WO2007128265A1 - Reibschweissverfahren und reibgeschweisstes teil - Google Patents

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Peter Kolbe
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    • B23K2101/003—Pistons

Definitions

  • the invention relates to a method of friction welding a first part to a second part and to a friction welded part made by the method according to the invention.
  • the object is achieved in that a joining surface to be welded of the first part to be welded with a joint surface of the second part for friction welding are arranged to each other so that they form a non-all-over contact surface and that the first and second part friction welded together to form a welded joint become.
  • the formation of a welding bead can be precisely controlled at least on one side of the parts to be joined.
  • At least one of the connecting surfaces to be welded of the first or second part is chamfered. Because the two joining surfaces to be welded do not lie precisely on one another, they form a small contact surface before the welding process, which advantageously increases to a maximum contact surface during the welding process. It can be chamfered both surfaces of the connecting parts. Preferably, however, a flat surface of one part is friction-welded together with a chamfered surface of another part.
  • the bevelled surface may be either straight, concave, convex or pointed. The shape of the chamfer depends on the setting of the welding process and on what is to be achieved for a welding bead.
  • the weld is chamfered to one side, a smaller to no weld bead is formed on the edge side, on which there is less material. There is more material on the edge where the bonding surfaces to be welded touch. It forms a correspondingly larger Sch spawulst whose size is not exactly predetermined.
  • the joint surface to be welded is on both sides d. H. beveled to two edges seen in cross-section, so is the contact surface in the middle and the size of the weld beads can be set defined on both sides.
  • the formation of the weld bead during friction welding is guided by a guide on at least one of the two parts to be joined.
  • the forming weld bead can be guided in a defined direction, so that a removal of the weld bead can take place at defined locations. This may be required for certain geometrical arrangements or installation space ratios of the friction-welded part.
  • the object is achieved by a friction-welded part, which is produced according to a method described above, in that the welding surface is chamfered on a first part and / or a second part before the friction welding.
  • the width of the weld bead can be produced to a defined extent toward the bevelled side. The greater part of the material exit occurs on the side on which a contact surface is formed before and during the welding process.
  • the welding surface is advantageously extended by a guide on at least one of two parts to be joined.
  • the umwelgende Sch spawulst at the weld is thus limited by the leadership in the training.
  • the guide is seen in cross-section triangular shape.
  • the triangular shape is integrally connected to the part to be connected.
  • the connected parts are joined together on at least one side by friction welding with no or a defined small Sch spawulst. It is thus achieved that a welding bead can be completely removed within a predetermined, defined width dimension.
  • the friction welded part is a part in which the weld bead disturbs or is to be removed, for example, a valve, a valve lifter, an injection pump piston, a piston for an internal combustion engine or a double wheel.
  • the material of the first and second part is identical.
  • the material of the first and the second part is different in the alloy.
  • the material alloys relate to both steel or aluminum alloys alone or a combination of steel and aluminum alloy.
  • the first part to be connected is a piston bottom and the second part to be connected is a piston shaft.
  • Fig. 1 shows a detail of a cross section of a part for production by the method according to the invention.
  • Fig. 2 shows a detail of a cross section of a friction welded part.
  • FIG. 3 is an enlarged detail of Fig. 3, and Fig. 4 shows the detail of FIG. 2 with a remote Sch Strukturwulst.
  • the first part 1 shows a section of a cross section of a first part 1 in a not yet friction welded together state with a second, not shown part 2.
  • the first part 1 has in this embodiment as a specific embodiment, a tapered welding surface 3 on the first part 1.
  • This chamfered welding surface 3 is placed by friction welding on a flat welding surface of the second part 2 when joined together with the second part 2, not shown. This results in that there is more material on the right-hand side of FIG. 1 than on the left-hand side of FIG. 1.
  • there is a wedge-shaped gap 4 before the friction welding there is a wedge-shaped gap 4 before the friction welding.
  • the contact surfaces to be welded of the first and second parts 1, 2 are thus not connected over the entire surface. A full-surface connection results only by the friction welding process.
  • the wedge-shaped gap 4 may be at an angle Y of about 1-15 °.
  • the first part 1 also has a special feature that on the one hand it has a trained as an approach guide 5, which limits the resulting weld bead 7 in training and leads him in a particular direction.
  • a weld bead 7 having a defined large width B is formed on the side with the large gap 4 and the guide 5.
  • the guide 5 is triangular in this particular embodiment.
  • the protruding angle Z to the outer edge surface of the first part 1 is approximately between 10 - 65 °.
  • FIG. 2 shows a special embodiment and particular application of the method according to the invention and the friction welded part according to the invention a section in cross section of a piston for an internal combustion engine.
  • the first part 1 is a so-called piston crown and the second part 2 is called a piston ring or piston skirt.
  • FIG. 2 shows a friction-welded piston after assembly of the first and second parts 1, 2 after friction welding. 2 shows that a welding bead 6 is formed in the interior of the piston in a conventional manner.
  • the Reibsch spawulst 7 at the top, first part 1, however, has been formed smaller with a defined width B during the friction welding. This is necessary in this particular application to be able to remove the welding bead 7 through an opening 8 with a cutting tool.
  • the removal of the weld bead 7 has proven to be advantageous in order to obtain the least possible disturbance volume in a cooling channel 9 filled with oil.
  • the removal of the weld bead 7 is used for quality control to determine whether the friction weld 10 is formed as expected or whether there is a break between the first and second part 1, 2, which significantly reduces the life of the friction welded part.
  • the opening 8 is later closed to function as a cooling channel, for example in an internal combustion engine by a method according to the prior art.
  • FIG. 3 shows an enlarged detail of FIG. 2.
  • FIG. 3 is intended to illustrate how, due to the method according to the invention, the width B of the welding bead 7 can be set in a defined manner and the width B is less than the height H of the opening 8
  • 4 shows schematically in cross-section the friction-welded part with the first part 1 as piston upper part or piston bottom and second part 2 as piston lower part or piston ring, which have been connected by the friction welding method according to the invention.
  • the welding beads 7 have been removed by a machining process.
  • the cooling channel 9 thus has no disturbance volume and the friction weld 10 is easily controlled by the gap 8 from the outside. Components that are incorrectly friction-welded can thus be found out quickly.
  • the material from which the first part 1 is made may, due to the requirements, be a very high-strength or resistant material, for example steel or aluminum.
  • the second part 2 may be made of a softer material or inferior material, for example, made of steel or aluminum.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Reibschweißen eines ersten Teils (1) mit einem zweiten Teil (2) beschrieben. Eine zu verschweißende Verbindungsfläche (3) des ersten Teils (1 ) wird mit einer zu verschweißenden Verbindungsfläche (3) des zweiten Teils (2) zum Reibschweißen zueinander angeordnet, sodass sie eine nicht vollflächige Berührungsfläche ausbilden, und dass das erste und zweite Teil (1, 2) unter Ausbilden einer Schweißverbindung gegeneinander reibgeschweißt werden.

Description

Reibschweißverfahren und reibgeschweißtθs Teil
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Reibschweißen eines ersten Teils mit einem zweiten Teil sowie auf ein reibgeschweißtes Teil, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Es ist bekannt zwei Teile durch Reibschweißen miteinander zu verbinden. Insbesondere ist es bekannt, wie beispielsweise in der WO 2006/034862 A1 beschrieben, bei einem Kühlkanalkolben einen Kolbenboden mit einem Kolbenschaft durch Reibschweißen zu verbinden.
Bei bestimmten Anwendungen ist es jedoch von Nachteil, wenn die durch das Reibschweißen ausgebildete Schweißwulst unerwünscht groß auftritt.
Es ist Aufgabe der Erfindung beim Reibschweißen zumindest an einer Seite der zu verbindenden Teile eine genau definiert kleine Schweißwulst an der Schweißnaht zu erzeugen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass eine zu verschweißende Verbindungsfläche des ersten Teils mit einer zu verschweißenden Verbindungsfläche des zweiten Teils zum Reibschweißen derart zueinander angeordnet werden, sodass sie eine nicht vollflächige Berührungsfläche ausbilden und dass das erste und zweite Teil unter Ausbilden einer Schweißverbindung gegeneinander reibgeschweißt werden.
Dadurch dass die beiden zu verschweißenden Teile vor dem Verschweißen keine vollflächige Berührungsfläche ausbilden, sondern eine größere Berührungsfläche erst während des Schweißvorgangs entsteht, kann die Ausbildung eines Schweißwulstes zumindest an einer Seite der zu verbindenden Teile definiert genau gesteuert werden.
ERSATZBLATT Um keine vollflächige Berührungsfläche zu erzielen, ist mindestens eine der zu verschweißenden Verbindungsflächen des ersten oder zweiten Teils abgeschrägt. Dadurch dass die beiden zu verschweißenden Verbindungsflächen nicht passgenau aufeinander liegen, bilden sie vor dem Schweißvorgang eine kleine Berührungsfläche aus, die sich während des Schweißvorgangs vorteilhaft auf eine maximale Berührungsfläche vergrößert. Es können beide Flächen der verbindenden Teile abgeschrägt sein. Bevorzugt wird jedoch eine ebene Fläche eines Teils mit einer abgeschrägten Fläche eines anderen Teils miteinander reibgeschweißt. Die abgeschrägte Fläche kann entweder geradlinig, konkav, konvex oder spitz ausgebildet sein. Die Gestalt der Abschrägung hängt von der Einstellung des Schweißvorgangs ab und davon ab, was für eine Schweißwulst erzielt werden soll. Ist die Schweißnaht nach einer Seite hin abgeschrägt, so wird auf der Randseite, an der sich weniger Material befindet, eine kleinere bis gar keine Schweißwulst ausgebildet. An der Randseite, an der sich die zu verschweißenden Verbindungsflächen berühren ist mehr Material vorhanden. Es bildet sich eine entsprechend größere Schweißwulst aus, deren Größe nicht genau vorherbestimmt ist.
Ist die zu verschweißende Verbindungsfläche nach zwei Seiten d. h. zu zwei Rändern im Querschnitt gesehen abgeschrägt, so befindet sich die Berührungsfläche in der Mitte und die Größe der Schweißwülste kann beidseitig definiert eingestellt werden.
Von Vorteil ist, wenn die Ausbildung des Schweißwulstes beim Reibschweißen durch eine Führung an mindestens einem der beiden zu verbindenden Teile geleitet wird. Damit kann der sich ausbildende Schweißwulst definiert in eine Richtung geführt werden, sodass eine Entfernung des Schweißwulstes an definierten Orten stattfinden kann. Dies kann bei bestimmten Geometrieanordnungen bzw. Bauraumverhältnissen des reibgeschweißten Teils erforderlich sein. Erfindungsgemäß wird zudem die Aufgabe durch ein reibgeschweißtes Teil, das nach einem oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist, dadurch gelöst, dass die Schweißfläche an einem ersten Teil und/oder einem zweiten Teil vor dem Reibschweißen abgeschrägt ist. Somit lässt sich die Breite der Schweißwulst auf ein definiertes Maß zu der abgeschrägten Seite hin erzeugen. Der größere Anteil des Materialaustritts tritt auf der Seite auf, auf der eine Berührungsfläche vor und während des Schweißvorgangs ausgebildet ist.
Die Schweißfläche ist vorteilhafterweise durch eine Führung an mindestens einem von zwei zu verbindenden Teilen verlängert. Der sich umlegende Schweißwulst an der Schweißnaht wird somit von der Führung bei der Ausbildung begrenzt.
Vorteilhaft ist die Führung im Querschnitt gesehen dreiecksförmig ausgebildet. Die Dreiecksform ist mit dem zu verbindenden Teil einstückig verbunden.
Um bei bestimmten Anwendungen die Schweißwulst auf eine bestimmte Größe zu reduzieren und nur bestimmte Zerspanungs- bzw. Drehwerkzeuge einsetzen zu müssen, sind die verbundenen Teile an zumindest einer Seite durch Reibschweißen mit keinem oder einem definiert kleinen Schweißwulst zusammengefügt. Somit wird erreicht, dass ein Schweißwulst vollständig innerhalb einem vorgegebenen definierten Breitenmaß entfernt werden kann.
Bevorzugt ist das reibgeschweißte Teil ein Teil, bei dem der Schweißwulst stört oder zu entfernen ist, beispielsweise ein Ventil, ein Ventilstößel, ein Einspritzpumpenkolben, ein Kolben für einen Verbrennungsmotor oder ein Doppelrad. Um eine gleichmäßige Ausdehnung bei der Erwärmung des reibgeschweißten Teils zu erzielen, sowie erleichterte Fügeeigenschaften beim Reibschweißen, ist der Werkstoff des ersten und zweiten Teils identisch.
Um bei bestimmten Anforderungen die Qualität des reibgeschweißten Teils zu verbessern und gleichzeitig ein sehr wirtschaftliches reibgeschweißtes Teil herzustellen, kann es von Vorteil sein, wenn der Werkstoff des ersten und des zweiten Teils in der Legierung verschieden ist. Es kann beispielsweise das erste Teil ein fertiger bzw. eine hoch feste Legierung eingesetzt werden und für das zweite Teil ein minderwertiger/weicherer oder preiswerter Werkstoff eingesetzt werden. Es versteht sich, dass sich die Werkstoff legierungen sowohl auf Stahl oder Aluminiumlegierungen alleine beziehen oder eine Kombination aus Stahl und Aluminiumlegierung.
Bevorzugt ist bei einem reibgeschweißten Teil, dass nach einem oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist, das erste zu verbindende Teil ein Kolbenboden und das zweite zu verbindende Teil ein Kolbenschaft.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmal nicht an der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf vier dazugehörige Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Ausschnitt eines Querschnittes eines Teils zur Herstellung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Fig. 2 einen Ausschnitt eines Querschnitts eines reibgeschweißten Teils.
Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 3, und Fig. 4 den Ausschnitt gemäß Fig. 2 mit einer entfernten Schweißwulst.
Die Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts eines ersten Teils 1 in einem noch nicht zusammen reibgeschweißten Zustand mit einem zweiten, nicht dargestellten Teil 2. Das erste Teil 1 weist in dieser Ausführungsform als spezieile Ausgestaltung eine abgeschrägte Schweißfläche 3 am ersten Teil 1 auf. Diese abgeschrägte Schweißfläche 3 wird beim Zusammenverbinden mit dem nicht gezeigten zweiten Teil 2 durch Reibschweißen auf eine ebene Schweißfläche des zweiten Teils 2 gesetzt. Dadurch ergibt sich, dass sich auf der rechten Seite der Fig. 1 mehr Material befindet, als auf der linken Seite der Fig. 1. Es liegt also ein keilförmiger Spalt 4 vor dem Reibschweißen vor. Die zu verschweißenden Berührungsflächen des ersten und zweiten Teils 1 , 2 sind somit nicht vollflächig verbunden. Eine vollflächige Verbindung ergibt sich erst durch den Reibschweißvorgang. Der keilförmige Spalt 4 kann in einem Winkel Y von ca. 1 - 15° sein.
Das erste Teil 1 weist zudem noch eine Besonderheit auf, dass es auf der einen Seite eine als Ansatz ausgebildete Führung 5 aufweist, die den entstehenden Schweißwulst 7 bei der Ausbildung begrenzt und ihn in einen bestimmte Richtung führt. Somit entsteht ein Schweißwulst 7 mit einer definiert großen Breite B auf der Seite mit dem großen Spalt 4 und der Führung 5.
Die Führung 5 ist in dieser speziellen Ausführungsform dreiecksförmig ausgebildet. Der abstehende Winkel Z zur äußeren Randfläche des ersten Teils 1 ist ungefähr zwischen 10 - 65°.
Bei einem vorzugsweise runden ersten Teil 1 vergrößert die ansatzförmige Führung 5 den Durchmesser des ersten Teils 1. Die Fig. 2 zeigt als besondere Ausführungsform und besondere Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen reibgeschweißten Teils einen Ausschnitt im Querschnitt von einem Kolben für einen Verbrennungsmotor. Das erste Teil 1 ist ein sogenannter Kolbenboden und das zweite Teil 2 wird als Kolbenring bzw. Kolbenschaft bezeichnet. Die Fig. 2 zeigt einen reibgeschweißten Kolben nach dem Zusammenfügen des ersten und zweiten Teils 1 , 2 nach dem Reibschweißen. Die Fig. 2 zeigt, dass eine Schweißwulst 6 im Innenraum des Kolbens in einer herkömmlichen Weise ausgebildet ist. Die Reibschweißwulst 7 am oberen, ersten Teil 1 ist dagegen kleiner mit einer definierten Breite B während dem Reibschweißvorgang ausgebildet worden. Dies ist bei dieser speziellen Anwendung notwendig, um den Schweißwulst 7 durch eine Öffnung 8 mit einem zerspanenden Werkzeug entfernen zu können.
Die Entfernung des Schweißwulstes 7 hat sich als vorteilhaft herausgestellt, um ein möglichst geringes Störvolumen in einem mit Öl gefüllten Kühlkanal 9 zu erhalten. Außerdem dient die Entfernung des Schweißwulstes 7 zur Qualitätskontrolle, um festzustellen, ob die Reibschweißnaht 10 wie erwartet ausgebildet ist oder ob ein Bruch zwischen erstem und zweitem Teil 1 , 2 vorliegt, der die Lebensdauer des reibgeschweißten Teils deutlich senkt.
Die Öffnung 8 wird später zur Funktion als Kühlkanal beispielsweise in einem Verbrennungsmotor durch ein Verfahren gemäß dem Stand der Technik verschlossen.
Die Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 2. Die Fig. 3 soll verdeutlichen, wie aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens die Breite B der Schweißwulst 7 derart definiert einstellbar ist, und dass die Breite B geringer ist als die Höhe H der Öffnung 8. Die Fig. 4 zeigt schematisch im Querschnitt das reibgeschweißte Teil mit dem ersten Teil 1 als Kolbenoberteil bzw. Kolbenboden und zweiten Teil 2 als Kolbenunterteil bzw. Kolbenring, die durch das erfindungsgemäße Reibschweißverfahren verbunden worden sind. Bei diesem reibgeschweißten Teil sind insbesondere die Schweißwülste 7 durch ein zerspanendes Verfahren entfernt worden. Der Kühlkanal 9 hat somit kein Störvolumen und die Reibschweißnaht 10 ist durch den Spalt 8 von außen einfach kontrollierbar. Bauteile die fehlerhaft reibverschweißt sind, können somit schnell herausgefunden werden.
Der Werkstoff, aus dem das erste Teil 1 hergestellt ist, kann aufgrund der Anforderungen ein sehr hochfestes bzw. widerstandsfähiges Material beispielsweise Stahl oder Aluminium sein. Hingegen das zweite Teil 2 kann aus einem weicheren Werkstoff oder minderwertigeren Werkstoff auch beispielsweise aus Stahl oder Aluminium hergestellt sein kann. Im übrigen wird auf die zeichnerischen Darstellungen der Erfindungen als wesentlich verwiesen. Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft an einem Kolben beschrieben wurde und sich genauso gut auf andere Teile übertragen iässt, deren Wulst unter anderem durch einen engen Spalt der Öffnung entfernt werden soll, wie beispielsweise Doppelräder und Ventile.
Bezugszeichenliste
erstes Teil zweites Teil
Verbindungsfläche
Spalt
Führung
Schweißwulst
Schweißwulst
Öffnung
Kühlkanal
Reibschweißnaht

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Reibschweißen eines ersten Teils (1) mit einem zweiten Teil (2), wobei eine zu verschweißende Verbindungsfläche (3) des ersten Teils (1) mit einer zu verschweißenden Verbindungsfläche (3) des zweiten Teils (2) zum Reibschweißen zueinander angeordnet werden, sodass sie eine nicht vollflächige Berührungsfläche ausbilden, und dass des erste und zweite Teil (1, 2) unter Ausbilden einer Schweißverbindung gegeneinander reibgeschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung eines Schweißwulstes (7) beim Reibschweißen durch eine als Ansatz ausgebildete Führung (5) von mindestens einem der beiden zu verbindenden Teile (1, 2) geleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der zu verschweißenden Verbindungsflächen (3) des ersten und zweiten Teils (1 , 2), geradlinig, konkav, konvex oder spitz, abgeschrägt ist.
3. Reibgeschweißtes Teil, hergestellt nach einem Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißfläche (3) an einem ersten Teil (1) und/oder einem zweiten Teil (2) vor dem Reibschweißen abgeschrägt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißfläche (3) durch eine als Ansatz ausgebildete Führung (5) an mindestens einem der zu verschweißenden Teile (1 , 2) verlängert ist.
4. Reibgeschweißtes Teil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung (5) im Querschnitt gesehen dreiecksförmig ausgebildet ist.
5. Reibgeschweißtes Teil, nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verbundenen Teile (1, 2) an zumindest einer Seite durch Reibschweißen mit keiner oder einer definiert kleinen Schweisswulst (7) zusammengefügt sind
6. Reibgeschweißtes Teil, nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Ventil oder Ventilstössel, Einspritzpumpenkolben, ein Kolben für einen Verbrennungsmotor oder ein Doppelrad ist.
7. Reibgeschweißtes Teil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des ersten und zweiten Teils (1, 2) identisch ist.
8. Reibgeschweißtes Teil nach einem oder mehren der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des ersten und zweiten Teils (1, 2) in der Legierung verschieden ist.
9. Reibgeschweißtes Teil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste zu verbindende Teil (1) ein Kolbenboden und das zweite zu verbindende Teil (2) ein Kolbenring ist.
PCT/DE2007/000731 2006-05-05 2007-04-24 Reibschweissverfahren und reibgeschweisstes teil WO2007128265A1 (de)

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