WO1998004381A1 - Verfahren zum verbinden eines plastifizierbaren werkstücks mit einem anderen werkstück - Google Patents

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Definitions

  • the invention further relates to a friction element and a device for carrying out the method according to the invention.
  • Fig. 1 shows two plate-shaped, superimposed workpieces 1 and 2, which can be, for example, sheets or parts of hollow profiles to be connected to one another. The two parts are firmly pressed together. However, it is not necessary to treat the surfaces of the workpieces 1 and 2 in the area of the joining or contact zone 3 specifically, to remove rolled or oxide skins or the like, as is required for spot welding, since the joining mechanism is completely different.
  • a device, not shown, for executing the method according to the invention is described in claims 12 and 13. Since the heat generated by the rotation or relative movement of the friction element relative to the workpieces decreases with increasing plasticization of the material and the associated decrease in the coefficient of friction, it is expedient to provide a speed control of the friction ram depending on the feed path or speed and / or contact pressure . In this way, an optimal and reproducible material temperature can be achieved during the connection process, and the time required to establish a connection can also be minimized.

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Abstract

Verbund zweier metallischer Werkstücke, der hergestellt ist, indem ein erstes Werkstück im Bereich einer Fügezone gegen ein Basiswerkstück angelegt wird und ein Reibelement unter Relativbewegung gegenüber den Werkstücken in Richtung auf die Fügezone gegen das erste Werkstück angedrückt wird, wobei das Reibelement unter Bildung einer Schmelze das erste Werkstück durchdringt, die Schmelze in den Bereich der Fügezone dringt und anschliessend aus dem Verbund zurückgezogen wird, wodurch eine Reibschweissverbindung der Werkstücke im Bereich der Fügezone erzeugt wird.

Description

Verfahren zum Verbinden eines plastifizierbaren Werkstücks mit einem anderen Werkstück
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden bzw. Fügen eines plastifizierbaren Werkstücks mit einem anderen, welches ebenfalls plastifizierbar sein kann, d.h. beispielsweise zweier oder mehrerer plastifizierbarer, insbesondere metallischer Werkstücke .
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Reibelement sowie eine Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen 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 Fügungstechniken allerdings dahingehend gravierende Nachteile auf, daß sie extrem kostenintensiv sind, aufwendige Apparaturen benötigen oder eine besondere Materialvorbereitung erforderlich ist, wobei selbst dann manche Materialpaarungen praktisch kaum zu fügen sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren 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 gelöst durch ein Verfahren zum Verbinden eines plastifizierbaren Werkstücks mit einem anderen Werkstück, wobei
(a) ein erstes Werkstück gegen ein Basiswerkstück angedrückt wird, wobei sich eine Fügezone zwischen dem ersten Werkstück und dem Basiswerkstück befindet,
(b) ein Reibelement unter aktivierender Relativbewegung gegenüber den Werkstücken in Richtung auf die Fügezone gegen das erste Werkstück angedrückt wird,
(c) das Reibelement unter Bildung einer aktivierten, plasti- fizierten Prozeßzone durch das erste Werkstück hindurch bis zum Basiswerkstück vordringt und die Prozeßzone in den Bereich der Fügezone bringt,
(d) das Reibelement zurückgezogen wird, wobei ein Reib- schweißverbund der Werkstücke im Bereich der Fügezone erzeugt wird.
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 hochaktiven, energiereichen und gleichzeitig mechanisch durchmischten Prozeßzone im Verbindungsbereich der beiden Werkstücke ist es möglich, Metalle bzw. Legierungen miteinander 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. Wärmeerzeugung durch Reibungskräfte einen ringförmigen Wall teilweise 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 Stempelumfangsflache und umgebendem 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 Werkstücken ausschließlich aus dem Material der Werkstücke selbst. Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner auch ohne Einsatz von Strom ausgeführt werden, indem eine entsprechende Vorrichtung beispielsweise mit Druckluft betrieben wird. Ferner tritt im Gegensatz zum bekannten Elektro- oder Punktschweißen praktisch keine Funkenentwicklung auf .
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel und eines erfindungsgemäß hergestellten Werkstückverbundes näher beschrieben, wobei:
Fig. 1 bis 5 Querschnittsansichten zweier Werkstücke in aufeinanderfolgenden Phasen der Herstellung des Werkstückverbunds 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 Erfindung. Fig. 1 zeigt zwei plattenförmige, aufeinanderliegende Werkstücke 1 und 2, die beispielsweise Bleche oder Teile von miteinander zu verbindenen Hohlprofilen sein können. Die beiden Teile werden hierbei fest aneinandergepreßt . Es ist hingegen nicht erforderlich, die Oberflächen der Werkstücke 1 und 2 im Bereich der Füge- bzw. Kontaktzone 3 speziell zu behandeln, Walz- oder Oxidhäute zu entfernen oder ähnliches, wie dies beim Punktschweißen erforderlich ist, da der Fügemechanismus ein völlig anderer ist .
Es genügt, wenn eines der zu fügenden Werkstücke plastifizier- bar 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 aufweisen.
Bei dem sich anschließenden Reibschweißvorgang bildet sich zwischen dem rotierenden Stempel 4 und dem damit in Berührung stehenden Material eine physikalisch- chemisch hochaktive Pro- zeßzone aus, in der zunächst Trockenreibung und dann Mischreibung vorliegt. Im Bereich der Mischreibung nimmt der Anteil der Trockenreibung ab und der der Flüssigkeitsreibung 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 vorgetrieben, bis sich zumindest dessen Stirnseite in der Berührungsebene 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, zumindest teilweise in den Spalt zwischen den beiden Werkstücken hineingedrückt wird, wie in Fig. 4 mit 6 bezeichnet. 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 Kapillarkräfte im Spalt unterstützt. Der Stempel ist weiterhin auch längs seiner Umfangsflache von einer Schicht zumindest teilweise geschmolzenen Materials umgeben.
Der Stempel kann an seinem Umfang mit einer Schneideinrichtung versehen sein, die dafür sorgt, daß der Wulst 5, der nicht zur Festigkeit der Verbindung beiträgt, unmittelbar entfernt wird.
Anschließend wird der Stempel aus der Fügezone zurückgezogen, wobei der in Fig. 5 dargestellte Werkstückverbund zurückbleibt. Während des Verbindungsvorgangs wurde eine zylindrische, im wesentlichen rotationssymmetrische, hülsen- 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 la auf einem Basiswerkstück 2 angeordnet sind und der Reibstempel beide Werkstücke 1, la vollständig durchdringt. In einer Abwandlung kann vorgesehen sein, zwei gegeneinander arbeitende Reibstempel beidseitig des Werkstückverbundes einzusetzen, die in Richtung zueinander vorgeschoben werden. Dadurch würde sich eine Vorrichtung zum Abstützen der Werkstücke bzw. zum Auffangen der eingeleiteten Kraft erübrigen.
Eine nicht dargestellte Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in den Ansprüchen 12 und 13 beschrieben. Da sich die durch die Rotation bzw. Relativbewegung des Reibelements gegenüber den Werkstücken entwickelte Wärme mit zunehmender Plastifizierung des Materials und damit einhergehendem Rückgang des Reibkoeffizienten verringert, ist es zweckmäßig, eine Drehzahlsteuerung des Reibstempels in Abhängigkeit von Vorschubweg bzw. -geschwindigkeit und/oder Anpreßdruck vorzusehen. Auf diese Weise kann eine optimale und reproduzierbare Materialtemperatur 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 verschiedenen Ausführungs- formen wesentlich sein.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Verbinden eines plastifizierbaren Werkstücks mit einem anderen Werkstück, dadurch gekennzeichnet, daß
(a) ein erstes Werkstück (1) gegen ein Basiswerkstück (2) angedrückt wird, wobei sich eine Fügezone (3) zwischen dem ersten Werkstück (1) und dem Basiswerkstück (2) befindet ,
(b) ein Reibelement (4) unter aktivierender Relativbewegung gegenüber den Werkstücken (1, 2) in Richtung auf die Fügezone (3) gegen das erste Werkstück (1) angedrückt wird,
(c) das Reibelement (4) unter Bildung einer aktivierten, pla- stifizierten Prozeßzone durch das erste Werkstück hindurch bis zum Basiswerkstück vordringt und die Prozeßzone in den Bereich der Fügezone (3) bringt,
(d) das Reibelement zurückgezogen wird, wobei ein Reibschweißverbund der Werkstücke (1, 2) im Bereich der Füge- zone (3) erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Werkstücke (1, la) übereinander auf einem Basiswerkstück (2) angeordnet sind, wobei das Reibelement (4) nacheinander alle Werkstücke (1, la) durchdringt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Werkstück (1, la) ein Dünnblech ist.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Basiswerkstück ein Dünnblech ist.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Reibelement aus einem rotierenden Stempel besteht.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Reibelement eine lineare, oszillierende Bewegung ausführt.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Reibelement aus einem Material besteht, das einen höheren Schmelzpunkt als das Werkstück (1) aufweist .
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Reibelement aus einem Material besteht, das härter ist als das Werkstück (1) .
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Werkstücke (1, la, 2) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, gekennzeichnet 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, gekennzeichnet durch zwei oder mehr Werkstücke beiderseits eines Basiswerkstücks (2) .
12. Reibelement zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Reibelement im wesentlichen zylindrisch ist und ein Schneidmittel zum Entfernen des Wulstes (5) aufweist.
13. Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit einer Halteeinheit zum Halten wenigstens zweier Werkstücke, einer um eine Drehachse dreh- und antreibbaren, axial ver- schiebbaren Spanneinheit zum Einspannen eines Reibelementes, einer drehzahlregelbaren Antriebseinheit zum Antreiben der Spanneinheit, einer Verschiebeeinheit zum Bewegen der Spanneinheit längs der Drehachse und Andrücken des Reibelements mit einem Anpreßdruck .
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch Mittel zum Erfassen von Drehzahl, Verschiebung und/oder Anpreßdruck und eine Steuereinrichtung zum Steuern der Drehzahl des Reibelements in Abhängigkeit von den aufgenommenen Werten der erfaßten Verschiebung und/oder des Anpreßdrucks .
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