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Die
Erfindung betrifft ein Reibschweißteil, das aus zwei Einzelteilen
gebildet ist, die durch eine Reibschweißverbindung miteinander verbunden sind,
wobei mindestens eines der beiden Einzelteile aus Gusseisen mit
Kugelgraphit gebildet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Reibschweißverfahren
zum Herstellen eines vorab beschriebenen Reibschweißteils,
mit den folgenden Schritten: Die Einzelteile werden an den Verbindungsflächen in
Kontakt gebracht; zwischen den Verbindungsflächen der Einzelteile wird eine
Relativverdrehung mit einer bestimmten Drehzahl erzeugt; dabei werden
die Einzelteile mit einem Reibdruck an ihren Verbindungsflächen gegeneinander
gedrückt;
nach einer Reibzeit wird die Relativbewegung abgebremst (Bremszeit);
die Einzelteile werden während
einer Stauchzeit mit einem gegenüber
dem Reibdruck höheren
Stauchdruck gegeneinander gedrückt.
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In
der Praxis hat es sich als sehr schwierig herausgestellt, Gusseisen
mit Kugelgraphit durch Reibschweißen reproduzierbar zum Beispiel
mit Stahl zu verbinden. Bei im Rahmen der vorliegenden Erfindung
durchgeführten
Versuchen, Gusseisen mit Kugelgraphit und Stahl durch Reibschweißen zu verbinden,
ist ein starker Funkenflug aufgetreten. Der Funkenflug wird vermutlich
durch den im Gusseisen enthaltenen Graphit und ein Spritzen von
bereits schmelzflüssigem
Gusseisen vor Erreichen des Schmelzbeginns des Stahls während des
Schweißvorgangs
verursacht. Aus der deutschen Patentschrift
DE 36 44 577 C1 ist ein
Verfahren zum Reibschweißen
von Stahl mit Gusseisen mit Kugelgraphit bekannt. Das bekannte Verfahren
ist auf die Verwendung eines Gusseisens mit Kugelgraphit gerichtet, bei
dessen Herstellung eine spezielle Zusammensetzung der Schmelze vor
einer kugelgraphitbildenden Magnesiumbehandlung gewählt wird.
Das bekannte Verfahren ist kompliziert und zur Herstellung von Reibschweißverbindungen
zwischen Gusseisen mit Kugelgraphit und Stählen oder anderen eisenhaltigen
Werkstoffen für
eine Serienanwendung im größeren Umfang
eher ungeeignet.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, reproduzierbare und prozesssichere Reibschweißverbindungen zwischen
Gusseisen mit Kugelgraphit und Stählen oder anderen eisenhaltigen
Werkstoffen zu ermöglichen.
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Die
Aufgabe ist bei einem Reibschweißteil, das aus zwei Einzelteilen
gebildet ist, die durch eine Reibschweißverbindung miteinander verbunden sind,
wobei mindestens eines der beiden Einzelteile aus Gusseisen mit
Kugelgraphit gebildet ist, dadurch gelöst, dass mindestens eines der
Teile aus ADI (Austempered Ductile Iron) gebildet ist. Hinter der Abkürzung ADI
verbirgt sich ausferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit, das auch
als wärmebehandelter
Sphäroguss
bezeichnet wird. Gusseisen mit Kugelgraphit weist schon im Gusszustand
hervorragende Eigenschaften auf, die durch Abschrecken von der Austenitisierungstemperatur
und anschließendes Warmauslagern
bei Temperaturen zwischen 250°C und
400°C durch
die Bildung von Ausferrit noch wesentlich verbessert werden können. Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, dass sich
ADI gut reproduzierbar und deutlich besser reibschweißen lässt als
normales Gusseisen mit Kugelgraphit.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsbeispiele des
Reibschweißteils
sind dadurch gekennzeichnet, dass das andere Teil aus Stahl oder
beide Teile aus ADI gebildet sind. Der Werkstoff ADI bietet die
Möglichkeit,
reproduzierbar und prozesssicher eine Verbindung von Stahl mit Gusseisen
und von Gusseisen mit Gusseisen herzustellen. Dadurch ist es möglich, kostengünstigere
Bauteile aus Gusseisen dort einzusetzen, wo bisher aus Gründen der
Schweißbarkeit nur
Stähle
eingesetzt werden konnten. Durch die hohe Dauerfestigkeit des ADI,
die vergleichbar mit der von Schmiedestahl ist, kann auch in dynamisch hoch
beanspruchten Bereichen Gusseisen eingesetzt werden. Bei den erfindungsgemäßen Reibschweißteilen
handelt es sich vorzugsweise um Motor- und Fahrwerkskomponenten
sowie um Teile des Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs.
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Bei
einem Reibschweißverfahren
zum Herstellen eines vorab beschriebenen Reibschweißteils, mit
den folgenden Schritten: Die Einzelteile werden an den Verbindungsflächen in
Kontakt gebracht; zwischen den Verbindungsflächen der Einzelteile wird eine
Relativverdrehung mit einer bestimmten Drehzahl erzeugt; dabei werden
die Einzelteile mit einem Reibdruck an ihren Verbindungsflächen gegeneinander
gedrückt;
nach einer Reibzeit wird die Relativbewegung abgebremst (Bremszeit);
die Einzelteile werden während
einer Stauchzeit mit einem gegenüber dem
Reibdruck höheren
Stauchdruck gegeneinander gedrückt;
ist die oben angegebene Aufgabe dadurch gelöst, dass wenigstens eins der
Einzelteile aus ADI besteht. Ein unerwünschter Funkenflug und ein
unerwünschtes
Spritzen kann so beim Reibschweißen sicher verhindert werden.
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Im
Vergleich zum Reibschweißen
von normalem Gusseisen mit Kugelgraphit, wo die Verfahrensparameter
in sehr engen Grenzen liegen und aufwendig empirisch ermittelt werden
müssen,
lie gen hier die Parameter in der Nähe dessen, was bereits vom
Reibschweißen
von Stahl bekannt ist.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Reibschweißverfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Druck während der Reibzeit gesteigert
wird. Das hat den Vorteil, dass die Reibzeit dadurch verkürzt werden
kann, was das Verfahren tauglich für die Großserienfertigung macht.
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Besonders
vorteilhaft ist die Verwendung von ADI bei einem so genannten aufgleitenden
Reibschweißen,
bei dem die Fügeflächen am
Umfang der Einzelteile angeordnet sind. In diesem Fall wirkt sich ein
mögliches
Verformen der Graphitkugeln nicht negativ auf die Festigkeit der
Schweißstelle
aus.
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Im
Falle des aufgleitenden Reibschweißens hat es sich als vorteilhaft
erwiesen, vor und/oder hinter der Fügefläche einen definierten Spalt
einzubringen. So kann das beim Reibschweißen erweichte Material in seiner
Ausdehnung gehindert werden, so dass die Festigkeit der Schweißstelle
erhöht
wird.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung
mehrere Ausführungsbeispiele
beschrieben sind. Dabei können
die in den Ansprüchen
und in der Beschreibung erwähnten
Merkmale jeweils einzeln für
sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Dabei
zeigen:
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1 ein
erstes Einzelteil in der Draufsicht,
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2 ein
zweites Einzelteil in der Draufsicht, das mit dem ersten Einzelteil
aus 1 zu einem erfindungsgemäßen Reibschweißteil verschweißt wird,
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3 ein
Zeit-Weg-Diagramm des Reibschweißvorgangs,
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4 einen
beispielhaften Verlauf des Reibdrucks,
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5 ein Reibschweißteil nach der Durchführung des
Reibschweißverfahrens
und
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6 eine Strukturierung der Fügestelle
bei aufgleitendem Reibschweißen.
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In 1 ist
ein erstes Einzelteil 1 in der Draufsicht dargestellt,
das um eine Achse 2 rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
Das erste Einzelteil 1 besteht aus legiertem Stahl und
weist zwei Längsabschnitte 4 und 5 auf.
Der Längsabschnitt 5 ist
mit einer zentralen Sackbohrung 7 ausgestattet. Die dem Längsabschnitt 4 abgewandte
Stirnfläche
des Längsabschnitts 5 bildet
eine Verbindungsfläche 8,
an der das Einzelteil 1 mit einem weiteren Einzelteil durch Reibschweißen verbindbar
ist.
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In 2 ist
ein zweites Einzelteil 20 in der Draufsicht dargestellt,
das um eine Achse 22 rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
Das zweite Einzelteil 20 besteht aus ADI (Austempered Ductile
Iron) und hat den gleichen Außendurchmesser
wie der Längsabschnitt 5 des
ersten Einzelteils 1 (siehe 1). In einem
Ende des zweiten Einzelteils 20 ist eine Sackbohrung 27 ausgespart.
Die Sackbohrung 27 weist den gleichen Durchmesser wie die
Sackbohrung 7 des in 1 dargestellten
Einzelteils 1 auf. Die radial außerhalb des Sacklochs 27 angeordnete Stirnfläche des
zweiten Einzelteils 20 bildet eine Verbindungsfläche 28,
an der das zweite Einzelteil 20 an der Verbindungsfläche 8 mit
dem in 1 dargestellten Einzelteil 1 durch Reibschweißen verbindbar
ist.
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Bei
den beiden Einzelteilen 1, 20 handelt es sich
um gesägte
und bearbeitete Einzelteile für
eine Antriebswelle. Die beiden Einzelteile 1, 20 werden durch
eine (nicht dargestellte) Reibschweißmaschine an den Verbindungsflächen 8, 28 miteinan der
verschweißt.
Die Reibschweißmaschine
hat eine rotierende Spindel mit einem Backenfutter und einen zur Spindel
hin axial verschiebbaren Support. Eines der beiden Einzelteile 1, 20 wird
von dem rotierenden Backenfutter aufgenommen. Das andere Teil 20, 1 wird in
den axial verschiebbaren Support eingespannt, der auch als Halterung
bezeichnet wird. Das Backenfutter und die Halterung sind so ausgelegt,
dass unterschiedliche, aber nicht zu stark voneinander abweichende
Querschnitte der zu verschweißenden Teile
aufnehmbar sind. Durch eine entsprechende Steuerung werden die beiden
Verbindungsflächen 8, 28 in
Anlage gebracht. Dann werden die beiden Einzelteile 1, 20 relativ
zueinander verdreht. Dabei wird ein so genannter Reibdruck ausgeübt, um die
beiden Einzelteile 1, 20 durch Reibschweißen miteinander zu
verschweißen.
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Der
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendete Werkstoff ADI hat den Vorteil, dass er nicht, wie
herkömmliche
Gusswerkstoffe mit Kugelgraphit, sofort in eine flüssige Phase
zerfällt,
sondern plastisch bleibt. Dieser Effekt liegt in der speziellen
Gefügestruktur
des Werkstoffs begründet.
ADI besitzt eine feinkörnige
Struktur, die beim Erwärmen
eine Stützwirkung
auszuüben
scheint. Daher nimmt der Werkstoff nur eine teigige Konsistenz an,
ohne flüssig
zu werden. Das hat zur Folge, dass ein Spritzen der flüssigen Phase
während
des Schweißvorgangs ausbleibt
und eine Schweißverbindung
entsteht, die der Qualität
einer Verbindung Stahl-Stahl entspricht.
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Ein
grundsätzlicher
Unterschied zwischen dem Reibschweißen bei einem Stahlwerkstoff
und dem ADI-Werkstoff ist in dem in 3 dargestellten Diagramm
verdeutlicht. Dort ist der Verlauf der sich durch das Reiben einstellenden
Reibverkürzung
s der Einzelteile 1, 20 über der Zeit t während der
Reibzeit dargestellt. Während
dieser Zeit wird ein konstanter Reib druck ausgeübt. Die obere Kurve 30 zeigt
einen typischen Verlauf der Reibverkürzung s für einen Stahlwerkstoff. Ist
der Werkstoff erst erwärmt,
verkürzt
sich das Einzelteil 1 mit fortschreitender Zeitdauer im
immer schnelleren Maße.
Im Vergleich dazu flacht die untere Kurve 31, die einen
typischen Verlauf für
ein Einzelteil 20 aus ADI zeigt, mit zunehmender Zeit immer
mehr ab. Ab einem bestimmten Zeitpunkt findet bei gleich bleibendem Reibdruck
eine kaum noch messbare Verkürzung des
Einzelteils 20 statt. Durch diese Besonderheit des Werkstoffs
ADI, der auch in dessen spezieller Gefügestruktur begründet liegt,
würden
bei konstantem Reibdruck die Reibzeiten im Vergleich zu Stahl extrem
hoch werden, was das Verfahren unwirtschaftlich machen würde. Um
dem zu begegnen, wird hier während
der Reibzeit der Reibdruck entsprechend immer mehr erhöht. Dies
geschieht entweder stufenweise oder kontinuierlich. Durch diese Erhöhung flacht
die Kurve der Reibverkürzung
nicht so stark ab und das Verfahren führt in mit Stahl vergleichbaren
Reibzeiten zum gewünschten
Ergebnis.
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Einen
beispielhaften Verlauf des Reibdrucks beim Reibschweißen von
ADI zeigt 4. Dort ist schematisch in einer
Kurve 32 der zeitliche Verlauf des Reibdrucks p und in
der anderen Kurve 33 der Verlauf der Reibverkürzung s
während
der Reibzeit dargestellt. Wie zu erkennen ist, wird immer, wenn die
Verkürzungskurve 33 abzuflachen
droht, also hier beispielsweise zu den Zeitpunkten t1 und t2, der Reibdruck
stufenweise erhöht,
so dass sich dann wieder eine nennenswerte Verkürzung einstellt. Die Erhöhung kann
neben dem hier dargestellten stufenförmigen Verlauf auch kontinuierlich,
entweder linear oder nach einem beliebigen vorgegebenen Verlauf, erfolgen.
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Die
Verfahrensparameter, unter denen man ADI-Teile untereinander oder
mit Stahlteilen durch Reibschweißen verbinden kann, liegen
in Bereichen, die ähnlich
den beim Reibschweißen von
reinem Stahl verwendeten Parametern sind, was ein weiterer Vorteil
gegenüber
dem Reibschweißen
von herkömmlichen
Teilen aus Gusseisen mit Kugelgraphit ist.
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In 5 ist das Ergebnis einer Reibschweißung von
zwei hohlen, rotationssymmetrischen Einzelteilen 1, 20 aus
Stahl und ADI in einer Schnittdarstellung gezeigt. Das in 5b gezeigte
durch das Reibschweißen
erzeugte Reibschweißteil 10 zeigt eine
ideale Ausbildung der Schweißwülste 11.
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In
einem ähnlichen
Experiment, bei dem jedoch ADI mit ADI reibgeschweißt wird,
gibt es keine signifikanten Unterschiede in der Einstellung der
Maschinenparameter. Der Reibschweißvorgang läuft auf dieselbe Weise unter
Verwendung ähnlicher
Parameter ab.
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6 zeigt in drei Schnittansichten ein durch aufgleitendes
Reibschweißen
erzeugtes rotationssymmetrisches Reibschweißteil, bei dem beide Einzelteile 1, 20 aus
ADI bestehen. Beim aufgleitenden Reibschweißen liegen die Verbindungsflächen 8, 28 nicht
an den Stirnseiten der Einzelteile 1, 20, sondern an
deren Umfang. Bei dem Einzelteil 20 handelt es sich dabei
um eine Welle, bei dem Einzelteil 1 um einen Flansch. Hier
ist zur Verbesserung der Festigkeit der Verbindung vor und hinter
den Verbindungsflächen 8, 28 jeweils
ein definierter Spalt 13 vorgesehen, der das beim Reibschweißen verdrängte Material
aufnehmen kann. Durch das Reibschweißen versucht das weiche, teigige
Material aus dem Bereich der Fügeflächen auszutreten,
wird aber durch den Spalt 13 daran gehindert. Dieser Effekt
führt zu
einem Reibschweißteil 10 mit
einer Bindezone 14, welche eine hohe Breite aufweist. So
besitzt die Verbindung eine hohe Festigkeit. 6c zeigt
das fertige Reibschweißteil 10 nach
einer evtl. folgenden spanenden Bearbeitung eines beim Reibschweißen entstehenden Übersprungs 15.