendes Blechmaterial erwärmen, um seine Fließgrenze
zu reduzieren und eine unerwünschte
Verformung zuzulassen. Eine hoch leitfähige Fläche des Ambosses steht mit
einer Seite der Metallblechwerkstücke eng in Eingriff, die jener
gegenüberliegt,
in die das Reibrührwerkzeug eingreift.
Der Amboss wird verwendet, um die Wärme von der Arbeitsstelle abzuleiten
und so die kontaktierte Werkstücklage
bei einer entsprechend niedrigen Temperatur (z. B. 300°C oder darunter
im Fall von Aluminiumlegierungen) zu halten und eine Verformung
zu vermeiden. In Übereinstimmung
mit der Erfindung ist ein Amboss zur Reibrührbearbeitung von Metallblechwerkstücken aus
einem harten Material gebildet, das auch die Wärme schnell von dem Blechmaterial,
insbesondere an der Reibrührbearbeitungs-Eingriffstelle
und um diese herum, abführt. Zum
Beispiel ist ein/e Ambossmaterial und -struktur (das/die innen gekühlt sein
kann) vorgesehen, sodass sein/ihr Wärmeableitungsvermögen in den
Amboss hinein größer ist
als eine äquivalente
Wärmeleitfähigkeit
von etwa 40 W/m-°K
bei Raumtemperatur. Des Weiteren ist der Amboss in jenen Ausführungsformen,
in denen die Ambossseite der Werkstücke eine sichtbare Fläche in einem
fertigen Produkt sein wird, ferner mit einem entsprechend glatten Oberflächenfinish
versehen, sodass der Amboss die sichtbare Fläche eines reibrührbearbeiteten
Artikels nicht beschädigt.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung kann der Amboss aus einer harten Kupferlegierung wie
z. B. einer Legierung gebildet sein, die verwendet wird, um Elektroden
zum elektrischen Widerstandsschweißen zu bilden. Solche Legierungen
behalten ihre Härte
bei erhöhten
Temperaturen, denen sie beim Widerstandsschweißen ausgesetzt sind, und solche
Legierungen besitzen eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit. Zum Beispiel beträgt die Wärmeleitfähigkeit
einer Klasse 1 Kupferlegierung gemäß der Resistance Welder Manufacturer's Association (RWMA)
bei Raumtemperatur etwa 367 W/m-°K.
Es wird eine Ambossplatte (oder eine andere geeignete Ambossstrukturform)
solch einer Legierung mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet, um Wärme von
der Rückseite
des vom Reibrühren
betroffenen Werkstückes zu
leiten. Der Amboss dient dazu, die Temperaturdifferenz zwischen
dem Metallblechwerkstück
und dem Amboss zu erhöhen.
Das dünne
Metallblechwerkstück
wird gekühlt
und der thermische und mechanische Verzug reduziert. In einer spezifischen
Anwendung können
die Größe und die
Form des Ambosskörpers
mit hoher Wärmeleitfähigkeit
aus Erfahrung oder während
des Experimentierens beim Hochfahren des Prozesses bestimmt werden,
um das/die Metallblechwerkstück/e
während
des Reibrührschweißens oder
einer anderen Reibrührbearbeitung
entsprechend zu kühlen.
Wenn der Amboss z. B. aus Kupferplatten gebildet ist, kann/können eine
oder mehrere eng sitzende Plattenlagen verwendet werden, um die
Wärmeableitung
von der Reibrührbearbeitungsstelle
anzupassen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann die Ambossstruktur selbst für das Temperaturmanagement
der Reibrührbearbeitungsstelle
in den Blechmaterialien gekühlt
werden. Zum Beispiel kann ein Hartstahl- oder Hartkupferambosskörper mit inneren
Durchgängen
zur Zirkulation von Kühlwasser,
strömender
Luft oder eines anderen Kühlfluids versehen
sein. Somit wird der Ambosskörper
gekühlt,
um so die Reibrührbearbeitungsstelle/n
der Metallblechwerkstücke
in einem Temperaturbereich zu halten, um die thermische und mechanische
Verformung der bearbeiteten Werkstücke zu reduzieren oder zu eliminieren.
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Bisher
wurde die Reibrührbearbeitung
durch Berücksichtigung
von Bearbeitungsparametern wie z. B. der Form des Reibrührwerkzeuges,
der Kraft des Werkzeuges auf dem Werkstück, der Laufgeschwindigkeit
und der Rate der Rotation des Werkzeuges gegen das Werkstück geregelt.
In Übereinstimmung
mit Ausführungsformen
dieser Erfindung ist ein zusätzliches
und sehr bedeutendes Prozesssteuerungsverfahren vorgesehen. Durch
Erhöhen und
Regeln der Ableitung von Wärme
von der Ambossseite des Reibrühraufbaues
kann die thermische und mechanische Verformung der Werkstücke, insbesondere
Metallblechwerkstücke,
reduziert oder eliminiert werden.
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Weitere
Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus einer weiteren Erläuterung
von bestimmten illustrativen detaillierten Ausführungsformen der Praxis der
Erfindung verständlich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein Schrägriss
im Querschnitt einer Reibrührbearbeitungsanordnung
von überlappenden Metallblechkanten,
in der die Metallblechlagen zwischen ein rotierendes Reibrührwerkzeug
und einen aus einer Anzahl von ausgewählten Kupferlegierungsplatten
mit hoher Wärmeleitfähigkeit
gebildeten Amboss für
eine geregelte Ableitung von Wärme
von der Reibrührbearbeitungsstelle
gepresst sind.
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2 ist
ein Schrägriss
im Querschnitt einer Reibrührbearbeitungsanordnung
von überlappenden Metallblechkanten,
in der die Metallblechlagen zwischen ein rotierendes Reibrührwerkzeug
und einen wassergekühlten
Kupferlegierungsamboss mit hoher Wärmeleitfähigkeit für eine geregelte Ableitung
von Wärme
von der Reibrührbearbeitungsstelle
gepresst sind.
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3 ist
ein Schrägriss
im Querschnitt einer Reibrührbearbeitungsanordnung
zum Bilden einer linearen Nahtschweißverbindung, um einen Saum zwischen
Kantenabschnitten von überlappenden Aluminiumlegierungsblechen
zu bilden. Solch eine Schweißverbindung
kann beim Fügen
innerer und äußerer Fahrzeughaubenblechen
gebildet werden.
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Beschreibung von bevorzugten
Ausführungsformen
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Blechverzug
während
des Reibrührschweißens und
einer anderen Reibrührbearbeitung
hat die Anwendung dieser Prozesse für dünne Bleche, z. B. Bleche mit
einer Dicke im Bereich von etwa einem halben Millimeter bis etwa
vier Millimeter, beschränkt. Oft
wird jede Blechlage etwa einen Millimeter dick sein. Blechverzug
kann örtlich
infolge plastischer Verformung unter dem Reibrührwerkzeug und im gesamten
Rohling verursacht durch ungleichmäßige Wärmeausdehnung (infolge ungleichmäßiger Temperaturverteilung)
des eingezwängten
Werkstückes auftreten.
Hartkupferambosse mit hoher Wärmeleitfähigkeit
und Zwischenplatten reduzieren die Spitzentemperatur in den Kontaktbereichen
des Werkstückes
und des Ambosses. Dies reduziert den plastischen Verzug der unteren
Fläche
des Werkstückes (insbesondere
dünner
Blechlegierungen in der Größenordnung
von einem Millimeter Dicke je Lage) und verbessert die Ästhetik
der unteren Fläche
der geschweißten
Anordnung. Eine bessere Wärmeableitung
erhält
nicht nur eine bessere Festigkeit des Werkstückes während des Schweißens sondern
verringert auch das Ausmaß der
Wärmeausdehnung und
Restspannungen in dem mechanisch eingezwängten Werkstück und damit
den daraus resultierenden Verzug.
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Diese
Erfindung betrifft die Reduktion der Blechverformung während der
Reibrührbearbeitung von
Metalllegierungsblechen wie z. B. der Bildung von linearen Reibrührschweißverbindungen
und Reibrührpunktschweißverbindungen
zwischen Lagen aus solchen Metallblechen. In einer Ausführungsform werden
Hartkupferlegierungsambosse- und -zwischenplatten bei der Reibrührbearbeitung
von Metalllegierungsblechen wie z. B. Aluminium- oder Magnesiumlegierungsblechen
verwendet. Die Ambosskörper
können
z. B. aus einer der für
Widerstandspunktschweißelektroden
verwendeten Kupferlegierungen (z. B. RWMA-Elektrodenlegierungen der
Klasse 1, Klasse 2 oder Klasse 3) gebildet sein. Als ein Beispiel ist
eine RWMA-Kupferlegierung der Klasse 1 (UNS C15000) eine Cu-Zr-Legierung,
die nominell 0,15 Gew.-% Zr enthält).
Diese Kupferlegierungen besitzen eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine gute Härte und
eine hohe Festigkeit. Wenn solch eine Legierung in einer geeigneten
Ambossform verwendet wird, führt
der Kontakt zwischen dem Amboss und dem Werkstück zu einem höheren Wärmegefälle über die Werkstückdicke
hinweg und einem besseren Wärmeentzug
aus dem Werkstück
als mit herkömmlichen Stahlambossen
erfahren wird. Dennoch stützen
diese Kupferlegierungsambosse die Schweiß- oder Bearbeitungslast geeigneter
Weise. Alternativ kann ein innerer Kühlfluidkanal in Stahlambossen
und Stahlzwischenplatten gebohrt oder sonst wie gebildet sein, um
eine ähnliche
Wärmetransportwirkung
zu erzielen. Innere Kühlfluidkanäle können auch
in Hartkupferlegierungsambossen und -zwischenplatten vorgesehen
sein, um deren Wärmeregelungswirkung weiter
zu verstärken.
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1 veranschaulicht
eine Ausführungsform
der Erfindung, in der eine lineare Nahtschweißverbindung zwischen überlappenden
Aluminiumlegierungsblechen mithilfe eines Reibrührschweißprozesses gebildet wird. Ein
erstes rechteckiges Aluminiumlegierungsblech 10 weist eine
Kante 12 auf, die über
einer überlappenden
Kante 14 eines zweiten rechteckigen Blechs 16 liegt.
Die Dicke der Bleche 10, 16 kann oft im Bereich
von etwa einem halben Millimeter bis etwa vier Millimeter liegen.
In diesem Beispiel sind die Bleche 10, 16 mit
derselben Dicke gezeigt und ihre Dicke ist etwas übertrieben,
um den Reibrührschweißprozess
zu veranschaulichen. Auch sind in diesem Beispiel die Kanten 12 und 14 parallel und
eine lineare Nahtschweißverbindung
soll in einer Linie allgemein parallel zu den Blechkanten 12, 14 und
zwischen diesen liegend gebildet werden. Es kann auch eine lineare
Nahtschweißverbindung
entlang der Kante 12 gebildet werden, welche die Bleche 10 und 16 fügt und die
Grenzfläche
zwischen den Blechen 10 und 16 an der Kante 12 abdichtet.
Die zu schweißenden
Abschnitte der überlappenden
Blechen 10, 16 sind auf einem Stapel aus drei
rechteckigen Kupferlegierungsambossplatten 18, 20, 22 angeordnet,
die in diesem Beispiel die gleiche Größe und Form aufweisen. Die
Anordnung von überlappenden Blechen 10, 16 ist
durch ein/e geeignete/s Spanneinrichtung oder Einspannmittel, nicht
gezeigt, für
die Reibrührbearbeitung
fixiert.
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In 1 erstrecken
sich die Ambossplatten 18, 20, 22 über die
Kanten 12, 14 der Bleche 10, 16 hinaus.
In diesem Beispiel wird ein Stapel von drei Ambossplatten 18, 20, 22 verwendet.
Es kann jedoch auch eine einzige Ambossplatte oder eine andere Anzahl
von Platten verwendet werden, um eine geeignete Wärmeabfuhr
von der Reibrührschweißstelle auf
den dünnen
Aluminiumblechen zu erhalten. Gelegentlich ist z. B. eine größere Ambossmasse
erwünscht,
wenn Reibrührbearbeitungsschritte
kontinuierlich und anhaltend sind und die Temperatur des Ambosses
ansteigen kann.
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Ein
Reibrührwerkzeug 24 mit
einem runden zylindrischen Werkzeugkörper 26 und einem
kegelstumpfförmigen
verjüngten
Endteilstück 28,
das eine zylindrische Sonde 30 trägt, wird bei der Herstellung einer
Nahtschweißverbindung
verwendet. Das Reibrührwerkzeug 24 ist
im Spannfutter einer mechanisierten Reibrührschweißmaschine, nicht gezeigt, erfasst,
die das Reibrührwerkzeug 24 um
eine Längsachse
an der Mitte des runden Werkzeugkörpers 26, des verjüngten Endteilstückes 28 und
der axialen Sonde 30 rotiert. Für dünnes Blechmaterial kann die axiale
Sonde 30 sehr kurz sein, etwa die Dicke des oberen Blechs,
in diesem Fall des Blechs 10, oder sogar entfernt sein.
Die Reibrührmaschine
positioniert das Reibrührwerkzeug 24 über die überlappenden
Bleche 10, 16, wobei die Sonde 30 fast
rechtwinklig an der oberen Fläche 32 des
oberen Blechs 10 geführt
wird. In diesem Beispiel rotiert die Reibrührmaschine das Reibrührwerkzeug 24,
wie durch den gekrümmten
Pfeil um den Umfang in 1 angegeben, und presst das
Ende der Sonde 30 gegen die Fläche 32 des Blechs 10,
wie durch den vertikalen Pfeil angegeben. Eine typische Schweißbedingung
für die
Anordnung in 1 eines einen Millimeter dicken
Aluminiumlegierungsblechs auf einem einen Millimeter dicken Aluminiumlegierungsblech
umfasst eine Rotationsgeschwindigkeit von 2000 U/min, eine Laufgeschwindigkeit
von 15 mm/s, eine Kraft von 5 kN und einen Schubwinkel von 2°.
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Wenn
die rotierende Sonde 30 des Reibrührwerkzeuges 24 in
das Blech 10 gepresst wird, erweicht sie das darunter liegende
und benachbarte Aluminiumlegierungsmaterial und dringt durch die
Dicke des Blechs 10 hindurch in das Blech 16 ein.
Bei der Bildung einer Nahtschweißverbindung, wie in 1 veranschaulicht,
wird das Reibrührwerkzeug 24 mit
der sich drehenden Sonde 30, die in das Werkstückmaterial
eindringt, auf einem linearen Weg allgemein parallel zu den Blechkanten 12, 14 bewegt, um
das durch das Reibrührwerkzeug 24 in
Eingriff gebrachte Metall fortschreitend zu erwärmen und zu erweichen. Wenn
das rotierende Reibrührwerkzeug 24 entlang
seines vorbestimmten Weges verschoben wird, kühlt das zurückgelassene erweichte Metall
ab und erstarrt wieder. Dieses wieder erstarrte Metall ist schematisch
bei 34 als eine teilweise gebildete Schweißverbindungsnaht
veranschaulicht. In diesem Beispiel dringt die Sonde 30 durch
die Dicke des oberen Blechs 10 hindurch und in das in etwa
das obere Viertel der Dicke des darunter liegenden Blechs 16 ein.
Nachdem das rotierende Reibrührwerkzeug 24 über die
gesamte Breite der überlappenden
Bleche 10, 16 hinweg bewegt wurde, erstreckt sich
die lineare Schweißverbindungsnaht 34 über die
Breite der Bleche 10, 16 hinweg.
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In
dieser Ausführungsform
ist ein Stapel von drei Kupferplatten 18, 20, 22 gewählt, um
ausreichend Wärme
aus dem vom Reibrühren
betroffenen Bereich der Anordnung von überlappenden Blechen zu entziehen.
Die Wärmeleitfähigkeit
und Masse der drei Platten (oder einer anderen Anzahl oder Größe von Platten)
wird experimentell oder durch andere analytische Mittel vorherbestimmt,
um das Reibrührschweißen der
Bleche 10, 16 mit minimalem/r Verzug oder Beschädigung der überlappenden
Blechanordnung zu erleichtern.
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In 2 wird
ein gleiches Reibrührwerkzeug 124 (mit
einem/r gleichen runden, zylindrischen Werkzeugkörper 126 und kegelstumpfförmigen verjüngten Endteilstück 128 und
axialen zylindrischen Sonde 130) auf eine gleiche Weise
verwendet, um eine gleiche lineare Nahtschweißverbindung 134 in gleichen überlappenden
Blechen 110, 116 zu bilden. Allerdings ist in
dieser Ausführungsform
der Hartkupferlegierungs (oder Stahllegierungs)-ambosskörper 118 flüssigkeitsgekühlt für eine anpassbare
Temperaturregelung in dem Reibrührschweißstellengebiet (bei
der Schweißverbindungsnaht 134 und
um diese herum). Der Amboss 118 weist z. B. einen oder
mehrere innere/n U-förmige/n
Kühlmittelströmungsdurchgang/gänge 136 zur
Temperatursteuerung des Ambosskörpers 118 auf.
Ein temperaturgesteuertes Fluid wie z. B. Wasser kann in einen gebohrten
Zweig 138 des U-förmigen
Durchganges 136 in dem Ambosskörper 118, durch einen
Rücklaufdurchgang 140 und
zurück
durch den anderen durch den Amboss 118 gebohrten parallelen
Kühlzweig 142 gepumpt werden.
Die Temperatur oder der Temperaturbereich der/des Kühlflüssigkeit
oder -gases kann bestimmt sein, um die zusammengesetzten Bleche 110, 116 in dem
Bereich der Nahtschweißverbindung 134 zu kühlen, um
einen Verzug in dem Blechmaterial der geschweißten Anordnung zu reduzieren
oder zu eliminieren.
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Die
Bildung von Nahtschweißverbindungen ist
in den 1 und 2 veranschaulicht. Eine Reibrührbearbeitungsmaschine
kann jedoch betrieben werden, um eine Punktschweißverbindung
oder eine Gruppe von Punktschweißverbindungen in überlappenden
Blechlagen zu bilden. Auch können
Reibrührbearbeitungsschritte
(wie jene, die in den 1 und 2 veranschaulicht
sind) für
einen einmaligen Prozess an zusammengesetzten Blechen eingerichtet
sein. Oder der Betrieb kann, wie es oft wahrscheinlicher ist, für eine Abfolge
von Punktschweißverbindungen
und Nahtschweißverbindungen,
die in einzelnen Blechanordnungen und/oder einer kontinuierlichen
Abfolge solcher Anordnungen gebildet sind, eingerichtet sein.
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3 veranschaulicht
die Verwendung einer Ambosskühlung
der bei der Herstellung einer Reibrührsaumschweißverbindung
zwischen zwei Metallblechwerkstücken
wie beim Fügen
von inneren und äußeren Fahrzeugblechen
kühlt.
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3 ist
eine schematische Veranschaulichung eines Abschnitts einer Aluminiumlegierungsblechtafel 210,
z. B. eines Fahrzeughaubenaußenblechs,
mit einem Umfangsabschnitt 210, der über eine Kante 214 eines
zweiten Aluminiumlegierungsblechs 216 (z. B. eines Fahrzeughaubeninnenblechs)
gefaltet ist. Eine Klebstofflage 218 wurde auf einen Abschnitt
der oberen Fläche
(wie in 3 positioniert) des Blechs 210 aufgebracht.
Die Klebstofflage 218 bindet einen Endabschnitt der oberen
Fläche
an einen Endabschnitt der unteren Fläche des eingeschlossenen Blechs 216 aufgebracht.
Der übergefaltete
Umfangsabschnitt 212 des Blechs 210 ist so gebogen,
dass er fest gegen die obere Fläche
des Blechs 216 presst. Die Klebstofflage 218 wird
eine Klebeverbindung zwischen zwei einander zugewandten Flächenabschnitten
der Bleche 210 und 216 bilden.
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Eine
Reibrührnahtschweißverbindung
soll zwischen der Umfangskante 220 des Blechs 210 und einem
darunter liegenden Abschnitt des Blechs 216 gebildet werden.
Eine Anordnung von Blechen 210 und 216 ist auf
dem Amboss 222 zu dem Zweck angeordnet und fixiert, um
eine Nahtschweißverbindung
zu bilden. Der Amboss 222 ist aus einer Kupferlegierung
mit hoher Leitfähigkeit
gebildet, die eine Kontaktoberfläche
mit der Unterseite des Blechs 210 und eine Dicke und Masse
zur Wärmeableitung
von den gesäumten
Blechen 210, 216 und der dazwischen liegenden
Klebstofflage 218 während
des Reibrührschweißschrittes
aufweist.
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Ein
Reibrührwerkzeug 224 mit
einem runden zylindrischen Werkzeugkörper 226 und einem
kegelstumpfförmigen
verjüngten
Endteilstück 228,
das eine zylindrische Sonde 230 trägt, wird bei der Herstellung
einer Nahtschweißverbindung
verwendet. Das Reibrührwerkzeug 224 ist
im Spannfutter einer mechanisierten Reibrührschweißmaschine, nicht gezeigt, erfasst,
die das Reibrührwerkzeug 224 um
eine Längsachse
an der Mitte des runden Werkzeugkörpers 226, des verjüngten Endteilstückes 228 und
der axialen Sonde 230 rotiert. Die Reibrührmaschine
positioniert das Reibrührwerkzeug 224 über die überlappenden
Bleche 210, 216, wobei die Sonde 230 unter
einem vorbestimmten Winkel an der Kante 220 des Blechs 210 und
der darunter liegenden oberen Fläche
des oberen Blechs 216 geführt wird. In diesem Beispiel
soll die Nahtschweißverbindung
durch fortschreitendes Erweichen eines Abschnitts des Kanten 220 -materials
des Aluminiumlegierungsblechs 210 und des unmittelbar darunter
liegenden Materials des Blechs 216 gebildet werden. Die
Reibrührmaschine
rotiert das Reibrührwerkzeug 224, wie
durch den gekrümmten
Pfeil um den Umfang in 3 angegeben, und presst das
Ende der Sonde 230 gegen das Kanten 220 -material
des Blechs 210 und in das Blech 216, wie durch
den vertikalen Pfeil angegeben. Eine typische Schweißbedingung
für die Anordnung
in 3 eines einen Millimeter dicken Aluminiumlegierungsblechs
auf einem einen Millimeter dicken Aluminiumlegierungsblech umfasst
eine Rotationsgeschwindigkeit von 2000 U/min, eine Laufgeschwindigkeit
von 15 mm/s, eine Kraft von 5 kN, einen Arbeitswinkel von 3° und einen
Schubwinkel von 3°.
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Wenn
die rotierende Sonde 230 des Reibrührwerkzeuges 224 in
die Kante 220 und das darunter liegende Blech 216 gepresst
wird, erweicht sie das darunter liegende und benachbarte Aluminiumlegierungsmaterial
und dringt durch die Dicke des Kantenmaterials des Blechs 210 hindurch
in das Blech 216 ein. Bei der Bildung einer Nahtschweißverbindung,
wie in 3 veranschaulicht, wird das Reibrührwerkzeug 224 mit
der sich drehenden Sonde 230, die in das Werkstückmaterial
eindringt, auf einem linearen Weg entlang der Blechkante 220 bewegt,
um das durch das Reibrührwerkzeug 224 in Eingriff
gebrachte Metall fortschreitend zu erwärmen und zu erweichen. Wenn
das rotierende Reibrührwerkzeug 224 entlang
seines vorbestimmten Weges verschoben wird, kühlt das zurückgelassene erweichte Metall
ab und erstarrt wieder. Dieses wieder erstarrte Metall ist schematisch
bei 234 als eine teilweise gebildete Schweißverbindungsnaht
veranschaulicht. In diesem Beispiel dringt die Sonde 230 durch
die Kantendicke des Blechs 210 hindurch und in etwa in
das obere Viertel der Dicke des darunter liegenden Blechs 216 ein.
Nachdem das rotierende Reibrührwerkzeug 224 über die
gesamte Breite der überlappenden
Bleche 210, 216 hinweg bewegt wurde, erstreckt
sich die lineare Schweißverbindungsnaht 234 über die
Breite der kantengesäumten
Bleche hinweg. Wenngleich in 3 das Reibrührschweißen entlang
der Kante 220 erfolgt, kann als eine alternative Ausführungsform
eine Reibrührschweißverbindung
ungefähr
parallel zu und zwischen der Kante 220 und der Kante 221 hergestellt werden.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform wird kein Klebstoff
verwendet und die Reibrührschweißnaht dringt
durch zwei Metallblechlagen hindurch in die dritte Lage ein.
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In
diesem Beispiel muss der Amboss 222 eine geeignete Wärmeleitfähigkeit
bereitstellen und dimensioniert und geformt sein, um einen geeigneten Wärmetransport
von der Nahtschweißverbindungsstelle 234 zwischen
den Aluminiumblechen 210 und 216 bereitzustellen,
was auch eine dünne
Lage aus einer ein organisches Polymer enthaltenden Klebstoffzusammensetzung 218 mit
geringer Wärmeleitfähigkeit
umfasst. Der Kontakt von Fläche
zu Fläche zwischen
dem Amboss 222 und der Unterseite des Blechs 210 muss
solch einen Wärmetransport über die
Grenzfläche
zwischen den Kontaktflächen
hinweg berücksichtigen.
Die Temperatur in der durch Reibrühren erweichten Zone kann Temperaturen
von etwa 450°C
bis etwa 470°C
erreichen. Wenn die Aluminiumbleche 210, 216 aus
einer AA6016 Aluminiumlegierung mit einer Dicke von etwa einem Millimeter
gebildet sind, wird bevorzugt, dass der Amboss 222 adaptiert
ist, um die obere Fläche
des unteren Abschnitts des Blechs 210 bei einer Temperatur
unter etwa 300°C
zu halten. Auch kann die Unterseite des Blechs 210 die
sichtbare Fläche
des Fahrzeughaubenaußenblechs
sein und der Eingriff des Ambosses 222 mit dem Blech 210 darf
die Oberflächengüte des Blechs 210 nicht
beschädigen.
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Somit
stellt die Verbesserung der Wärmeleitung
zwischen einem Reibrührprozessamboss
und (einem) in Eingriff stehenden Werkstück/en eine neue und unabhängige Möglichkeit
bereit, die Temperatur der bearbeiteten Zone abgesehen von der Reibrührwerkzeug-Rotationsrate
und -Laufgeschwindigkeit zu steuern. Solche Ambosse mit hoher Leitfähigkeit
vergrößern das
Fenster von Prozessparametern. Dies kann ein sehr wichtiges Werkzeug darstellen,
um eine übermäßige Wärmeentwicklung bei
der Reibrührbearbeitung,
insbesondere beim Reibrührschweißen, von
bestimmten Metallblechwerkstücken
einzuschränken
und die Schweißverbindung realisierbar
machen. Die Verbesserung der Wärmeleitung
zwischen Amboss und Werkstück
wird auch die Anwendung der Reibrührbearbeitung auf dünnen Blechen
für Anwendungen
möglich
machen, bei denen die Oberflächenebenheit
von Bedeutung ist. Sie kann auch das Schweißen von verschiedenartigen Materialien
(z. B. Aluminium an Magnesium) realisierbar zu machen, wo das beginnende
Schmelzen der begrenzende Faktor ist. Sie wird auch eine höhere Rotationsrate
und eine schnellere Laufgeschwindigkeit und damit eine kürzere Produktionszeit
für die Reibrührbearbeitung,
insbesondere das Schweißen, von
Materialien zulassen, für
die der Prozess durch übermäßige Wärmeentwicklung
während
des Prozesses eingeschränkt
ist.
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In
einigen Fällen
darf eine ursprünglich
glatte Fläche
eines Blechmetallteils nach der Reibrührbearbeitung nicht verzogen
oder beschädigt
sein, um das optische Erscheinungsbild eines Produkts zu erhalten.
Dies ist der Fall bei der äußeren und
sichtbaren Fläche
einer Haube oder Tür
eines Kraftfahrzeuges. Zusätzlich
zu der Verwendung des obigen Wärmeentzugverfahrens
und des Steuerns der Schweißparameter
muss die Oberflächenrauigkeit
des Ambosses geringer als die oder vergleichbar mit der Oberflächenrauigkeit
des Metallblechs sein. Es wurde z. B. festgestellt, dass eine Amboss-Oberflächenrauigkeit (Ra)
von weniger als 1,0 μm
in der ist, ein Oberflächenfinish
der Klasse A nach dem Lackieren eines blanken Aluminiumblechs mit
einer Ra von 0,46 μm beizubehalten.
Man nimmt an, dass eine Amboss-Oberflächenrauigkeit bis zu etwa 1,5 μm verwendet
werden kann, um ein Oberflächenfinish
der Klasse A nach dem Lackieren der durch den Amboss kontaktierten
Blechfläche
beizubehalten.
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Die
Methoden der Erfindung wurden mithilfe spezifischer illustrativer
Ausführungsformen
beschrieben, wobei die Erfindung jedoch nicht auf den Inhalt dieser
Veranschaulichungen beschränkt
ist.
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Zusammenfassung
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Es
kann örtliche
Wärme durch
Flächen
von Metallblechwerkstücken
erzeugt werden, indem das/die Werkstück/e auf einem Amboss mit einer
harten Oberfläche
gestützt
wird/werden und die gegenüberliegende
Fläche
des Werkstückes
mit einem rotierenden und sich optional verschiebenden Reibrührwerkzeug,
das gegen die Arbeitsfläche
gepresst wird, in Eingriff gebracht wird. Es werden Vorteile bei der
Reibrührbearbeitung
(z. B. Naht- oder
Punktschweißen)
solcher Metallblechwerkstücke
realisiert, indem ein Amboss mit einer beträchtlichen Wärmeleitfähigkeit oder ein flüssigkeitsgekühlter Ambosskörper verwendet
wird, um die Stelle/n des mit dem Reibrührwerkzeug in Eingriff stehenden
Werkstückes entsprechend
zu kühlen,
um einen Verzug des Werkstückes
zu minimieren oder zu eliminieren.
