DE10161163A1

DE10161163A1 - Schweißelement und Verfahren zu seiner Befestigung

Info

Publication number: DE10161163A1
Application number: DE2001161163
Authority: DE
Inventors: Udo Franz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-12-15
Filing date: 2001-12-13
Publication date: 2002-08-08

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schweißelement unterschiedlicher Ausführung und auf ein Verfahren zu seiner Befestigung an Werkstücken/Bauteilen mittels Reibschweißung, bei dem das Schweißelement 1 stirnseitig mit einer bestimmten Geometrie und Querschnittsform in Gestalt eines Reibringes 2 ausgebildet ist, der Außendurchmesser d¶a¶ und der Innendurchmesser d¶i¶ des Reibringes 2 zur Bohrungstiefe s¶i¶ des Reibringes 2 in einem bestimmten Verhältnis stehen und die Reibflächenbreiten b des Reibringes 2 in den Grenzen von 0,5 b 8 mm liegen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schweißelement unterschiedlicher Ausführungen und auf ein Verfahren zu seiner Befestigung an Werkstücken/Bauteilen mittels Reibschweißung.

Derartige Schweißelemente, bekannt auch als anzuschweißende Kleinteile, sind entspre chend ihres Anwendungs- bzw. Verwendungszweckes gestaltet/ausgebildet und besitzen im Bereich der Schweißung besondere Flächenausbildungen, die sich positiv auf den Schweiß- und Bindeprozess auswirken sollen.

Derartige Schweißelemente werden gemäß des Standes der Technik nach verschiedenen Verfahren und Methoden angeschweißt.

So werden Bolzen/Schweißelemente mittels Hubzündung mit dem Werkstück verbunden. Hierzu wird der Bolzen/das Schweißelement auf das Werkstück aufgesetzt. Durch Auslösen des Schweißvorganges hebt sich der Bolzen/das Schweißelement vom Grundmaterial ab und zieht einen Lichtbogen, der das Bolzenende und das Grundmaterial aufschmilzt. Nach Ablauf der Schmelzzeit wird der Bolzen/das Schweißelement in das Schmelzbad des Grundmaterials gedrückt. Nach dem Erstarren der Schmelze sind beide Teile verbunden.

Zum Stand der Technik gehört weiterhin das Verfahren des Bolzenschweißens mit Spit zenzündung. Bei diesem Verfahren erfolgt das Aufschweißen des Bolzens durch die direkte Entladung einer Kondensatorbatterie mit hoher Kapazität. Der durch die Entladung der Kondensatoren beginnende Stromfluss konzentriert sich auf die Zündspitze, die dadurch örtlich verdampft. Der entstehende Lichtbogen schmilzt in der Folge die gesamte Stirnfläche und die dem Bolzen gegenüberliegende Zone des Grundmaterials bzw. des Werkstückes auf. Die Vorwärtsbewegung des Bolzens bei diesem Prozess erfolgt bis zum Aufschlag auf das Werkstück, der Lichtbogen erlischt. Der Bolzen und das Werkstück vereinigen sich im gemeinsamen Schmelzbad durch Kristallisation zu einer festen Schweißverbindung.

Ferner ist aus dem Stand der Technik bekannt, derartige Schweißelemente mittels Reib schweißung zu verbinden. Hier wird das Schweißelement dem Werkstück zugeführt, dabei in Rotation oder Schwingung versetzt und unter anhaltender oder verstärkter Druckwirkung auf das Werkstück geschweißt.

Die infolge Reibung auftretende Wärme bewirkt in der gemeinsamen Berührungsfläche eine thermische Aktivierung, welche zur Bindung beider Teile genutzt wird.

So beschreibt die DE 196 42 331 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen zwei Bauelementen mittels Reibschweißen, hier die Herstellung einer Verbindung eines Ankerbolzens mit einer Ankerschiene, die an bzw. in Betonbauteilen befestigbar sind, wobei der Ankerbolzen auf seiner der Ankerschiene zugekehrten Stirn fläche eine Ringwulst aufweist und durch Reibschweißen mit der Ankerschiene verbunden wird. Dies erfolgt derart, indem die Ringwulst des in Drehung versetzten Ankerbolzens mit der Ankerschiene in Reibkontakt gebracht wird. Dabei wird der Ankerbolzen in eine motorisch angetriebene Drehvorrichtung eingespannt und mit seiner Ringwulst bei einer bestimmten Drehzahl und einem bestimmten Druck auf die Ankerschiene verbracht und so mit dieser verbunden.

Es wird ferner ausgeführt, dass die Ringwulst am Ankerbolzen zweckmäßigerweise zentrisch zur Ankerbolzenmittelachse angeordnet ist. Durch diese Anordnung und eine entsprechende Ausbildung des Querschnittes der Ringwulst wird ein definierter ringförmiger Raum geschaffen, in den der infolge der Reibwärme plastifizierte Werkstoff fließen kann und zur Bindungsbildung beitragen soll.

Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass keine ausreichende Aktivierung der zu verbindenden Berührungsflächen im Füllraum erfolgt und somit keine qualitätsgerechte Schweißung hier erfolgen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schweißelement ein Schweißelement und ein Verfahren zu seiner Befestigung auf Werkstücken und Bauteilen zu entwickeln, mit der eine qualitätsgerechte Schweißung durch eine gezielte Aktivierung der Verbindungsflächen erreicht wird und die Nachteile der bekannten Lösungen, das Entstehen von Bindefehlern, beseitigt werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 4 gelöst.

Bevorzugte Ausführungen und vorteilhafte Lösungen ergeben sich aus den Unteran sprüchen.

So wurde ein Schweißelement geschaffen, welches stirnseitig mit einer bestimmten Geometrie und Querschnittsform in Gestalt eines Reibringes ausgebildet ist, dessen Quer schnittsform und Abmaße so zueinander in Beziehung stehen, dass beim Reibschweiß vorgang die Reibflächen des Schweißelementes gleichmäßig erwärmt werden, eine für die Verbindung notwendige Aktivierung beider Kontaktflächen durch eine gezielte Verformungsarbeit auch bei unterschiedlichen Verformungsanteilen bzw. Verformungs vermögen der Reibpartner, erreicht wird und der Innenraum des Reibelementes bevorzugt zur Aufnahme des verformten Werkstoffes benutzt wird, ohne die werkstoff- und prozessbedingten Reibparameter korrigieren zu müssen.

Dies bedeutet, dass die Form und Geometrie des Reibringes des Schweißelementes so ausgebildet sind, dass die Bedingung V_R = V_v erfüllt ist.

Dabei steht V_R für das Reibvolumen und V_v für das Wulstvolumen, auch als Verdrängungsvolumen bezeichnet.

Das Wulst- oder Verdrängungsvolumen V_v ist die Summe der Teilvolumina, die gebildet werden durch das beim Schweißvorgang nach innen fließende Teil-Volumen und zum anderen durch das nach außen fließende Teil-Volumen.

Dies bedeutet,

V_v = V_va + V_vi
V_va ist das Volumen des nach außen fließenden plastifizierten Werkstoffes,
V_vi ist das Volumen des nach innen fließenden plastifizierten Werkstoffes.

Das Reibvolumen V_R wird gleichfalls aus der Summe der Teil-Reibvolumina der zu verbindenden Teile gebildet, und es gilt die Beziehung

V_R = V_R1 + V_R2.
V_R1 - aktiviertes verformtes Volumen vom Reibpartner 1
V_R2 - aktiviertes verformtes Volumen vom Reibpartner 2.

Bei zu verbindenden Teilen gleichen Werkstoffes, beispielsweise Stahl auf Stahl oder Aluminium auf Aluminium, gilt die Beziehung V_R = V_R1 + V_R2.

Bei Verbindung von Teilen unterschiedlicher werkstoffmäßiger Zusammensetzung, so beispielsweise Stahl auf Aluminium, gilt die Beziehung V_R = V_R2, wenn R₂ den weicheren Werkstoff (Aluminium) darstellt.

Die Anordnung und Ausbildung des Reibringes vom Schweißelement sichert, dass bis zu 80% des gesamten Reibvolumens als Verdrängungsvolumen im geschaffenen Innenraum des festeren Reibpartners aufgenommen und darin gehalten wird, somit eine ausreichende Aktivierung beider Verbindungsflächen erfolgt und eine qualitätsgerechte Schweißung unter Ausschluss von Bindefehlern möglich ist.

Die zentrische Innenbohrung des Schweißelementes steht größenmäßig in einem bestimmten Verhältnis zum Außen- und Innendurchmesser des Reibringes des Schweiß elementes, und es gelten die Beziehungen

s_i = (0,5 ÷ 3)(da/di)² und d_a ≈ (1 ÷ 5) . d_B.

In dieser Beziehung bedeuten:

s_i Bohrungstiefe
d_a Außendurchmesser des Reibringes
d_i Innendurchmesser des Reibringes
d_B Bolzendurchmesser/Gewindeabmessung

Für die Reibflächenbreite des Reibringes gilt die Bedingung

0,5 ≦ b ≦ 8 mm

Durch die geometrische Ausbildung des Reibringes nach obigen Bedingungen wird beim Schweißvorgang eine gleichmäßige Aktivierung über die Reibzonen erreicht, da sich die Durchmesser wertmäßig wenig unterscheiden und somit die Reibgeschwindigkeit nur geringen Schwankungen unterliegt.

Der Materialtransport erfolgt weitestgehend nach innen, die Energiewandlung und die Reibflächenaktivierung werden effektiver, und die sich eventuell bildenden intermetallischen Phasen werden anteilsmäßig verstärkt aus der unmittelbaren Bindezone transportiert. Ferner ist von Vorteil, dass der Reibkoeffizient über den Durchmesser des Reibringes annähernd gleich ist, was sich positiv auf die Ausbildung einer qualitätsgerechten Schweißung auswirkt.

Mit nachfolgendem Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher beschrieben werden.

Die dazugehörige Zeichnung zeigt in

Fig. 1 ein Schweißelement, teilweise im Schnitt

Fig. 2 eine weitere Ausführung eines Schweißelementes, teilweise im Schnitt

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Schweißelemente 1 verdeutlichen einmal ein Schweißelement in Form einer Schweißhülse, Fig. 1, und zum anderen ein Schweiß element in Form eines Stehbolzens, Fig. 2, wobei die Ausbildung eines Schweiß elementes 1 mit einem Reibring 2 und der Reibfläche 4 nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist, so können auch Stifte, Muttern, Schrauben und weitere Befestigungs- bzw. Verbindungs- und Anschlagelemente mit derart gestalteten Reibringen ausgebildet sein.

Wesensmerkmal ist, dass der Reibring 2 eines jeden Schweißelementes 1 mit einer Innen bohrung 3 ausgebildet ist und die ertragbare Zug- und auch Torsionsbelastung einer so mittels Reibschweißung hergestellten Verbindung über die Durchmesser und die Reibringbreite des Reibringes 2 beliebig variiert werden können, aber die Bedingung Reibnahtfestigkeit ≧ Bolzenfestigkeit immer bei einer qualitätsgerechten Schweißung erfüllt werden muss.

Dies wird bei Zugbeanspruchung gesichert, dass der Außendurchmesser des Reibringes 2 nach der Bedingung

d_a ≧ √

bestimmt und ausgeführt wird und im Bereich d_a ≈ (1 ÷ 5) . d_B liegt.

Claims

1. Schweißelement unterschiedlicher Ausführungen in Form von Hülsen, Stiften, Bolzen, Muttern, Schrauben und anderen Befestigungs- bzw. Verbindungs- und Anschlagelementen, die mittels Reibschweißung an Werkstücken/Bauteilen anschweißbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass
das Schweißelement (1) stirnseitig mit einer bestimmten Geometrie und Quer schnittsform in Gestalt eines Reibringes (2) ausgebildet ist, der Außen durchmesser d_a und der Innendurchmesser d_i des Reibringes (2) zur Bohrungstiefe s_i des Reibringes (2) in einem bestimmten Verhältnis stehen und die Reibflächen breiten b des Reibringes (2) in den Grenzen von 0,5 ≦ b ≦ 8 mm liegen.

2. Schweißelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Maß des Außendurchmessers d_a des Reibringes (2) nach der Bedingung
d_a ≧ √ bestimmbar ist und im Größenbereich von (1 bis 5) . d_B liegt, wobei d_B der Durchmesser des Bolzens vom Schweißelement (1) und d_i der Innendurch messer des Reibringes (2) vom Schweißelement (1) bedeuten.

3. Schweißelement nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungstiefe s_i der Bohrung (3) des Reibringes (2) in einem bestimmten Verhältnis zu dem Außen- und Innendurchmesser des Reibringes (2) steht und der Bedingung
s_i = (0,5 ÷ 3) . (da/di)² entspricht.

4. Verfahren zur Befestigung eines Schweißelementen mittels Reibschweißens an Werkstücken und Bauteilen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in Drehbewegung versetzte Schweißelement (1) zum Bauteil/Werkstück mit einer bestimmten Geschwindigkeit geführt und unter einem bestimmten Druck zum Bauteil/Werkstück gehalten wird, derart, dass eine dem Werkstoff angepasste Aktivierung der Reibflächen (4) erfolgt und große Teile des Reibvolumens in die Bohrung (3) des Reibringes (2) vom Schweißelement (1) eingelagert sind.