DE112015000397B4 - Verfahren zum Fügen eines Metallelements mit einem Harzelement - Google Patents

Verfahren zum Fügen eines Metallelements mit einem Harzelement Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Fügen eines Metallelements (11) mit einem Harzelement (12) durch Rührreibschweißen, wobei das Verfahren umfasst:einen ersten Schrittdes Stapelns des Metall- und des Harzelements (11, 12) aufeinander undeinen zweiten Schrittdes Fügens des Metallelements (11) mit dem Harzelement (12) durch Pressen eines rotierenden Drehwerkzeugs (16) in das Metallelement (11), um Reibungswärme zu erzeugen,des Erweichens und Schmelzens des Harzelements (12) mit der Reibungswärme durch lokales Ausüben von Wärme und Druck an dem Metallelement (11) mittels des Drehwerkzeugs (16) und dann des Verfestigens des Harzelements (12), wobeidas Drehwerkzeug (16) umfasst:einen Schulterabschnitt (16b), umfassend eine kreisförmgie Endlfäche des Drehwerkzeugs (16), undeinen säulenförmigen Zapfenabschnitt (16a), der über die kreisförmige Endfläche des Drehwerkzeugs (16) hinausragt undeinen kleineren Durchmesser als der Schiuterabschnitt (16b) aufweist, und wobeider zweite Schritt umfasst:einen Pressrührschritt,bei dem das Drehwerkzeug (16) in das Metallelement (11) gepresst wird, so dass der Schulterabschnitt (16b) des Drehwerkzeugs (16) eine geringere Tiefe als eine Fügegrenze (13) zwischen dem Metall- und dem Harzelement (11, 12) erreicht, um einen Abschnitt (110) des Metallelements (11) direkt unter dem Schulterabschnitt (16b) und dem Zapfenabschnitt (16a) zu verformen, so dass der Abschnitt (110) hin zum Harzelement (12) ragt, undder ein Fließen des an der Oberfläche des Harzelements (121) im Bereich (60) der Fügegrenzfläche (13) geschmolzenen Harzes direkt unter dem Schulterabschnitt (16b) und dem Zapfenabschnitt (16a) zu dessen Außenumfang (61) erlaubt, undvor dem Pressrührschritt einen Vorwärmschritt mit Drehen des Drehwerkzeugs (16), wobei nur sein Zapfenabschnitt (16a) in das Metallelement (11) gepresst ist und der Schulterabschnitt (16b) eine Oberfläche des Metallelements (11) berührt, wobeibei dem Vorwärmschritt das Drehwerkzeug (16) bei einem ersten Druck angepresst wird und eine erste Anpresszeit lang dreht undbei dem Pressrührschritt das Drehwerkzeug (16) bei einem zweiten Druck, der höher als der erste Druck ist, angepresst wird und eine zweite Anpresszeit lang, die kürzer als die erste Anpresszeit ist, dreht.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Fügen eines Metallelements mit einem Harzelement sowie einen zusammengefügten Körper aus dem Metall- und dem Harzelement, die durch das Verfahren zusammengefügt sind.
  • Technischer Hintergrund
  • Üblicherweise wird zum Beispiel in den Gebieten der Fahrzeuge, Schienenfahrzeuge und Luftfahrzeuge leichtes Gewicht gefordert. In dem Gebiet der Fahrzeuge zum Beispiel werden die Dicken von Stahlblechen durch Nutzen von hochfestem Stahl verringert. Anstelle von Stahlmaterialien werden Aluminiumlegierungen verwendet. Weiterhin werden auch Harzmaterialien eingesetzt. In diesen Gebieten ist die Entwicklung bei der Technik des Fügens eines Metallelements mit einem Harzelement im Hinblick nicht nur auf leichtes Gewicht einer Fahrzeugkarosserie, sondern auch auf höhere Festigkeit, Steifigkeit und Produktivität eines zusammengefügten Körpers wichtig.
  • Als Verfahren zum Fügen eines Metallelements mit einem Harzelement ist ein als Rührreibschweißen (FSW, kurz vom engl. Friction Stir Welding) bezeichnetes Verfahren bekannt. Das Rührreibschweißen ist wie in 7 gezeigt wie folgt. Ein Metallelement 211 und ein Harzelement 212 werden aufeinander gestapelt. Ein rotierendes Drehwerkzeug 216 wird in das Metallelement 211 gepresst, um Reibungswärme zu erzeugen, die das Harzelement 212 schmelzt. Das Harzelement 212 verfestigt sich dann, um mit dem Metallelement 211 zusammengefügt zu werden. In 7 wird fortlaufendes Schweißen durchgeführt, während das Drehwerkzeug 216 bewegt wird. Es kann aber Punktschweißen durchgeführt werden, ohne dass das Drehwerkzeug 216 bewegt wird.
  • Bei einem solchen Rührreibschweißen wird im Hinblick auf die Fügefestigkeit und einfaches Fügen eine Technik zum Ermitteln der Form eines Drehwerkzeugs oder zum Festlegen des Anpressbetrags innerhalb eines festgelegten Bereichs vorgeschlagen (z.B. JP 2010 - 158 885 A ).
  • DE 10 2009 018 151 A1 offenbart ein Verfahren zum Verbinden eines Metallkörpers mit einem Kunststoffkörper in Überlappung, wobei durch Führen eines Schweißstiftes über den Metallkörper der Kunststoffkörper bereichsweise plastifiziert wird und sich unter Adhäsionswirkung mit dem Metallkörper verbindet.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Beim herkömmlichen Rührreibschweißen ist die Anpresskraft des Drehwerkzeugs 216 auf dem Metallelement 211 jedoch relativ klein. Wie in 8A und 8B gezeigt ist somit der Anpressbetrag ebenfalls relativ klein. Dadurch wird die Reibungswärme ungenügend zu dem Harzelement 212 geleitet, so dass das Harzelement 212 ineffizient geschmolzen wird. Dies bewirkt eine Verschlechterung der Arbeitseffizienz, die zum Erhalten von ausreichender Fügefestigkeit erforderlich ist. Selbst wenn im Einzelnen ein Bereich 260 des Harzelements 212, der sich direkt unter einem Anpresselement 216 befindet, an einer Fügegrenzfläche 213 zwischen dem Metall- und dem Harzelement 211 und 212 geschmolzen wird, wird ein Außenumfang 261 kaum geschmolzen und das geschmolzene Harz fließt kaum in den Außenumfang 261. Selbst wenn der Außenumfang 261 geschmolzen wird, ist die Menge zu klein, um eine ausreichende Fügefestigkeit zu erhalten. Zum Erhalten einer ausreichenden Fügefestigkeit wird eine längere Anpresszeit in Betracht gezogen, was die Arbeitseffizienz beim Schweißen mindert. Andererseits wird eine größere Anpresskraft ebenfalls in Betracht gezogen, die bewirken kann, dass das Drehwerkzeug das Metall- und das Harzelement 211 und 212 frühzeitig durchsetzt, was Schweißen behindert.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, ein Verfahren zum Fügen eines Metallelements mit einem Harzelement mit ausreichend hoher Arbeitseffizienz und ausreichender Festigkeit sowie einen durch das Verfahren zusammengefügten Körper aus Metall- und Harzelement vorzusehen.
    Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
  • Lösung des Problems
  • Ein Verfahren zum Fügen eines Metallelements mit einem Harzelement kann beispielsweise einen Anpressschritt umfassen und thermisches Druckfügen sein. Bei dem Schritt des Anpressens werden das Metall- und das Harzelement aufeinander gestapelt, ein Anpresselement legt an dem Metallelement lokal Wärme und Druck an, um das Harzelement zu erweichen und zu schmelzen, dann wird das Harzelement verfestigt, das Anpresselement wird auf eine geringere Tiefe als eine Fügegrenzfläche zwischen dem Metall- und dem Harzelement in das Metallelement gepresst, um einen Abschnitt des Metallelements direkt unter dem Anpresselement zu verformen, so dass der Abschnitt hin zu dem Harzelement ragt, und auf einer Oberfläche des Harzelements in einem Bereich der Fügegrenzfläche direkt unter dem Anpresselement geschmolzenes Harz fließt zu einem Außenumfang des Bereichs.
  • Die vorliegende Offenbarung sieht erfindungsgemäß ein Rührreibschweißen vor, welches einen ersten Schritt des Stapelns des Metall- und des Harzelements aufeinander und einen zweiten Schritt des Fügens des Metallelements mit dem Harzelement durch Pressen eines Drehwerkzeugs in das Metallelement, um Reibungswärme zu erzeugen, des Erweichens und des Schmelzens des Harzelements mit Reibungswärme und dann des Verfestigens des Harzelements umfasst. Der zweite Schritt umfasst einen Pressrührschritt. Bei dem Pressrührschritt wird das Drehwerkzeug auf die Tiefe, die geringer als die Fügegrenzfläche zwischen dem Metall- und dem Harzelement ist, in das Metallelement gepresst, um einen Abschnitt des Metallelements direkt unter dem Drehwerkzeug zu verformen, so dass der Abschnitt hin zu dem Harzelement ragt, und an einer Oberfläche des Harzelements in einem Bereich der Fügegrenzfläche direkt unter dem Drehwerkzeug geschmolzenes Harz fließt zu einem Außenumfang des Bereichs.
  • Die vorliegende Offenbarung kann beispielsweise auch für einen zusammengefügten Metall-Harz-Körper aus Metall- und Harzelement vorgesehen werden, der durch eines der vorstehend beschriebenen Verfahren erhalten wird.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das Fügeverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung fügt mit ausreichend hoher Arbeitseffizienz und ausreichender Festigkeit ein Harzelement mit einem Metallelement.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt schematisch einen Teil einer beispielhaften Rührreibschweißvorrichtung, die für ein Verfahren zum Fügen eines Metallelements mit einem Harzelement geeignet ist.
    • 2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Endes eines beispielhaften Drehwerkzeugs, das bei dem Fügeverfahren einer Ausführungsform verwendet wird.
    • 3 ist eine allgemeine Querschnittansicht, die einen Vorwärmschritt bei dem Fügeverfahren der Ausführungsform zeigt.
    • 4A ist eine allgemeine Querschnittansicht, die einen Pressrührschritt, einen Schritt des fortlaufenden Rührens und einen Halteschritt bei dem Fügeverfahren der Ausführungsform zeigt.
    • 4B ist eine allgemeine schematische Ansicht, die den Zustand der Oberfläche des Harzelements von 4A von oben durch das Metallelement gesehen zeigt.
    • 5A ist eine allgemeine Querschnittansicht eines zusammengefügten Körpers, der durch das Fügeverfahren nach dieser Ausführungsform erhalten wird. 5B ist eine allgemeine schematische Ansicht, die den Zustand der Oberfläche des Harzelements nach dem gewaltsamen Abziehen des Metallelements von dem zusammengefügten Körper von 5A zeigt.
    • 6 zeigt im Allgemeinen die Messung der Fügefestigkeit in der Ausführungsform.
    • 7 ist ein allgemeines Schaubild, das ein Verfahren zum Fügen eines Metallelements mit einem Harzelement gemäß dem Stand der Technik zeigt.
    • 8A ist eine allgemeine Querschnittansicht, die ein Verfahren zum Fügen eines Metallelements mit einem Harzelement gemäß dem Stand der Technik zeigt. 8B ist eine allgemeine schematische Ansicht, die den Zustand der Oberfläche des Harzelements von 8A von oben durch das Metallelement gesehen zeigt.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Ausführungsform
  • Das Fügeverfahren gemäß einer Ausführungsform ist ein thermisches Druckfügen zum Fügen eines Metallelements mit einem Harzelement. Das Metall- und das Harzelement werden aufeinander gestapelt. Ein Anpresselement übt an dem Metallelement lokal Wärme und Druck aus, um das Harzelement zu erweichen und zu schmelzen. Dann wird das Harzelement fest. Die Art des Fügens, die beim Fügeverfahren genutzt wird, ist nicht beschränkt, solange das Anpresselement lokal Wärme und Druck auf das Metallelement ausübt. Zum Beispiel kann es ein Rührreibschweißen und Ultraschall-Wärmebonden sein. Das Rührreibschweißen wird bevorzugt genutzt.
  • Wie später beschrieben wird, ist das Rührreibschweißen ein Fügeverfahren, das Reibungswärme nutzt, die durch Pressen eines rotierenden Drehwerkzeugs in ein Metallelement erzeugt wird.
  • Das Ultraschall-Wärmebonden ist ein Fügeverfahren, das Reibungswärme zwischen Metall- und Harzelementen nutzt, die durch in dem Metallelement durch Ausüben von Druck auf das Metallelement erzeugte Ultraschallschwingungen hervorgerufen wird.
  • Das Fügeverfahren dieser Ausführungsform, das das Rührreibschweißen nutzt, wird nachstehend unter Verweis auf die Zeichnungen beschrieben. Das Ultraschall-Wärmebonden ist mit Ausnahme des Folgenden gleich oder ähnlich dem Rührreibschweißen. Das Ultraschall-Wärmebonden sieht eindeutig die gleichen Vorteile wie das Rührreibschweißen dieser Ausführungsform vor.
    • - Statt des Ausübens von Druck und Wärme mithilfe eines Drehwerkzeugs wird Druck unter Verwenden eines Anpresselements ausgeübt und Wärme durch Vibrieren des Anpresselements angelegt.
    • - Statt des Durchmessers des Drehwerkzeugs wird die Breite des Anpresselements genutzt.
  • [Rührreibschweißen zum Fügen eines Metallelements mit einem Harzelement]
  • Das Fügeverfahren (d.h. das Rührreibschweißen) dieser Ausführungsform wird unter Verweis auf 1-5B näher beschrieben. 1 zeigt schematisch einen Teil einer beispielhaften Rührreibschweißvorrichtung, die für das Verfahren zum Fügen eines Metallelements mit einem Harzelement gemäß dieser Ausführungsform geeignet ist. 2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Endes eines beispielhaften Drehwerkzeugs, das bei dem Fügeverfahren gemäß einer Ausführungsform verwendet wird. 3 ist eine allgemeine Querschnittansicht, die einen Vorwärmschritt bei dem Fügeverfahren dieser Ausführungsform zeigt. 4A ist eine allgemeine Querschnittansicht, die einen Pressrührschritt, einen Schritt des fortlaufenden Rührens und einen Halteschritt bei dem Fügeverfahren dieser Ausführungsform zeigt. 4B ist eine allgemeine schematische Ansicht, die den Zustand der Oberfläche des Harzelements von 4A von oben durch das Metallelement gesehen zeigt. 5A ist eine allgemeine Querschnittansicht eines zusammengefügten Körpers, der durch das Fügeverfahren nach dieser Ausführungsform erhalten wird. 5B ist eine allgemeine schematische Ansicht, die den Zustand der Oberfläche des Harzelements nach dem gewaltsamen Abziehen des Metallelements von dem zusammengefügten Körper von 5A zeigt. In diesen Zeichnungen werden die gleichen Bezugszeichen zum Darstellen äquivalenter Elemente verwendet.
  • Fügevorrichtung
  • Zunächst zeigt 1 schematisch einen Teil der beispielhaften Rührreibschweißvorrichtung, die für das Fügeverfahren gemäß dieser Ausführungsform geeignet ist. Eine in 1 gezeigte Rührreibschweißvorrichtung 1 fügt durch Rührreibschweißen ein Metallelement 11 mit einem Harzelement 12 und ist mit einem säulenförmigen Drehwerkzeug 16 versehen. Wie in der Figur gezeigt ist, wird das Drehwerkzeug 16 von einer (nicht gezeigten) Antriebsquelle um die Mittelachse X (siehe 2) des Drehwerkzeugs 16 in Richtung eines Pfeils A1 gedreht. Das rotierende Drehwerkzeug 16 presst einen angepressten Bereich P (d.h. einen anzupressenden Bereich) des Metallelements 11 eines Werkstücks 10 wie durch einen Pfeil A2 angedeutet nach unten. Das Werkstück 10 wird durch Stapeln des Metallelements 11 auf dem Harzelement 12 gebildet. Dieses Pressen des Drehwerkzeugs 16 erzeugt Reibungswärme, die zu dem Harzelement 12 geleitet wird, um das Harzelement 12 zu erweichen und zu schmelzen. Dann wird das Harzelement 12 durch Abkühlen verfestigt. Dadurch wird das Metallelement 11 mit dem Harzelement 12 zusammengefügt.
  • 2 ist eine vergrößerte Ansicht des Endes des Drehwerkzeugs 16. In 2 zeigt die rechte Hälfte das äußere Erscheinungsbild des Drehwerkzeugs 16 und die linke Hälfte zeigt den Querschnitt. Wie in 2 gezeigt umfasst das säulenförmige Drehwerkzeug 16 am Ende einen Zapfenabschnitt 16a und einen Schulterabschnitt 16b (unten in 2). Der Schulterabschnitt 16b ist der Endabschnitt des Drehwerkzeugs 16, der eine kreisförmige Endfläche des Drehwerkzeugs 16 umfasst. Der Zapfenabschnitt 16a ist ein säulenförmiger Abschnitt, der über die kreisförmige Endfläche des Drehwerkzeugs 16 hinaus entlang der Mittelachse X des Drehwerkzeugs 16 nach außen (in 2 nach unten) ragt und einen kleineren Durchmesser als der Schulterabschnitt 16b aufweist. Der Zapfenabschnitt 16a dient zum Positionieren des Drehwerkzeugs 16, wenn das rotierende Drehwerkzeug 16 erstmals das Werkstück 10 berührt und anpresst.
  • Das Material des Drehwerkzeugs 16 und die Größen der Abschnitte werden hauptsächlich beruhend auf der Art des Metalls ermittelt, das für das Metallelement 11 verwendet wird, das von dem Drehwerkzeug 16 gepresst wird. Wenn zum Beispiel das Metallelement 11 aus einer Aluminiumlegierung besteht, das Drehwerkzeug 16 aus Werkzeugstahl (z.B. SKD61) besteht, weist der Schulterabschnitt 16b einen Durchmesser D1 von 10 mm, der Zapfenabschnitt 16a einen Durchmesser D2 von 2 mm und der Vorsprung des Zapfenabschnitts 16a eine Länge h von 0,5 mm auf. Wenn zum Beispiel das Metallelement 11 aus Stahl besteht, das Drehwerkzeug 16 aus Siliziumnitrid oder polykristallinem kubischen Bornitrid (PCBN) besteht, weist der Schulterabschnitt 16b einen Durchmesser D1 von 10 mm, der Zapfenabschnitt 16a einen Durchmesser D2 von 3 mm auf und der Vorsprung des Zapfenabschnitts 16a eine Länge h von 0,5 mm auf. Diese Werte sind tatsächlich lediglich Beispiele und die vorliegende Offenbarung ist eindeutig nicht darauf beschränkt. Auch wenn der Schulterabschnitt 16b zum Beispiel für gewöhnlich einen Durchmesser D1 von 5-30 mm, bevorzugt 5 bis 15 mm, aufweist, ist die vorliegenden Offenbarung nicht darauf beschränkt.
  • Unterhalb des Drehwerkzeugs 16 befindet sich koaxial mit dem Drehwerkzeug 16 ein säulenförmiges Aufnahmewerkzeug 17. Das Aufnahmewerkzeug 17 weist einen Durchmesser auf, der größer oder gleich dem des Drehwerkzeugs 16 ist. Das Aufnahmewerkzeug 17 wird von der (nicht gezeigten) Antriebsquelle nach oben hin zu dem Werkstück 10 bewegt, wie durch einen Pfeil A3 angedeutet ist. Die Oberseite des Aufnahmewerkzeugs 17 berührt die Unterseite des Werkstücks 10 (genauer gesagt die Unterseite des Harzelements 12) spätestens bis das Drehwerkzeug 16 mit dem Pressen gegen das Werkstück 10 beginnt. Das Aufnahmewerkzeug 17 schließt das Werkstück 10 zusammen mit dem Drehwerkzeug 16 sandwichartig ein und lagert das Werkstück 10 von der Unterseite gegen den Druck, während das Werkstück 10 von dem Drehwerkzeug 16 angepresst wird, d.h. während des Rührreibschweißens. Das Aufnahmewerkzeug 17 bewegt sich nicht notwendigerweise in der Richtung des Pfeils A3, das Drehwerkzeug 16 kann sich nach Platzieren des Werkstücks 10 auf dem Aufnahmewerkzeug 17 zu der Richtung des Pfeils A2 bewegen.
  • Die Rührreibschweißvorrichtung 1 ist an einer nicht gezeigten Antriebssteuervorrichtung, etwa einem Knickarm-Roboter, montiert. Die Antriebssteuervorrichtung steuert die Koordinatenpositionen des Drehwerkzeugs 16 und des Aufnahmewerkzeugs 17 sowie die Drehzahl (U/min), den Druck (N), die Anpresszeit (s) des Drehwerkzeugs 16 ordnungsgemäß. Auch wenn dies in 1 nicht gezeigt ist, umfasst die Rührreibschweißvorrichtung 1 Halterungen wie etwa Abstandshalter und Zwingen, um das Werkstück 10 vorab zu fixieren und ein Gleiten des Metallelements 11 zu reduzieren, wenn das Drehwerkzeug 16 in das Metallelement 11 gepresst wird.
  • Fügeverfahren
  • Das Fügeverfahren gemäß dieser Ausführungsform umfasst mindestens die folgenden Schritte: einen ersten Schritt des Stapelns des Metall- und des Harzelements 11 und 12 aufeinander; und einen zweiten Schritt des Fügens des Metallelements 11 mit dem Harzelement 12 durch Pressen des rotierenden Drehwerkzeugs 16 in das Metallelement 11, um Reibungswärme zu erzeugen, des Erweichens und Schmelzens des Harzelements 12 mit dieser Reibungswärme und dann des Verfestigens des Harzelements 12.
  • Der in dem ersten Schritt erhaltene Stapel aus dem Metall- und dem Harzelement 11 und 12 wird als Werkstück 10 bezeichnet.
  • Erster Schritt
  • In dem ersten Schritt werden wie in 1 gezeigt das Metall- und das Harzelement 11 und 12 an einer Sollfügestelle aufeinander gestapelt.
  • Zweiter Schritt
  • Der zweite Schritt umfasst mindestens einen Pressrührschritt C2, bei dem das Drehwerkzeug 16 auf eine geringere Tiefe als eine Fügegrenzfläche 13 zwischen dem Metall- und dem Harzelement 11 und 12 in das Metallelement 11 gepresst wird, um einen Abschnitt 110 des Metallelements 11 direkt unter dem Drehwerkzeug zu verformen, so dass der Abschnitt 110 hin zu dem Harzelement ragt.
  • In dieser Ausführungsform wird in dem zweiten Schritt ein Vorwärmschritt C1 bevorzugt vor dem Pressrührschritt durchgeführt, um das Drehwerkzeug 16 zu drehen, während nur sein Ende die Oberfläche des Metallelements 11 berührt. Der Vorwärmschritt C1 wird jedoch nicht unbedingt durchgeführt.
  • Nach dem Pressrührschritt wird bevorzugt ein fortlaufender Rührschritt C3 durchgeführt, um die Drehung des Drehwerkzeugs 16 bei der Tiefe, die geringer als die Fügegrenzfläche ist, fortzusetzen. Der fortlaufende Rührschritt C3 wird jedoch nicht unbedingt durchgeführt.
  • Nun werden die jeweiligen Schritte näher beschrieben.
  • Vorwärmschritt C1
  • Bei dem Vorwärmschritt C1 kommen sich das Drehwerkzeug 16 und das Aufnahmewerkzeug 17 nahe und das Drehwerkzeug 16 dreht wie in 3 gezeigt, während nur sein Ende die Oberfläche (in der Figur die obere Oberfläche) des Metallelements 11 berührt. Bei dem Vorwärmschritt C1 dreht das Drehwerkzeug 16 eine erste Anpresszeit lang (z.B. 1,00 s) bei einem ersten Druck (z.B. 900 N) bei einer vorbestimmten Drehzahl (z.B. 3000 U/min).
  • Bei dem Vorwärmschritt C1 erzeugt das Anpressen des Drehwerkzeugs 16 im Einzelnen Reibungswärme an der Oberfläche (in der Figur der oberen Oberfläche) des Metallelements 11. Diese Reibungswärme wird in das Metallelement 11 geleitet, um den angepressten Bereich P des Metallelements 11 und seinen Umfang vorzuwärmen. Dies erleichtert im nächsten Pressrührschritt C2 das Pressen des Drehwerkzeugs 16 in das Metallelement 11.
  • Bei dem Vorwärmschritt C1 wird die Reibungswärme mittels der Fügegrenzfläche 13 zwischen dem Metall- und dem Harzelement 11 und 12 zu dem Harzelement 12 geleitet. Die Reibungswärme wird in das Harzelement 12 geleitet, um den Bereich 60 des Harzelements 12 direkt unter dem angepressten Bereich P und dem Umfang des Bereichs 60 vorzuwärmen. Dies erleichtert das Erweichen und Schmelzen des Harzelements 12 in dem nächsten Pressrührschritt C2.
  • Bei dem Vorwärmschritt C1 werden im Hinblick auf ein einfaches Anpressen des Drehwerkzeugs 16 und einfaches Erweichen und Schmelzen des Harzelements 12 sowie die Produktivität der erste Druck und die erste Anpresszeit ermittelt. Diese Werte variieren abhängig zum Beispiel von der Drehzahl des Drehwerkzeugs 16 und der Dicke und dem Material des Metallelements 11. Wenn zum Beispiel das Metallelement 11 aus einer Aluminiumlegierung besteht und eine Dicke von 1-2 mm aufweist, ist der erste Druck in dem Vorwärmschritt C1 bevorzugt größer oder gleich 700 N und kleiner als 1200 N. Die erste Anpresszeit ist bevorzugt länger als oder gleich 0,5 s und kürzer als 2,0 s. Die Drehzahl des Drehwerkzeugs fällt bevorzugt in einen Bereich von 2000 U/min. bis 4000 U/min.
  • Pressrührschritt C2
  • Bei dem Pressrührschritt C2 kommen sich das Drehwerkzeug 16 und das Aufnahmewerkzeug 17 nahe und das Drehwerkzeug 16 wird wie in 4A gezeigt in das Metallelement 11 gepresst. Wenn der Pressrührschritt C2 auf den Vorwärmschritt C1 folgt, kommen sich das Drehwerkzeug 16 und das Aufnahmewerkzeug 17 nahe und das Drehwerkzeug 16 wird wie in 4A gezeigt in das Metallelement 11 gepresst. Dies ermöglicht es dem Drehwerkzeug 16, die geringere Tiefe als die Fügegrenzfläche 13 zwischen dem Metall- und dem Harzelement 11 und 12 zu erreichen, um den Abschnitt 110 des Metallelements 11 direkt unter dem Drehwerkzeug zu verformen, so dass der Abschnitt 110 hin zu dem Harzelement 12 ragt. Dies beschleunigt ein Schmelzen des Harzes an der Oberfläche des Harzelements 121 in dem Bereich 60 der Fügegrenzfläche 13 direkt unter dem Drehwerkzeug und ein Fließen des geschmolzenen Harzes zu dem Außenumfang 61 des Bereichs 60.
  • Bei dem Pressrührschritt C2 dreht im Einzelnen das Drehwerkzeug 16 eine zweite Anpresszeit lang (z.B. 0,25 s), die kürzer als die erste Anpresszeit ist, bei einem zweiten Druck (z.B. 1500 N), der höher als der erste Druck ist, bei einer vorbestimmten Drehzahl (z.B. 3000 U/min).
  • Der Druck in dem Pressrührschritt C2 ist höher als der Druck in dem Vorwärmschritt C1, um das Drehwerkzeug 16 in das Metallelement 11 zu pressen. D.h. das Drehwerkzeug 16 reicht tief in das Metallelement 11 hinein. Dieses Anpressen des Drehwerkzeugs 16 bewegt an dem Abschnitt 110 des Metallelements 11 direkt unter dem Drehwerkzeug die Fügegrenzfläche 13 zwischen dem Metall- und dem Harzelement 11 und 12 hin zu dem Aufnahmewerkzeug 17 (in der Figur nach unten), um den Abschnitt 110 so zu verformen, dass der Abschnitt 110 hin zu dem Harzelement 12 ragt. Dies beschleunigt das Schmelzen des Harzes an der Oberfläche des Harzelements 121 in dem Bereich 60 der Fügegrenzfläche 13 direkt unter dem Drehwerkzeug und erlaubt ein Fließen des geschmolzenen Harzes über den Bereich 60 zu dessen Außenumfang 61. Das geschmolzene Harz breitet sich wie in 4B beispielhaft gezeigt in einer wesentlichen Kreisform um den Bereich 60 direkt unter dem Drehwerkzeug aus. Dies führt zu einer Zunahme der Kontaktfläche zwischen dem geschmolzenen Harz und dem Metallelement 11. Dies vergrößert auch einen geschmolzenen und verfestigten Bereich (d.h. einen Fügebereich) des zusammengefügten Körpers, der durch Abkühlen und Verfestigen des geschmolzenen Harzes erhalten wird. Daher wird das Harzelement mit dem Metallelement mit ausreichend hoher Arbeitseffizienz und ausreichender Festigkeit zusammengefügt. Der geschmolzene und verfestigte Bereich (d.h. der Fügebereich) umfasst hier einen Teil des Außenumfangs 61, der durch Erwärmen der berührten Metallfläche direkt geschmolzen wird.
  • Wenn das Drehwerkzeug 16 weiter angepresst wird (d.h. wenn der Druck zu hoch ist und/oder wenn die Anpresszeit zu lang ist), geht der Schulterabschnitt 16b des Drehwerkzeugs 16 die Fügegrenzfläche hinaus. Im Einzelnen dringt das Drehwerkzeug 16 so in das Metallelement 11 ein, dass der Außenumfang des Drehwerkzeugs 16 das Harzelement 12 berührt. Dann ist ein Loch, durch das das Drehwerkzeug 16 tritt, in dem Metallelement 11 offen, wodurch Fügedefekte hervorgerufen werden.
  • Zum Angehen dieses Problems stoppt in dieser Ausführungsform das Anpressen des Drehwerkzeugs 16, wenn der Schulterabschnitt 16b des Drehwerkzeugs 16 die Tiefe erreicht, die geringer als die Fügegrenzfläche bei dem Pressrührschritt C2 ist. Das Drehwerkzeug 16 erreicht mit anderen Worten die Tiefe, die geringer als die Fügegrenzfläche ist. Dann wird in dem nächsten fortlaufenden Rührschritt C3 Reibungswärme an einer Referenzposition nahe dem Harzelement 12 erzeugt, und es wird ein großer Betrag an Reibungswärme zu dem Harzelement 12 geleitet, um ein Erweichen und Schmelzen des Harzelements 12 zu beschleunigen.
  • Bei dem Pressrührschritt C2 fällt die Presstiefe des Drehwerkzeugs 16 (siehe 4A) für gewöhnlich in einen Bereich von 0,5T bis 0,9T, bevorzugt von 0,5T bis 0,7T, wobei das Metallelement 11 eine Dicke T (mm) aufweist. Wenn die Presstiefe d zu gering ist, wird der Abschnitt 110 des Metallelements 11 direkt unter dem Drehwerkzeug nicht oder (allenfalls) gering verformt, so dass er vorsteht. Dies behindert eine ausreichende Zunahme der Kontaktfläche zwischen dem geschmolzenen Harz und dem Metallelement 11, und somit wird eine Sollfügefestigkeit nicht erhalten. Die Presstiefe d wird anhand eines Querschnittbilds eines zusammengefügten Körpers 20, der schließlich erhalten wird, in einfacher Weise gemessen. Bei dieser Beschreibung ist der Querschnitt ein Querschnitt senkrecht zu dem Metallelement 11, der durch eine Drehwerkzeugflanke 16' tritt (siehe 5A).
  • Bei dem Pressrührschritt C2 werden der zweite Druck und die zweite Anpresszeit im Hinblick auf das Reduzieren der Öffnung in dem Metallelement 11 und das Heranführen des Drehwerkzeugs 16 so nah wie möglich an das Harzelement 12 ermittelt. Diese Werte variieren abhängig zum Beispiel von der Drehzahl des Drehwerkzeugs 16 und der Dicke und dem Material des Metallelements 11. Wenn zum Beispiel das Metallelement 11 aus einer Aluminiumlegierung besteht und eine Dicke von 1-2 mm aufweist, ist der zweite Druck in dem Pressrührschritt C2 bevorzugt größer oder gleich 1200 N und kleiner als 1800 N. Die zweite Anpresszeit ist bevorzugt länger als oder gleich 0,1 s und kürzer als 0,5 s. Die Drehzahl des Drehwerkzeugs fällt bevorzugt in einen Bereich von 2000 U/min. bis 4000 U/min.
  • Fortlaufender Rührschritt C3
  • Bei dem fortlaufenden Rührschritt C3 hören das Drehwerkzeug 16 und das Aufnahmewerkzeug 17 auf, sich nahe zu kommen, um die Drehung des Drehwerkzeugs 16 bei der Tiefe (nachstehend als „Referenzposition“ bezeichnet), die geringer als die Fügegrenzfläche 13 ist, fortzusetzen, wie in 4A gezeigt ist. Bei dem fortlaufenden Rührschritt C3 dreht das Drehwerkzeug 16 eine dritte Anpresszeit lang (z.B. 5,75 s), die länger als die erste Anpresszeit ist, bei einem dritten Druck (z.B. 500 N), der niedriger als der erste Druck ist, bei einer vorbestimmten Drehzahl (z.B. 3000 U/min).
  • Bei dem fortlaufenden Rührschritt C3 ist der Druck niedriger als bei dem Vorwärmschritt C1 (eindeutig niedriger als in dem Pressrührschritt C2), so dass das Drehwerkzeug 16 nahezu in der Referenzposition gehalten wird. Da die Drehung des Drehwerkzeugs 16 in der Referenzposition nahe dem Harzelement 12 gehalten wird, wird ein großer Betrag an Reibungswärme erzeugt und der größte Teil der erzeugten Reibungswärme bewegt sich zu dem Harzelement 12. Das Harzelement 12 wird somit in einer großen Fläche über dem Bereich 60 direkt unter dem angepressten Bereich P ausreichend erweicht und geschmolzen.
  • Bei dem fortlaufenden Rührschritt C3 werden der dritte Druck und die dritte Anpresszeit im Hinblick auf ein ausreichendes Erweichen und Schmelzen des Harzelements 12 in einer solch großen Fläche und auf Produktivität ermittelt. Diese Werte variieren abhängig zum Beispiel von der Drehzahl des Drehwerkzeugs 16 und der Dicke und dem Material des Metallelements 11. Wenn zum Beispiel das Metallelement 11 aus einer Aluminiumlegierung besteht und eine Dicke von 1-2 mm aufweist, ist der dritte Druck in dem fortlaufenden Rührschritt C3 bevorzugt größer oder gleich 100 N und kleiner als 700 N. Die dritte Anpresszeit ist bevorzugt länger als oder gleich 1,0 s und kürzer als 20 s, insbesondere in einem Bereich von 3,0 bis 10 s. Die Drehzahl des Drehwerkzeugs fällt bevorzugt in einen Bereich von 2000 U/min. bis 4000 U/min.
  • Halteschritt C4
  • Nach dem fortlaufenden Rührschritt C3 kann ein Halteschritt C4 durchgeführt werden, bei dem die Drehung des Drehwerkzeugs 16 stoppt und das Drehwerkzeug 16 in diesem gestoppten Zustand eine vorbestimmte Anpresszeit lang bei einem vorbestimmten Druck gehalten wird.
  • Bei dem Halteschritt C4 stoppt, wie ebenfalls in 4A gezeigt, die Drehung des Drehwerkzeugs 16 und das Drehwerkzeug 16 wird in diesem Zustand eine vorbestimmte Zeit lang bei einem vorbestimmten Druck gehalten. Bei dem Halteschritt C4 wird das Drehwerkzeug 16 eine vierte Anpresszeit (z.B. 5,00 s) lang, die kürzer als die dritte Anpresszeit, aber länger als die zweite Anpresszeit ist, bei einem vierten Druck (z.B. 1000 N) gehalten, der höher als der dritte Druck, aber niedriger als der zweite Druck ist.
  • Bei dem Halteschritt C4 stoppt die Drehung des Drehwerkzeugs 16, um das Erzeugen der Reibungswärme zu beenden. Im Einzelnen endet der wesentliche Betrieb des Rührreibschweißens und das Kühlen des Werkstücks 10 beginnt. Während des Kühlens des Werkstücks 10 ist der Druck niedriger als bei dem Pressrührschritt C2, aber höher als bei dem fortlaufenden Rührschritt C3. Das Drehwerkzeug 16, dessen Drehung stoppt, klemmt den angepressten Bereich P des Metallelements 11 zusammen mit dem Aufnahmewerkzeug 17 ein. Dies verbessert das Anhaftvermögen zwischen dem Metall- und dem Harzelement 11 und 12 während des Abkühlens und steigert die Fügefestigkeit nach dem Ende des Abkühlens und Verfestigens.
  • Bei dem Halteschritt C4 werden der vierte Druck und die vierte Anpresszeit im Hinblick auf das Verbessern des Haftvermögens in dem angepressten Bereich P während des Abkühlens ermittelt. Diese Werte variieren abhängig zum Beispiel von dem Material des Metallelements 11. Wenn zum Beispiel das Metallelement 11 aus einer Aluminiumlegierung besteht, ist der vierte Druck in dem Halteschritt C4 bevorzugt höher als oder gleich 700 N und niedriger als 1200 N. Die vierte Anpresszeit ist bevorzugt länger als oder gleich 1,0 s.
  • In dieser Ausführungsform wird zumindest nach Durchlaufen des Schritts C2, bevorzugt der Schritte C1 und C2, bevorzugter der Schritte C1-C3 und bei Bedarf des Schritts C4 schließlich der zusammengefügte Körper 20 erhalten, bei dem das Metallelement 11 mit hoher Festigkeit in einer in 5A gezeigten großen Fläche mit dem Harzelement 12 zusammengefügt ist.
  • In dem zweiten Schritt wird nach einem vorbestimmten Schritt/nach vorbestimmten Schritten für gewöhnlich Kühlen durchgeführt, um das geschmolzene Harz zu verfestigen. Die Art des Kühlens ist nicht besonders beschränkt, und zum Beispiel kann ein Kühlen durch Stehenlassen oder Luftkühlen durchgeführt werden.
  • Es wurde ein Beispiel beschrieben, bei dem das Metallelement mit dem Harzelement an einem Punkt (punktuelles Fügen) zusammengefügt wird, ohne fortlaufend das Drehwerkzeug entlang der Kontaktfläche mit dem Metallelement zu bewegen. Die Vorteile dieser Ausführungsform werden ebenfalls klar erhalten, wenn das Metallelement linear (lineares Fügen) mit dem Harzelement zusammengefügt wird, während das Drehwerkzeug fortlaufend entlang der Kontaktfläche bewegt wird.
  • Zusammengefügter Körper
  • Bei dem durch das Fügeverfahren dieser Ausführungsform erhaltenen zusammengefügten Körper 20 wird das Metallelement 11 in dem Bereich 60 des Harzelements 12 an der Fügegrenzfläche 13 direkt unter dem Drehwerkzeug und dessen Außenumfang 61 mit dem Harzelement 12 zusammengefügt. Diese Tatsache wird durch Ermitteln, dass sich der geschmolzene und verfestigte Bereich, der durch Verfestigen des geschmolzenen Harzes an der Fügegrenzfläche 13 des zusammengefügten Körpers 20 erhalten wird, in einer wesentlichen Kreisform um den Bereich 60 direkt unter dem Drehwerkzeug verteilt, detektiert.
  • Wenn im Einzelnen das Metallelement 11 zum Beispiel gewaltsam von dem zusammengefügten Körper 20 abgezogen wird, ist eine Kontaktfläche 12a des Harzelements 12 in 5B feststellbar, die mit dem Metallelement 11 in Kontakt steht. In der Kontaktfläche 12a des Harzelements 12 besteht der geschmolzene und verfestigte Bereich aus einem Harzschmelzbereich 121A (d.h. dem schraffierten Bereich) in dem Bereich 60 direkt unter dem Drehwerkzeug und einem Fließbereich des geschmolzenen Harzes 121B (d.h. dem Gitterbereich) in dem Außenumfang 61 des Bereichs 60.
  • Die Oberfläche des Harzschmelzbereichs 121A wird durch das Vorspringen und die Verformung des Metallelements 11 ausgespart. Die Aussparung weist einen Durchmesser auf, der nahezu gleich dem Durchmesser des Drehwerkzeugs ist. Ein ungleichmäßiges Muster auf der Oberfläche des Metallelements 11 wird auf die Oberfläche des Harzschmelzbereichs 121A übertragen. Die Farbe der Oberfläche des Harzschmelzbereichs 121A könnte sich abhängig von der Fügefestigkeit ändern. Der Harzschmelzbereich 121A lässt sich dadurch verglichen mit den Oberflächeneigenschaften (z.B. Rauheit und Farbe) des ursprünglichen Harzelements 12 visuell einfach erkennen. Es werden nur die Oberflächeneigenschaften des Harzelements 12 verglichen, und die Rauheit und Farbe, die zum großen Teil von der Art des Harzes und dem Formverfahren abhängen, sind nicht besonders festgelegt. Wenn das Harzelement 12 ein endlosfaserverstärktes Harz ist, wird die geschmolzene Harzkomponente nahe der Oberfläche von dem Harzschmelzbereich 121A zu dem Fließbereich geschmolzenen Harzes 121B abgelassen und es könnten nur verstärkenden Endlosfasern an der Oberfläche des Harzschmelzbereichs 121A freiliegen.
  • Ein ungleichmäßiges Muster auf der Oberfläche des Metallelements 11 wird auf die Oberfläche des Fließbereichs des geschmolzenen Harzes 121B übertragen. Die Farbe der Oberfläche des Fließbereichs des geschmolzenen Harzes 121B könnte sich abhängig von der Fügefestigkeit ändern. Der Fließbereich des geschmolzenen Harzes 121B lässt sich dadurch verglichen mit den Oberflächeneigenschaften (z.B. Rauheit und Farbe) des ursprünglichen Harzelements 12 visuell einfach erkennen. Es werden nur die Oberflächeneigenschaften des Harzelements 12 verglichen, und die Rauheit und Farbe, die zum großen Teil von der Art des Harzes und dem Formverfahren abhängen, sind nicht besonders festgelegt. Der Fließbereich des geschmolzenen Harzes 121B umfasst nicht nur das geschmolzene Harz, das von dem Harzschmelzbereich 121A geflossen ist, sondern auch den Teil des Außenumfangs 61, in dem das Harz durch Berühren der erwärmten Metallfläche direkt geschmolzen wird.
  • An der Oberfläche 12a des Harzelements 12, das mit dem Metallelement 11 in Kontakt steht, haftet ein nicht geschmolzener Bereich 122 nur durch Druck an der Oberfläche des Metallelements 11 an. Nach dem Abziehen werden die Oberflächeneigenschaften (z.B. Rauheit und Farbe) des ursprünglichen Harzelements 12 beibehalten. Wie vorstehend beschrieben werden daher die großen Unterschiede zwischen dem Fließbereich des geschmolzenen Harzes 121B und dem ursprünglichen Harzelement 12 bei den Oberflächeneigenschaften einfach visuell ermittelt.
  • Der zusammengefügte Körper 20 gemäß dieser Ausführungsform erfüllt die nachstehende Beziehung, wobei die geschmolzenen und verfestigten Bereiche (121A und 121B) einen maximalen Durchmesser R (mm) aufweisen und das Drehwerkzeug einen Durchmesser von D1 (mm) aufweist: 1 < R / D 1 ≤ 9
    Figure DE112015000397B4_0001
    bevorzugt 1,5 ≤ R / D 1 ≤ 7 ; und
    Figure DE112015000397B4_0002
    bevorzugter 2 ≤ R / D 1 ≤ 5.
    Figure DE112015000397B4_0003
    Wenn R/D1 zu klein ist, ist die Fügefestigkeit ungenügend. Eine Zunahme von R/D1 führt zu einer längeren Fügezeit (d.h. einer Abnahme der Produktivität). Das geschmolzene Harz fließt aus einer möglichen Fließfläche des geschmolzenen Harzes heraus (d.h. der Breite eines zu bearbeitenden Flansches), um ein Einbetten zu bewirken. Somit ist es wichtig, R/D1 innerhalb eines Bereichs einzustellen, der für die erforderliche Festigkeit eines zu bearbeitenden Teils und der Umgebung geeignet ist. Der maximale Durchmesser der geschmolzenen und verfestigten Bereiche (121A und 121B) ist für gewöhnlich gleich dem maximalen Radius des Fließbereichs des geschmolzenen Harzes 121B.
  • Der Durchmesser R der geschmolzenen und verfestigten Bereiche (121A und 121B) wird wie folgt durch Untersuchen der Oberfläche 12a des Harzelements 12, das mit dem Metallelement 11 in Kontakt steht, einfach gemessen.
  • Der zusammengefügte Körper 20 gemäß dieser Ausführungsform umfasst auch einen Vorsprung 110A an der Oberfläche des Metallelements 11 in Kontakt mit dem Harzelement 12. Der Vorsprung 110A weist für gewöhnlich eine Höhe k (siehe 5A) von 0,2T-1,0T, bevorzugt 0,3T-0,8T, auf, wobei das Metallelement 11 eine Dicke T (mm) aufweist.
  • Harzelement
  • Das bei dem Fügeverfahren dieser Ausführungsform verwendete Harzelement 12 besteht aus Kunststoffpolymer. Es kann jede Art von thermoplastischem Polymer als Komponente des Harzelements 12 verwendet werden. Von diesen wird das thermoplastische Polymer, das in dem Gebiet von Fahrzeugen verwendet wird, bevorzugt verwendet. Spezifische Beispiele für ein solches thermoplastisches Polymer sind das folgende Polymer und deren Mischungen:
    • polyolefinbasiertes Harz wie etwa Polyethylen und Polypropylen und dessen säuremodifiziertes Harz;
    • polyesterbasiertes Harz wie etwa Polyethylenterephthalat (PET), Polybutylenterephthalat (PBT), Polytrimethylenterephthalt (PTT) und Polymilchsäure (PLA);
    • polyacrylatbasiertes Harz wie etwa Polymethylmethacrylat (PMMA);
    • polyetherbasiertes Harz wie etwa Polyetheretherketon (PEEK) und Polyphenylenether (PPE);
    • Polyacetal (POM);
    • Polyphenylensulfid (PPS);
    • polyamid(PA)-basiertes Harz wie etwa PA6, PA66, PA11, PA12, PA6T, PA9T und MXD6;
    • polycarbonat(PC)-basiertes Harz;
    • polyurethanbasiertes Harz;
    • fluorbasiertes Polymerharz; und
    • Flüssigkristallpolymer (LCP).
  • Das thermoplastische Polymer als Komponente des Harzelements 12 ist bevorzugt polyolefinbasiertes Harz, das kostengünstig erhältlich ist und ausgezeichnete mechanische Eigenschaften aufweist. Im Hinblick auf das Verbessern der Fügefestigkeit wird bevorzugt carbonsäuremodifiziertes polyolefinbasiertes Harz verwendet. Im Hinblick auf das weitere Verbessern der Festigkeit des Harzelements selbst und der Fügefestigkeit wird bevorzugt eine Mischung aus carbonsäuremodifiziertem polyolefinbasierten Harz und nicht modifiziertem polyolefinbasierten Harz verwendet. Das Verhältnis des carbonsäuremodifizierten polyolefinbasierten Harzes und des nicht modifizierten polyolefinbasierten Harzes kann nach Gewicht 15/85 - 45/55, insbesondere 20/80-40/60, betragen.
  • Das carbonsäuremodifizierte polyolefinbasierte Harz ist Polymer, das durch Einbringen einer Carboxylgruppe in die Hauptkette und/oder Seitenkette einer Polyolefinmolekülkette erhalten wird. Das carbonsäuremodifizierte Polyolefin ist bevorzugt Pfropfcopolymer, das durch Pfropfen von ungesättigter Carbonsäure auf die Hauptkette von Polyolefin erhalten wird.
  • Das Polyolefin als Komponente des carbonsäuremodifizierten polyolefinbasierten Harzes ist Homopolymer, Copolymer oder eine Mischung von mindestens einem von Olefinmonomer gewählt aus der Gruppe von α-Olefin bestehend aus Ethylen, Propylen, Buten, Penten, Hexen, Hepten oder Octan. Das Polyolefin ist bevorzugt Polypropylen.
  • Die ungesättigte Carbonsäure als Komponente des carbonsäuremodifizierten polyolefinbasierten Harzes ist Acrylsäure, Methacrylsäure, Itaconsäure, Fumarsäure, Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid oder deren Mischung. Die ungesättigte Carbonsäure ist bevorzugt Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid oder deren Mischung und bevorzugter Maleinsäureanhydrid.
  • Das Maß der Modifikation des carbonsäuremodifizierten Polyolefins ist nicht besonders beschränkt, sondern fällt bevorzugt in einen Bereich von 0,01% bis 1%.
  • Das Maß der Modifikation wird als Gewichtsverhältnis der ungesättigten Carbonsäure zu dem gesamten Polymer berechnet.
  • Die relative Molekülmasse des carbonsäuremodifizierten polyolefinbasierten Harzes ist nicht besonders beschränkt, ist aber bevorzugt carbonsäuremodifiziertes Polyolefin mit einer Flussrate der Schmelze (MFR) von zum Beispiel 2,0 g/10 min oder höher, insbesondere 5,0 g/10 min oder höher bei 230°C.
  • Bei dieser Beschreibung wird die MFR des Polymers unter JIS K 7210 gemessen.
  • Das carbonsäuremodifizierte polyolefinbasierte Harz ist zum Beispiel handelsübliches MODIC P565 (Mitsubishi Chemical Corporation) oder MODIC P553A (Mitsubishi Chemical Corporation).
  • Das nicht modifizierte polyolefinbasierte Harz ist äquivalent zu dem Polymer, das als das Polyolefin beschrieben wird, das die Komponente des carbonsäuremodifizierten polyolefinbasierten Harzes ist. Das nicht modifizierte Polyolefin ist bevorzugt Polypropylen.
  • Die relative Molekülmasse des nicht modifizierten Polyolefins ist nicht besonders beschränkt, sondern ist bevorzugt nicht modifiziertes Polyolefin mit einer MFR von zum Beispiel 2-200 g/10 min., insbesondere 2-55 g/10 min. bei 230°C.
  • Das nicht modifizierte Polyolefin ist zum Beispiel handelsübliches NOVATEC FY6 (Japan Polypropylene Corporation, Homopolypropylen mit einer MFR von 2,5), NOVATEC MA3 (Japan Polypropylene Corporation, Homopolypropylen mit einer MFR von 11), NOVATEC MA1B (Japan Polypropylen Corporation, Homopolypropylen mit einer MFR von 21).
  • Eine spezifische beispielhafte Kombination des carbonsäuremodifizierten polyolefinbasierten Harzes und des nicht modifizierten polyolefinbasierten Harzes ist wie folgt:
    • carbonsäuremodifiziertes Polypropylen/Homopolypropylen.
  • Es wurde ein Beispiel beschrieben, bei dem das Harzelement 12 als Ganzes in einer wesentlichen plattenartigen Form vorliegt. Die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt. Solange der Abschnitt des Harzelements 12 direkt unter dem Metallelement 11 bei Stapeln unter dem Metallelement 11 zwecks Fügen in einer wesentlichen plattenartigen Form vorliegt, kann das Harzelement 12 in einer beliebigen Form vorliegen.
  • Der Abschnitt des Harzelements 12 direkt unter dem Metallelement 11 weist für gewöhnlich eine Dicke t (Dicke vor dem Fügen, siehe 3) von 2-5 mm auf, die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt.
  • Das Harzelement 12 kann einen anderen erwünschten Zusatz etwa Verstärkungsfasern, Stabilisator, Flammverzögerungsmittel, Farbstoff und ein Treibmittel enthalten. Von diesen sind bevorzugt die Verstärkungsfasern enthalten. Dies liegt daran, dass die Verstärkungsfasern die Effizienz beim Schmelzen des Harzelements 12 an der Fügegrenzfläche 13 verbessern, was zu weiterer Verbesserung bei der Arbeitseffizienz zum Erhalten ausreichender Fügefestigkeit führt.
  • Der Anteil an Verstärkungsfasern ist nicht besonders beschränkt, sondern fällt beruhend auf 100 Gewichtsteilen des thermoplastischen Polymers als Komponente des Harzelements 12 bevorzugt in einen Bereich von 1 Gewichtsteil bis 400 Gewichtsteile, insbesondere von 1 Gewichtsteil bis 150 Gewichtsteile.
  • Metallelement
  • In 1 liegt das Metallelement 11 als Ganzes in einer wesentlichen plattenartigen Form vor. Die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt. Solange mindestens der Abschnitt des Metallelements 11, der auf dem Harzelement 12 zwecks Fügen gestapelt ist, in einer wesentlichen plattenartigen Form vorliegt, kann das Metallelement 11 in einer beliebigen Form vorliegen.
  • Der plattenartige Abschnitt des Metallelements 11, das auf dem Harzelement 12 gestapelt ist, weist für gewöhnlich eine Dicke T (Dicke vor dem Fügen, siehe 3) von 0,5-4 mm auf. Die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt.
  • Das Metallelement 11 kann aus jedem Metall mit einem höheren Schmelzpunkt als das thermoplastische Polymer als Komponente des Harzelements 12 bestehen. Von diesen werden das folgende Metall und die folgenden Legierungen, die in dem Gebiet von Fahrzeugen verwendet werden, bevorzugt verwendet:
    • Aluminium;
    • eine Aluminiumlegierung der Serie 5000 oder 6000;
    • Stahl;
    • Magnesium und seine Legierung; und
    • Titan und seine Legierung.
  • [Beispiele]
  • [Beispiel 1A]
  • Harzelement
  • Als Polymer A wurde ein maleinsäureanhydrid-modifiziertes Polypropylen (mit einer MFR von 5,7) verwendet. Das Maß der Modifikation lag bei etwa 0,5%.
  • Als Polymer B wurde NOVATEC FY6 (Japan Polypropylen Corporation, Homopolypropylen, mit einer MFR von 2,5) verwendet.
  • Das Harzelement 12 mit einer Höhe von 100 mm x einer Breite von 30 mm x einer Tiefe von 3 mm wurde durch Spritzgießen des Polymers A und B hergestellt. Im Einzelnen wurden 50 Gewichtsteile Polymer A und 50 Gewichtsteile Polymer B auf 230°C erwärmt, um eine geschmolzene Mischung zu erhalten. Die geschmolzene Mischung wurde in eine bei 40°C kontrollierte Form bei einer Geschwindigkeit von 50 mm/s eingespritzt und dann abgekühlt und verfestigt, um das Harzelement 12 zu erhalten.
  • Metallelement
  • Als Metallelement wurde ein plattenartiges Element einer Aluminiumlegierung der Serie 6000 mit einer Dicke von 1,2 mm verwendet.
  • Drehwerkzeug
  • Ein Drehwerkzeug aus Werkzeugstahl wurde in den folgenden Größen in 2 verwendet: D 1 = 10 mm ,
    Figure DE112015000397B4_0004
     D2 = 2 mm und
    Figure DE112015000397B4_0005
     H = 0,5 mm .
    Figure DE112015000397B4_0006
  • Fügeverfahren
  • Der zusammengefügte Körper des Metall- und Harzelements 11 und 12 wurde durch das folgende Verfahren hergestellt.
  • Erster Schritt:
    • Ein Ende des Metallelements 11 und ein Ende des Harzelements 12 wurden wie in 1 gezeigt aufeinander gestapelt.
  • Zweiter Schritt:
  • Wie in 3 gezeigt dreht das Drehwerkzeug 16 (in dem Vorwärmschritt C1: bei einem Druck von 900 N bei einer Drehzahl von 3000 U/min über eine Anpresszeit von 1,00 s), wobei nur sein Ende die Oberfläche des Metallelements 11 berührt.
  • Dann wurde, wie in 4 gezeigt, das Drehwerkzeug 16 auf die Tiefe, die geringer als die Fügegrenzfläche zwischen dem Metall- und dem Harzelement 11 und 12 ist, in das Metallelement 11 gepresst (in dem Pressrührschritt C2: bei einem Druck von 1400 N bei einer Drehzahl von 3000 U/min über eine Anpresszeit von 0,25 s).
  • Danach läuft wie in 4 gezeigt die Drehung des Drehwerkzeugs 16 in der Tiefe, die geringer als die Fügegrenzfläche ist, weiter (in dem fortlaufenden Rührschritt C3: bei einem Druck von 500 N bei einer Drehzahl von 3000 U/min über eine Anpresszeit von 0,75 s).
  • Dann wurde wie in 5A gezeigt das Drehwerkzeug 16 aus dem zusammengefügten Körper 20 herausgenommen und der zusammengefügte Körper wurde stehengelassen und abgekühlt.
  • Fügefestigkeit
  • Wie in 6 gezeigt befand sich der zusammengefügte Körper des Metall- und des Harzelements 11 und 12 in einer Einspannvorrichtung 100. Wenn die Einspannvorrichtung 100 nach unten gezogen wird, wird an der Oberseite des Harzelements 12 eine Kraft nach unten ausgeübt. Wenn die Einspannvorrichtung 100 fixiert ist und das Metallelement 11 nach oben gezogen wird, wird an der Oberseite des Harzelements 12 eine Kraft nach unten ausgeübt. Dies erlaubt eine Messung der Scherfestigkeit der Verbindung, ohne durch die Festigkeit des Grundmaterials des Harzelements 1 beeinflusst zu werden.
  • (Andere Messungen)
  • Der Durchmesser R des geschmolzenen und verfestigten Bereichs wurde durch das vorstehend beschriebene Verfahren gemessen, um R/D1 zu berechnen.
  • Die Presstiefe d wurde durch das vorstehend beschriebene Verfahren gemessen, um d/T zu berechnen.
  • Die Vorsprungshöhe k wurde durch das vorstehend beschriebene Verfahren gemessen, um k/T zu berechnen.
  • [Andere Beispiele und Vergleichsbeispiele]
  • Die Bearbeitungsbedingungen wurden wie in der Tabelle angedeutet geändert. Ansonsten wurde das Harzelement in gleicher Weise wie Beispiel 1A hergestellt und beurteilt. Tabelle 1
    Bedingungen R/'D1 Scherfestigkeit d/T k/T
    Zeit (s) Druck (N) Drehzahl (U/min)
    Schritt C1 Schritt C2 Schritt C3 Gesamt Schritt C1 Schritt C2 Schritt C3
    Beispiel 1A 1,00 0,25 0,75 2,00 900 1500 500 3000 2,01 0,85 0,5 0,6
    Vergleichsbeispiel 1A 2,00 - - 2,00 900 - - 3000 1,45 0,50 0,1 0,0
    Beispiel 2A 1,00 0,25 2,75 4,00 900 1500 500 3000 3,02 1,59 0,5 0,6
    Vergleichsbeispiel 2A 4,00 - - 4,00 900 - - 3000 2,07 0,87 0,1 0,0
    Beispiel 3A 1,00 0,25 4,75 6,00 900 1500 500 3000 3,98 2,71 0,5 0,6
    Vergleichsbeispiel 3A 6,00 - - 6,00 900 - - 3000 2,84 1,40 0,1 0,0
    Vergleichsbeispiel 3B 6,00 - - 6,00 1500 - - 3000 0,00 0,00 1,0 -
    Beispiel 4A 1,00 0,25 6,75 8,00 900 1500 500 3000 4,56 3,11 0,6 0,7
    Vergleichsbeispiel 4A 8,00 - - 8,00 900 - - 3000 3,23 1,82 0,2 0,1
    Beispiel 5A 1,00 0,25 8,75 10,00 900 1500 500 3000 4,78 3,67 0,6 0,7
    Vergleichsbeispiel 5A 10,00 - - 10,00 900 - - 3000 3,35 1,94 0,2 0,1
    Beispiel 6A 1,00 0,25 10,75 12,00 900 1500 500 3000 4,96 4,05 0,7 0,8
    Vergleichsbeispiel 6A 12,00 - - 12,00 900 - - 3000 3,48 2,07 0,2 0,1

    R/D1 ist ein Verhältnis des Durchmessers eines geschmolzenen und verfestigten Bereichs zu dem Durchmesser eines Drehwerkzeugs.
    d/T ist ein Verhältnis einer Presstiefe zu der Dicke eines Metallelements.
    k/T ist ein Verhältnis der Höhe eines Vorsprungs zu der Dicke des Metallelements.
  • In den Beispielen 1A-6A ist der geschmolzene und verfestigte Bereich relativ zu der Fügezeit signifikant groß, so dass das Harzelement mit ausreichender Festigkeit und ausreichend hoher Arbeitseffizienz mit dem Metallelement zusammengefügt wird.
  • In den Vergleichsbeispielen 1A-6A war der geschmolzene und verfestigte Bereich relativ zu der Fügezeit zu klein.
  • In Vergleichsbeispiel 3B dringt das Werkzeug in das Werkstück ein und erreicht das Harz zu früh, um ein Fügen durchzuführen.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Das Fügeverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung ist zum Beispiel in den Gebieten von Fahrzeugen, Schienenfahrzeugen, Luftfahrzeugen und Haushaltsgeräten zum Fügen eines Metallelements mit einem Harzelement brauchbar.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Rührreibschweißvorrichtung
    10
    Werkstück
    11
    Metallelement
    12
    Harzelement
    13
    Fügegrenzfläche zwischen Metall- und Harzelement
    16
    Drehwerkzeug
    17
    Aufnahmewerkzeug
    20
    zusammengefügter Körper
    60
    Bereich direkt unter Drehwerkzeug
    61
    Außenumfang des Bereichs direkt unter dem Drehwerkzeug
    100
    Einspannvorrichtung zum Messen von Fügefestigkeit
    110
    Abschnitt des Metallelements direkt unter dem Drehwerkzeug
    121
    in dem Bereich der Fügegrenzfläche direkt unter dem Drehwerkzeug geschmolzenes Harz
    121A
    Harzschmelzbereich, der den geschmolzenen und verfestigten Bereich darstellt, der durch Verfestigen des geschmolzenen Harzes erhalten wird
    121B
    Fließbereich geschmolzenen Harzes, der den geschmolzenen und verfestigten Bereich darstellt, der durch das Verfestigen des geschmolzenen Harzes erhalten wird
    P
    Bereich der Oberfläche des Metallelements, der von dem Drehwerkzeug gepresst wird (anzupressender Bereich)

Claims (7)

  1. Verfahren zum Fügen eines Metallelements (11) mit einem Harzelement (12) durch Rührreibschweißen, wobei das Verfahren umfasst: einen ersten Schritt des Stapelns des Metall- und des Harzelements (11, 12) aufeinander und einen zweiten Schritt des Fügens des Metallelements (11) mit dem Harzelement (12) durch Pressen eines rotierenden Drehwerkzeugs (16) in das Metallelement (11), um Reibungswärme zu erzeugen, des Erweichens und Schmelzens des Harzelements (12) mit der Reibungswärme durch lokales Ausüben von Wärme und Druck an dem Metallelement (11) mittels des Drehwerkzeugs (16) und dann des Verfestigens des Harzelements (12), wobei das Drehwerkzeug (16) umfasst: einen Schulterabschnitt (16b), umfassend eine kreisförmgie Endlfäche des Drehwerkzeugs (16), und einen säulenförmigen Zapfenabschnitt (16a), der über die kreisförmige Endfläche des Drehwerkzeugs (16) hinausragt und einen kleineren Durchmesser als der Schiuterabschnitt (16b) aufweist, und wobei der zweite Schritt umfasst: einen Pressrührschritt, bei dem das Drehwerkzeug (16) in das Metallelement (11) gepresst wird, so dass der Schulterabschnitt (16b) des Drehwerkzeugs (16) eine geringere Tiefe als eine Fügegrenze (13) zwischen dem Metall- und dem Harzelement (11, 12) erreicht, um einen Abschnitt (110) des Metallelements (11) direkt unter dem Schulterabschnitt (16b) und dem Zapfenabschnitt (16a) zu verformen, so dass der Abschnitt (110) hin zum Harzelement (12) ragt, und der ein Fließen des an der Oberfläche des Harzelements (121) im Bereich (60) der Fügegrenzfläche (13) geschmolzenen Harzes direkt unter dem Schulterabschnitt (16b) und dem Zapfenabschnitt (16a) zu dessen Außenumfang (61) erlaubt, und vor dem Pressrührschritt einen Vorwärmschritt mit Drehen des Drehwerkzeugs (16), wobei nur sein Zapfenabschnitt (16a) in das Metallelement (11) gepresst ist und der Schulterabschnitt (16b) eine Oberfläche des Metallelements (11) berührt, wobei bei dem Vorwärmschritt das Drehwerkzeug (16) bei einem ersten Druck angepresst wird und eine erste Anpresszeit lang dreht und bei dem Pressrührschritt das Drehwerkzeug (16) bei einem zweiten Druck, der höher als der erste Druck ist, angepresst wird und eine zweite Anpresszeit lang, die kürzer als die erste Anpresszeit ist, dreht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schulterabschnitt (16b) und der Zapfenabschnitt (16a) so in das Metallelement (11) gepresst werden, dass ein Vorsprung des Metallelements (11) hin zu dem Harzelement (12) eine Höhe k von 0,2T bis 1,0T aufweist, wobei das Metallelement (11) eine Dicke von T (mm) aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Metallelement (11) an der Fügegrenzfläche (13) in dem Bereich (60) des Harzelements (12) direkt unter dem Schulterabschnitt (16b) und dem Zapfenabschnitt (16a) und deren Außenumfang (61) mit dem Harzelement (12) zusammengefügt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, wobei ein erhaltener zusammengefügter Körper (20) aus dem Metall- und dem Harzelement (12) 1 < R/D1 ≤ 9 erfüllt, wobei ein geschmolzener und verfestigter Bereich, der durch Verfestigen des geschmolzenen Harzes an der Fügegrenzfläche (13) erhalten wird, sich in einer Kreisform um den Bereich (60) direkt unter dem Schulterabschnitt (16b) und dem Zapfenabschnitt (16a) verteilt, der geschmolzene und verfestigte Bereich einen Durchmesser R (mm) aufweist und der Schulterabschnitt (16b) einen Durchmesser D1 (mm) aufweist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, wobei das Harzelement (12) verstärkende Fasern enthält.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, wobei der zweite Schritt weiterhin einen fortlaufenden Rührschritt mit fortlaufender Drehung des Drehwerkzeugs (16) bei der Tiefe in welcher sich der Schulterabschnitt (16b) der Drehwerkzeugs (16) befindet, die geringer als die Fügegrenzfläche (13) ist, umfasst und bei dem fortlaufenden Rührschritt das Drehwerkzeug (16) bei einem dritten Druck, der niedriger als der erste Druck ist, angepresst wird und eine dritte Anpresszeit lang, die länger als die erste Anpresszeit ist, dreht.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der zweite Schritt weiterhin nach dem fortlaufenden Rührschritt einen Halteschritt des Stoppens der Drehung des Drehwerkzeugs (16) und des Haltens des Drehwerkzeugs (16) in diesem gestoppten Zustand bei einem vorbestimmten Druck eine vorbestimmte Anpresszeit lang umfasst.
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Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10189113B2 (en) * 2014-04-24 2019-01-29 GM Global Technology Operations LLC Resistance spot welding method
JP6314935B2 (ja) * 2015-08-07 2018-04-25 マツダ株式会社 金属部材と樹脂部材との接合方法
WO2017026238A1 (ja) * 2015-08-11 2017-02-16 昭和電工株式会社 樹脂組成物、その硬化物、及び摩擦撹拌接合方法
JP6311677B2 (ja) * 2015-08-21 2018-04-18 マツダ株式会社 金属部材と樹脂部材との接合方法およびその方法で使用される樹脂部材
JP6330760B2 (ja) * 2015-08-25 2018-05-30 マツダ株式会社 金属部材と樹脂部材との接合方法
JP7049450B2 (ja) * 2017-06-28 2022-04-06 アールト ユニバーシティ ファンデーション エスアール 金属コンポーネントとポリマーコンポーネントとの接合方法、ならびにこれらのコンポーネントを含む構造物
JP2019167989A (ja) * 2018-03-22 2019-10-03 Ntn株式会社 等速自在継手用シャフト
CN112823091B (zh) 2018-10-12 2023-06-06 Dic株式会社 金属树脂复合体和其制造方法
JP7156086B2 (ja) * 2019-02-28 2022-10-19 マツダ株式会社 金属部材と樹脂部材との接合方法および接合装置
CN109807460B (zh) * 2019-03-20 2020-08-25 上海交通大学 一种通过检测下压力控制金属与高分子焊接的方法
CN110091051B (zh) * 2019-03-29 2021-03-16 沈阳航空航天大学 一种消除镁锂合金搅拌摩擦焊焊缝表面起皮缺陷的方法
CN110653479B (zh) * 2019-09-26 2021-04-27 沈阳航空航天大学 轻质合金与树脂基复材的搅拌摩擦与超声复合焊接方法
US20210205919A1 (en) * 2020-01-02 2021-07-08 The Regents Of The University Of Michigan Methods Of Joining Dissimilar Metals Without Detrimental Intermetallic Compounds
CN112644024B (zh) * 2020-08-27 2022-05-24 临海市绿茵硅胶科技有限公司 一种硅胶条自动粘接机

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010158885A (ja) 2008-12-09 2010-07-22 Nippon Light Metal Co Ltd 樹脂部材と金属部材の接合方法及び液冷ジャケットの製造方法
DE102009018151A1 (de) 2009-04-21 2010-10-28 Airbus Operations Gmbh Verfahren zum Fügen eines Metallkörpers mit einem Kunststoffkörper

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4148152B2 (ja) * 2004-02-16 2008-09-10 マツダ株式会社 摩擦点接合構造
JP5135061B2 (ja) * 2008-05-23 2013-01-30 住友軽金属工業株式会社 金属材と樹脂材の接合方法、及び金属材と樹脂材の接合体
ES2383776T3 (es) * 2009-12-03 2012-06-26 Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material- und Küstenforschung GmbH Método para unir piezas de metal y plástico
JP5854451B2 (ja) * 2011-02-18 2016-02-09 広島県 異種金属板の接合方法
JP5817140B2 (ja) * 2011-02-21 2015-11-18 昭和電工株式会社 金属部材と樹脂部材との接合方法
JP6102806B2 (ja) * 2013-03-22 2017-03-29 マツダ株式会社 異種部材の接合方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010158885A (ja) 2008-12-09 2010-07-22 Nippon Light Metal Co Ltd 樹脂部材と金属部材の接合方法及び液冷ジャケットの製造方法
DE102009018151A1 (de) 2009-04-21 2010-10-28 Airbus Operations Gmbh Verfahren zum Fügen eines Metallkörpers mit einem Kunststoffkörper

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