DE4225435A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Reibschweißen zweier Werkstücke mit unterschiedlichen Querschnittskonturen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Oberbegriff des Verfahrens- und Vorrichtungshauptanspruchs.

In der Praxis ist es bekannt, zwei Werkstücke mit unterschiedlichen Querschnittskonturen, z. B. ein Rechteckrohr und einen massiven Zylinder stumpf reibzuschweißen. Die Festigkeit dieser Reibschweißverbindung ist für manche Anwendungsfälle nicht ausreichend, da die Flächenüberdeckung zwischen den Rohrwänden und dem Zylinder relativ gering ist.

Es ist aus der Praxis ferner noch bekannt, zylindrische Bolzen in kreisrunde Öffnungen reibzuschweißen. Hierbei sind die Querschnittskonturen der beiden Teile allerdings gleich, so daß keine Probleme mit der Flächenüberdeckung und der Belastbarkeit der Reibschweißverbindung auftreten.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zur Erzielung höher belastbarer Reibschweißverbindungen zwischen einem Rohrteil und einem anderen Werkstück mit abweichenden Querschnittskonturen aufzuzeigen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Verfahrens- und Vorrichtungshauptanspruch.

Mit der Erfindung wird vorgeschlagen, die beiden Werkstücke ineinander greifend reibzuschweißen, wobei das Rohrteil plastisch verformt wird. Hierdurch werden die Unterschiede in den Querschnittskonturen weitgehend ausgeglichen. Durch diese Verformung des Rohrteiles wird die Kontakt- und Schweißfläche zwischen den beiden Werkstücken erheblich vergrößert. Zur Erhöhung der Flächenüberdeckung trägt auch das Ineinandergreifen der beiden Werkstücke bei. Insgesamt ergibt sich dadurch eine deutlich gesteigerte Belastbarkeit der Reibschweißverbindung.

Es empfiehlt sich, die radiale Verformung des Rohrteiles durch eine umgebende Fassung zu begrenzen. Einerseits wird hierdurch die Eintauchtiefe des Treibdornes beschränkt. Andererseits wird durch die Fassung eine radiale Stützkraft gegen den Stauchhub am Ende des Plastifizierungsvorganges beim Reibschweißen erzielt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich unterschiedlichste Querschnittskonturen reibschweißen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel besitzt der Treibdorn eine im wesentlichen rotationssymmetrische Kontur, die beispielsweise kreisrund oder als gleichmäßiges Vieleck ausgebildet sein kann. Der Treibdorn kann massiv oder rohrförmig sein. Das Rohrteil hat vorzugsweise eine mehreckige Innenkontur. Beispielsweise lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung Rundrohre und Rechteckrohre reibschweißen. Mit der Erfindung bietet sich eine breite Variationspalette für die Querschnittskonturen, die auch Querschnittskombinationen umfaßt, die bislang überhaupt nicht reibgeschweißt werden konnten.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1-3 in geschnittener Seitenansicht- und Draufsicht den Reibschweißvorgang in drei Schritten,

Fig. 4 eine Querschnittsvariante in Draufsicht und

Fig. 5 eine Reibschweißvorrichtung in schematischer Seitenansicht.

Fig. 1-3 zeigen in drei Schritten oder Zwischenstellungen das Reibschweißen eines zylindrischen Werkstücks (3) und eines rohrförmigen Werkstücks (2). Die obere Hälfte der Figuren gibt jeweils den mittigen Längsschnitt und die untere Hälfte den zugehörigen Querschnitt an der oben eingezeichneten Schnittlinie an.

Das Rohrteil (2) ist in diesem Ausführungsbeispiel als im Querschnitt quadratisches Rohr ausgebildet. Das andere Werkstück (3) ist als Treibdorn ausgebildet, der einen zylindrischen Querschnitt mit einer konischen Spitze aufweist. Der Treibdorn (3) ist im gezeigten Ausführungsbeispiel massiv ausgebildet, kann in Variation dazu aber auch ein Rohr sein.

Das Rohrteil ist von einer vorzugsweise ringförmigen Fassung (8) umgeben, die mit dem Rohrende (13) bündig abschließt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Fassung (8) kreisrund und liegt mit ihrer Innenwand lose oder mit einem leichten Preßsitz an den Ecken bzw. Eckkanten (5) des Rohrteiles (2) außenseitig an. Die Fassung (8) kann alternativ auch einen kleinen Abstand, etwa im Millimeterbereich, von den Eckkanten (5) haben.

Wie Fig. 1 verdeutlicht, besteht zwischen den geraden Wandabschnitten (6) des Rohrteiles (2) und der umgebenen Fassung (8) ein Freiraum (12). Die Größe des Freiraumes (12) hängt von der Größe der Bauteile ab. Durch entsprechende Gestaltung der Fassung (8) oder auch des Rohrteiles (2) kann der Freiraum (12) in Größe und Form verändert werden.

Zum Reibschweißen wird der Treibdorn (3) mit seiner konischen Spitze in das Rohrteil (2) eingeführt. Der Außendurchmesser des Treibdorns (3) ist größer als die lichte Innenbreite des rechteckigen Rohrteils (2). Vorzugsweise ist der Außendurchmesser des Treibdorns (3) auch größer als die äußere Breite des Rohrteils (2).

Der Treibdorn (3) liegt mit seiner Anschrägung (4) im wesentlichen punktförmigen und damit kleinen Kontaktflächen (10) an den geraden Innenwandabschnitten (6) des Rohrteiles (2) an. Die beiden Werkstücke (2, 3) werden unter axialem Druck um die gemeinsame zentrale Drehachse (11) in Drehung zueinander versetzt. Vorzugsweise wird der Treibdorn (3) gegenüber dem festgehaltenen Rohrteil (2) gedreht und auch axial entlang der Drehachse (11) zugestellt. Die kinematische Zuordnung kann aber auch umgekehrt sein.

Durch die Reibwärme wird das Rohrteil an den Kontaktflächen (10) zunehmend erwärmt und plastifiziert. Durch den axialen Druck und die Anschrägung (4) werden die geraden Wandabschnitte (6) verformt und wölben sich wie in Fig. 2 gezeigt langsam radial nach außen. Durch diese Verformung (7) werden die Kontaktflächen (10) zwischen den Werkstücken (2, 3) vergrößert, wodurch die Plastifizierung und die Verformung (7) erhöht werden.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ergibt sich an den geraden Wandabschnitten (6) eine trichterförmige Verformung (7), die der Neigung der Anschrägung (4) entspricht. Hierdurch werden zusätzlich die Kontaktflächen (10) vergrößert.

Die Fassung (8) kann eine Stützfunktion für das Rohrteil (2) erfüllen. Sie verhindert, daß die Ecken oder Eckkanten des Rohrteils (2) radial zur Achse (11) nach außen ausweichen können. Die Verformungen (7) der geraden Wandabschnitte (6) erstrecken sich beim weiteren Vorschub des Treibdorns (3) zunehmend in die Freiräume (12). Die eckige Querschnittskontur, insbesondere Innenkontur des Rohrteils (2) wird dadurch immer runder und gleicht sich der Außenkontur des Treibdorns (3) an. Die innenliegenden Eckkanten (5) nähern sich dabei zunehmend dem Treibdorn (3) bzw. seiner Anschrägung (4).

Fig. 3 zeigt das Endstadium, bei der der Endbereich des Rohrteiles (2) zur Gestalt eines Kegelmantels verformt ist und im Bereich der Verformung (7) mit einer großen umlaufenden Kontaktfläche (10) an der Anschrägung (4) anliegt. In diesem Verformungsstadium erfolgt der Stauchhub, mit dem die plastifizierten Kontaktbereiche der Werkstücke (2, 3) verbunden und verschweißt werden.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Fassung (8) als zylindrischer Ring gestaltet. Bei dem gezeigten Verformungsgrad preßt sich das Rohrteil (2) zumindest mit seinem oberen Ende ringförmig umlaufend an die Fassung (8) an. Die Fassung (8) kann alternativ auch konisch ausgebildet sein und damit von außen her die Verformung (7) des Rohrteils (2) beeinflussen.

Die Fassung (8) kann als verlorenes Bauteil auf den reibgeschweißten Werkstücken (2, 3) verbleiben.

In der bevorzugten Ausführungsform ist die Fassung (8) jedoch mehrteilig ausgebildet und kann maschinell in der Reibschweißvorrichtung (1) geöffnet und damit nach Beendigung des Reibschweißvorganges von den Werkstücken (2, 3) wieder gelöst werden. Wie Fig. 5 verdeutlicht, sind die beiden Werkstücke (2, 3) in Spanneinrichtungen (9) der Reibschweißvorrichtung (1) gehalten. Die Fassung (8) kann dabei an der Spanneinrichtung (9) für das Rohrteil (2) befestigt sein. Sie wird dann mit der Spanneinrichtung (9) geöffnet und geschlossen. Die Fassung (8) kann aber auch in beliebiger anderer Weise angeordnet und betätigt werden, beispielsweise in Form eines Ringgreifers etc.

Fig. 4 zeigt eine Variante der Werkstückpaarung. Der Treibdorn (3) ist in diesem Ausführungsbeispiel als zylindrisches Rohr ausgebildet. Das Rohrteil (2) besitzt in der Ausgangslage einen rechteckigen Querschnitt. Das Rechteckrohr ist schmäler als der Treibdorn (3), andererseits aber deutlich breiter als dieser. Dementsprechend ergibt sich nur eine teilweise Verformung (7), die die Form von zwei Bogensegmenten hat. Eine Schweißverbindung findet dementsprechend nur über einem Teil des Treibdornumfanges statt.

Eine ähnliche, teilweise Verformung kann auch beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel der Fig. 1-3 stattfinden, wenn die Werkstückabmessungen entsprechend variieren und/oder die Eintauchtiefe des Treibdorns (3) im Rohrteil (2) begrenzt ist. Beispielsweise kann eine Reibschweißverbindung auch in einer Stellung entsprechend Fig. 2 stattfinden.

Abweichungen der gezeigten Querschnittsformen sind in vielerlei Hinsicht möglich. Zum einen kann das Rohrteil (2) eine Dreiecksform haben. Es kann aber auch fünf oder mehr Ecken (5) aufweisen. Es muß auch keine gleichmäßige Querschnittskontur haben. Beispielsweise kann das Werkstück (2) auch als Ovalrohr ausgebildet sein.

In der bevorzugten Ausführungsform ist der Treibdorn (3) genau axial-symmetrisch, d. h. er hat eine kreisrunde Kontur. Alternativ kann er aber auch der Kreisform angenäherte, vorzugsweise gleichmäßige Mehreckkontur besitzen. In gewissen Grenzen kann der Treibdorn (3) auch oval sein. Durch die Reibwärme wird auch der Treibdorn (3) plastifiziert und kann seine Außenkontur zur einer stärkeren Rotationssymmetrie hin verändern.

Wie Fig. 4 verdeutlicht, gleicht sich die Fassung (8) in Ihrer Form der gewählten Konturenpaarung der Werkstücke (2, 3) an. Sie ist an die gewünschte Verformung (7) angepaßt. In Fig. 4 besteht die Fassung (8) beispielsweise aus zwei Kreisschalenabschnitten, die von außen über eine geeignete Zustellvorrichtung an die Breitseite des Rohrteils 2 angepreßt sind.

Bezugszeichenliste

 1 Reibschweißvorrichtung
 2 erstes Werkstück, Rohrteil
 3 zweites Werkstück, Treibdorn
 4 Anschrägung
 5 Ecke
 6 Wandung, gerader Wandabschnitt
 7 Verformung
 8 Fassung
 9 Spanneinrichtung
10 Kontaktfläche, Schweißfläche
11 Drehachse
12 Freiraum
13 Rohrende

Claims (11)

1. Verfahren zum Reibschweißen zweier Werkstücke mit unterschiedlichen Querschnittskonturen, von denen eines als Rohrteil ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das andere als Treibdorn (3) ausgebildete Werkstück mit relativer Drehung in das Rohrteil (2) gedrückt wird, wobei der Treibdorn (3) die Wandung des Rohrteils (2) radial verformt und unter Vergrößerung der Kontaktfläche (10) an seine Außenkontur anpaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrteil (2) gegen eine außenseitig umgebende Fassung (8) verformt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Treibdorn (3) mit einer im wesentlichen rotationssymmetrischen Kontur mit einem Rohrteil (2) reibgeschweißt wird, das eine mehreckige Querschnittsform aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibdorn (3) rohrförmig ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibdorn (3) mit einer Anschrägung (4) gegen das Rohrteil (2) gedrückt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Fassung (8) das Rohrteil (2) ringförmig umgibt und an den Ecken (5) des Rohrteils (2) anliegt.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Fassung (8) im wesentlichen an die Kontur des Treibdorns (3) angepaßt ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Fassung (8) das Rohrteil (2) lösbar und entfernbar umgibt.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß an der Spannstelle des Rohrteils (2) eine Fassung (8) angeordnet ist, die das Rohrteil (2) zumindest bereichsweise mit einem seitlichen Freiraum (12) umgibt, in den sich die Wandung (6) des Rohrteils (2) verformen kann.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fassung (8) axial bündig mit dem Rohrende (13) abschließt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fassung (8) mehrteilig ausgebildet ist.