DE19630271C2 - Verfahren zum Verbinden eines plastifizierbaren Werkstücks mit einem anderen Werkstück - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines plastifizierbaren Werkstücks mit einem anderen Werkstück, bei dem (a) ein erstes Werkstück im Bereich einer Fügezone gegen ein Basiswerkstück angedrückt wird und (b) ein Reibelement unter aktivierender Relativbe­ wegung gegenüber den Werkstücken in Richtung auf die Fügezone gegen das erste Werk­ stück angedrückt wird.

Die Erfindung betrifft ferner ein Reibelement zum Ausführen eines derartigen Verfahrens.

Es sind bereits unterschiedliche Verbindungstechniken für plastifizierbare bzw. metallische Werkstücke auf der Basis einer Schweißverbindung bekannt. Je nach Anwendungsbereich, insbesondere beim Verbinden von (Aluminium-)Dünnblechen, weisen die bekannten Fü­ gungstechniken allerdings dahingehend gravierende Nachteile auf, daß sie extrem kostenin­ tensiv sind, aufwendige Apparaturen benötigen oder eine besondere Materialvorbereitung erforderlich ist, wobei selbst dann manche Materialpaarungen praktisch kaum zu fügen sind.

Aus der DE 258 28 364 C2 ist die Verwendung eines Reibschweißverfahrens zur Verstärkung einer lastaufnehmenden Fläche eines aus Blechen geschichteten Ankers bekannt, wobei unter Drehen eines Verstärkungsmaterials relativ zu dem Anker zwischen dem Verstärkungsmateri­ al und dem Anker ein Anfangsdruck aufgebracht wird, so daß ein Schmelzzustand von Ver­ stärkungsmaterial und Anker erreicht wird. Das Verstärkungsmaterial wird in Form eines Sta­ bes verwendet, der mit Kerben versehen ist, die ein leichtes Abnehmen eines Stücks des Sta­ bes für eine Verstärkung erlauben. Ein Teil des Verstärkungsmaterials wird somit fest mit dem Anker verschweißt und verbleibt an diesem.

Aus der DIN 1910, Teil 3, September 1977, Seite 7, Bild 19 ist ein Reibschweißverfahren bekannt, bei dem zwei Werkstücke von zwei einander gegenüberliegenden Seiten her gegen ein rotierendes Reibelement gedrückt werden, wobei die Oberfläche der Werkstücke lokal aufgeschmolzen wird. Anschließend werden die Werkstücke von dem Reibelement wegbe­ wegt und im Bereich der aufgeschmolzenen Fügezone zusammengedrückt und dadurch mit­ einander verschweißt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Reibelement zum Verbinden bzw. Fügen eines plastifizierbaren bzw. metallischen Werkstücks mit einem anderen zu schaffen, bei dem die genannten und weitere Nachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und ein Reibele­ ment nach Anspruch 12 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Fügezone der Werkstücke bildet sich dabei nach einem Mechanismus aus, der ähnlich ist wie der vom Reibschweißen her bekannte Fügungsvorgang. Durch Schaffung einer hoch­ aktiven, energiereichen und gleichzeitig mechanisch durch­ mischten Prozeßzone im Verbindungsbereich der beiden Werk­ stücke ist es möglich, Metalle bzw. Legierungen miteinan­ der zu verbinden, die bislang als kaum bzw. schwer fügbar galten, wie beispielsweise Dünnbleche aus Aluminium, bei denen die Oxidschicht sehr hinderlich ist.

In vorrichtungsmäßiger Hinsicht wird die Erfindung durch ein Reibelement sowie eine Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst.

Das vorzugsweise als rotierender Stempel ausgebildete Reibelement bildet aufgrund der Aktivierung bzw. Wärmeer­ zeugung durch Reibungskräfte einen ringförmigen Wall teil­ weise oder vollständig geschmolzenen Materials, der durch den Druck des Stempels und durch Flieh- und Kapillarkräfte gleichmäßig in die Fuge zwischen den Werkstücken sowie in den Zwischenraum zwischen Stempelumfangsfläche und umge­ bendem Material eingebracht wird.

Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens zählt insbesondere, daß es ohne zusätzliche Schweißhilfsstoffe wie Zusatzschweißmaterial oder Brenngase auskommt. Als Folge davon besteht die Verbindungszone zwischen den Werk­ stücken ausschließlich aus dem Material der Werkstücke selbst. Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner auch ohne Einsatz von Strom ausgeführt werden, indem eine ent­ sprechende Vorrichtung beispielsweise mit Druckluft be­ trieben wird. Ferner tritt im Gegensatz zum bekannten Elektro- oder Punktschweißen praktisch keine Funkenent­ wicklung auf.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend unter Be­ zugnahme auf ein Ausführungsbeispiel und eines erfindungs­ gemäß hergestellten Werkstückverbundes näher beschrieben, wobei:

Fig. 1 bis 5 Querschnittsansichten zweier Werkstücke in aufeinanderfolgenden Phasen der Herstellung des Werkstück­ verbunds sind, und

Fig. 6 einen Verbund aus drei Werkstücken im Querschnitt zeigt.

Fig. 1 bis 4 erläutern die Herstellung eines in Fig. 5 dargestellten, fertigen Werkstückverbunds gemäß der Erfin­ dung. Fig. 1 zeigt zwei plattenförmige, aufeinanderliegen­ de Werkstücke 1 und 2, die beispielsweise Bleche oder Tei­ le von miteinander zu verbindenen Hohlprofilen sein kön­ nen. Die beiden Teile werden hierbei fest aneinanderge­ preßt. Es ist hingegen nicht erforderlich, die Oberflächen der Werkstücke 1 und 2 im Bereich der Füge- bzw. Kontakt­ zone 3 speziell zu behandeln, Walz- oder Oxidhäute zu ent­ fernen oder ähnliches, wie dies beim Punktschweißen erfor­ derlich ist, da der Fügemechanismus ein völlig anderer ist.

Es genügt, wenn eines der zu fügenden Werkstücke plastifi­ zierbar bzw. schmelzfähig ist, wie Versuche mit Keramik als ein beteiligtes Material gezeigt haben. Außer Metallen kommen hierfür auch Kunststoffe in Betracht.

Ein rotierender Stempel 4 wird gegen die Oberfläche des Werkstücks 1 bewegt und unter Beibehaltung seiner Drehung fest gegen dieses angedrückt (Fig. 2). Der Stempel wird hierbei mittels einer nicht dargestellten Antriebseinheit in Drehung versetzt. Der Stempel kann aus dem gleichen Material wie die Werkstücke 1 oder 2 bestehen, ist aber bevorzugt aus einem härteren und/oder höher schmelzenden Werkstoff hergestellt. Um zu verhindern, daß während des Reibschweißvorgangs Material von den Werkstücken 1 und 2 vorübergehend am Stempel 4 festklebt, kann dieser auch aus Hartmetall bestehen oder eine besondere Beschichtung auf­ weisen.

Bei dem sich anschließenden Reibschweißvorgang bildet sich zwischen dem rotierenden Stempel 4 und dem damit in Berüh­ rung stehenden Material eine physikalisch-chemisch hoch­ aktive Prozeßzone aus, in der zunächst Trockenreibung und dann Mischreibung vorliegt. Im Bereich der Mischreibung nimmt der Anteil der Trockenreibung ab und der der Flüs­ sigkeitsreibung zu. Es bilden sich einzelne Schmelzinseln im Bereich der Prozeßzone, die zum Teil aufgrund der Fliehkraft und zum Teil durch den Anpreßdruck des Stempels in dessen Umfangs- bzw. Randzone gelangen und dort eine wulstförmige Materialansammlung 5 bilden (Fig. 3). Auch der Umfangsbereich des bereits teilweise in das Werkstück 1 eingedrungenen Stempels 4 ist zunehmend von plastifiziertem bzw. geschmolzenem Material erfüllt.

Der Stempel wird gegenüber dem in Fig. 3 gezeigten Zustand noch so weit in Richtung auf das Basiswerkstück 2 vorge­ trieben, bis sich zumindest dessen Stirnseite in der Be­ rührungsebene bzw. Fügezone befindet, vorzugsweise noch etwas weiter in das Basiswerkstück 2 hinein, wie Fig. 4 zeigt. Dies erfolgt deshalb, damit die erschmolzene bzw. plastifizierte Werkstoffmenge, die durch das Eindringen des Stempels in das Basiswerkstück 2 verdrängt wird, zu­ mindest teilweise in den Spalt zwischen den beiden Werk­ stücken hineingedrückt wird, wie in Fig. 4 mit 6 bezeich­ net. Das Eindringen des Werkstoffs in diesen Bereich der Fügezone wird zum einen durch die Fliehkräfte aufgrund der Drehung des Stempels und zum anderen durch die Kapillar­ kräfte im Spalt unterstützt. Der Stempel ist weiterhin auch längs seiner Umfangsfläche von einer Schicht zumin­ dest teilweise geschmolzenen Materials umgeben.

Der Stempel kann an seinem Umfang mit einer Schneidein­ richtung versehen sein, die dafür sorgt, daß der Wulst 5, der nicht zur Festigkeit der Verbindung beiträgt, unmit­ telbar entfernt wird.

Anschließend wird der Stempel aus der Fügezone zurückgezo­ gen, wobei der in Fig. 5 dargestellte Werkstückverbund zurückbleibt. Während des Verbindungsvorgangs wurde eine zylindrische, im wesentlichen rotationssymmetrische, hül­ sen- bzw. hohlnietartige Verbindungszone 7 zwischen den Werkstücken erzeugt. Diese besteht ausschließlich aus den Werkstoffen der beteiligten Werkstücke, sofern der Stempel härter bzw. höher schmelzend ist, wobei es aufgrund der spezifischen Eigenschaften einer Reibschweißverbindung möglich ist, auch sehr unterschiedliche bzw. konventionell kaum fügbare Materialien miteinander zu verbinden, wie beispielsweise Aluminiumbleche oder Stahl und Aluminium.

Wie Fig. 6 zeigt, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei aus mehr als zwei Werkstücken angewendet werden, wobei in dem dargestellten Beispiel zwei Werkstücke 1 und 1a auf einem Basiswerkstück 2 angeordnet sind und der Reibstempel beide Werkstücke 1, 1a vollständig durchdringt. In einer Abwandlung kann vorgesehen sein, zwei gegeneinander arbei­ tende Reibstempel beidseitig des Werkstückverbundes ein­ zusetzen, die in Richtung zueinander vorgeschoben werden. Dadurch würde sich eine Vorrichtung zum Abstützen der Werkstücke bzw. zum Auffangen der eingeleiteten Kraft er­ übrigen.

Eine nicht dargestellte Vorrichtung zum Ausführen des er­ findungsgemäßen Verfahrens ist in den Ansprüchen 12 und 13 beschrieben. Da sich die durch die Rotation bzw. Relativ­ bewegung des Reibelements gegenüber den Werkstücken ent­ wickelte Wärme mit zunehmender Plastifizierung des Materi­ als und damit einhergehendem Rückgang des Reibkoeffizien­ ten verringert, ist es zweckmäßig, eine Drehzahlsteuerung des Reibstempels in Abhängigkeit von Vorschubweg bzw. -ge­ schwindigkeit und/oder Anpreßdruck vorzusehen. Auf diese Weise kann eine optimale und reproduzierbare Materialtem­ peratur während des Verbindungsvorgangs erzielt werden, und außerdem kann die für die Herstellung einer Verbindung erforderliche Zeit minimiert werden.

Die in der vorangehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiede­ nen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims (12)

1. Verfahren zum Verbinden eines plastifizierbaren Werkstücks mit einem anderen Werkstück, bei dem

• a) ein erstes Werkstück (1) im Bereich einer Fügezone (3) gegen ein Basiswerk­ stück (2) angedrückt wird,
• b) ein Reibelement (4) unter aktivierender Relativbewegung gegenüber den Werk­ stücken (1, 2) in Richtung auf die Fügezone (3) gegen das erste Werkstück (1) angedrückt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

• a) das Reibelement (4) unter Bildung einer aktivierten, plastifizierten Prozeßzone das erste Werkstück durchdringt, durch dieses hindurch bis zum Basiswerkstück vordringt und die Prozeßzone in den Bereich der Fügezone (3) zwischen dem er­ sten Werkstück und dem Basiswerkstück bringt,
• b) das Reibelement zurückgezogen wird, wobei ein Reibschweißverbund der Werk­ stücke (1, 2) im Bereich der Fügezone (3) erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Werkstücke (1, 1a) übereinander auf einem Basiswerkstück (2) angeordnet sind, wobei das Reibelement (4) nacheinander alle Werkstücke (1, 1a) durchdringt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das erste Werkstück (1, 1a) ein Dünnblech ist.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Basiswerkstück ein Dünnblech ist.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Reibelement aus einem rotie­ renden Stempel besteht.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Reibelement eine lineare, oszillierende Bewegung ausführt.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Reibelement aus einem Mate­ rial besteht, das einen höheren Schmelzpunkt als das Werk­ stück (1) aufweist.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Reibelement aus einem Mate­ rial besteht, das härter ist als das Werkstück (1).

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Werkstücke (1, 1a, 2) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung be­ steht.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, gekenn­ zeichnet durch ein weiteres Reibelement, das von der dem ersten Reibelement gegenüberliegenden Seite her gegen die Werkstücke angedrückt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, gekenn­ zeichnet durch zwei oder mehr Werkstücke beiderseits eines Basiswerkstücks (2).

12. Reibelement zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß das Reibelement im wesentlichen zylindrisch ist und an seinem Umfang mit einer Schneideinrichtung zum Entfernen des Wulstes (5) verse­ hen ist.