DE102005035402B4

DE102005035402B4 - Rührreibniet und Verfahren zum Verbinden damit

Info

Publication number: DE102005035402B4
Application number: DE102005035402A
Authority: DE
Inventors: Pei-Chung Troy Wang; Robin Bloomfield Stevenson
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2004-07-29
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2025-07-29
Also published as: US20070116538A1; US7862271B2; US20060024145A1; DE102005035402A1

Abstract

Rührreibniet (100), umfassend:
einen Körper (105) mit einem lang gestreckten zylindrischen Schaft (115), einer Kappe (120) an einem ersten Ende und einem axialen Loch (125), das sich durch den Körper erstreckt;
einen Bolzen (110) mit einer lang gestreckten Welle (130), die eine Achse (135) definiert, und einem Kopf (140) an einem Ende (145) davon, wobei der Kopf (140) einen wirksamen Außendurchmesser besitzt, der größer als der wirksame Außendurchmesser der Welle (130) ist, die Welle (130) in dem axialen Loch (125) des Körpers (105) angeordnet ist, der Bolzenkopf (140) an einem dem Ende der Kappe (120) gegenüberliegenden Ende (105) des Körpers (105) angeordnet ist und das Ende (145) des Bolzenkopfes (140) eine ebene Oberfläche (150) aufweist, die im Wesentlichen senkrecht zu der Achse (135) der Welle (130) orientiert ist; und
eine mechanische Grenzfläche (155) zwischen dem Körper (105) und dem Bolzen (110), derart, dass sich der Körper...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen das Rührreibnieten und ein Verfahren zum Verbinden durch Rührreibnieten und insbesondere einen Rührreibniet und ein Verfahren, bei dem eine verringerte Tendenz besteht, dass durch Rührreiben erweichtes Material unerwünscht seitlich in die Verbindungsstelle zwischen den verbundenen Werkstücken verlagert wird.
Rührreibschweißen (FSW) ist ein Verfahren, das zum Verbinden von metallischen Werkstücken verwendet wird und bei dem im Allgemeinen ein zylindrisches abgesetztes Werkzeug mit einem profilierten Stift verwendet wird, der an der Verbindungslinie zwischen zwei Werkstücken gedreht wird, während er längs der Verbindungslinie verlagert wird. Die Drehbewegung des Werkzeuges erzeugt Reibungswärme, die dazu dient, die Werkstücke zu erweichen und plastisch verformbar zu machen. Wenn sich der Stift seitlich bewegt, vermischt sich das erweichte Material von beiden Werkstücken in der Wirbelzone des sich bewegenden Stifts und kühlt ab und verfestigt sich infolge des Fehlens weiterer Reibbewegungen, wodurch eine Verbindung zwischen den beiden Werkstücken erzeugt wird.

Durch neueste Fortschritte bei Rührreibprozessen wurde die FSW-Technik auf das Rührreibnieten (FSR) erweitert, bei dem ein Rührniet gedreht wird und in eine Anordnung aus Werkstücken, die verbunden werden sollen, vorgeschoben wird, so dass das Material der Werkstücke rund um den Niet während des Rührreibens plastisch verformbar gemacht wird und sich anschließend um den Niet verfestigt, wenn die Drehung des Körper des Niets anhält und zugelassen wird, dass sich die Werkstücke und der Niet abkühlen.

Obwohl gegenwärtige Vorrichtungen und Verfahren für ihren vorgesehenen Zweck geeignet sind, sollte die Technologie des Rührreibnietens in der Weise weiterentwickelt werden, dass sich Möglichkeiten der Verbindung von ungleichen Materialien ergeben.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Ausführungsformen der Erfindung enthalten einen Rührreibniet mit einem Körper, einem Bolzen und einer dazwischenliegenden mechanischen Grenzfläche. Der Körper hat einen lang gestreckten zylindrischen Schaft, eine Kappe an einem ersten Ende sowie ein hindurchgehendes axiales Loch. Der Bolzen hat eine lang gestreckte Welle, die eine Achse definiert, und einen Kopf an einem seiner Enden, wobei der Kopf einen wirksamen Außendurchmesser besitzt, der größer als der wirksame Außendurchmesser der Welle ist, wobei die Welle in dem axialen Loch des Körpers angeordnet ist, der Bolzenkopf an einem zu dem Ende der Kappe gegenüberliegenden Ende des Körpers angeordnet ist und das Ende des Bolzenkopfes eine ebene Oberfläche aufweist, die im Wesentlichen senkrecht zu der Achse der Welle orientiert ist. Die mechanische Grenzfläche zwischen dem Körper und dem Bolzen ist derart, dass sich der Körper in Reaktion auf eine Drehung des Bolzens dreht.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung enthalten ein Verfahren zum Verbinden eines oberen und eines unteren Werkstücks, die an einem Eingriffspunkt unter Verwendung des oben erwähnten Rührreibniets in flüssiger Form verbunden werden können. Der Niet wird an dem Eingriffspunkt der Werkstücke positioniert und der Bolzen wird um seine Drehachse gedreht. Der Niet wird zu den Werkstücken und in diese vorgetrieben, derart, dass die sich zwischen dem Niet und den Werkstücken ergebende Reibungswärme ein Erweichen der Materialien der Werkstücke auf eine Prozesstemperatur bewirkt, wodurch ein durch das Rührreiben entstehender Verlagerungsweg geschaffen wird, in dem sich der Niet bewegt. Der Niet wird längs des Verlagerungsweges vorgetrieben, bis die Kappe an den Werkstücken aufsitzt. Eine weitere Drehung des Bolzens wird angehalten, wodurch sich die Werkstücke und der Bolzen unter die Prozesstemperatur abkühlen können, wobei sich die erweichten Werkstücke verfestigen können. Der Bolzen wird in axialer Richtung mit einer ausreichenden Kraft belastet, um den Bolzenkopf in das Ende des Körpers zu treiben, wodurch das Körperende gestaucht und aufgeweitet wird, um einen Presssitz zwischen dem Körper und der Unterseite des untersten Werkstücks zu erzeugen und um zu bewirken, dass die Bolzenwelle an einem Punkt getrennt wird, der im Körper und nahe an der Kappe liegt. Die Werkstücke werden folglich durch die in flüssiger Form verbundenen Materialien der Werkstücke, die unterschiedliche Wärmekontraktion der Werkstücke und des Niets und die mechanische Belastung zwischen dem Bolzen und dem Körper am Eingriffspunkt zusammen gehalten.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den beispielhaften Zeichnungen, in denen gleiche Elemente durch gleiche Bezugszeichen angegeben sind, zeigen:
1 und 2 Längsschnittansichten beispielhafter Niete gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
3–5 male Querschnittansichten von beispielhaften Wellen eines Bolzens eines Niets zur Verwendung in Ausführungsformen der Erfindung;
6 und 7 Längsschnittansichten von alternativen beispielhaften Nieten gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
8 und 9 axiale Querschnittansichten von alternativen beispielhaften Nietgeometrien mit nicht kreisförmigem Querschnitt gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
10–12 ein Verfahren zum Nieten gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
13 eine Martensit-Mikrostruktur zur Verwendung gemäß Ausführungsformen der Erfindung; und
14 eine kalt gezogene Mikrostruktur zur Verwendung gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der Erfindung offenbaren einen Rührreibniet mit einem äußeren Körper und einem inneren Bolzen mit einer mechanischen Grenzfläche zwischen ihnen, derart, dass sich der äußere Körper in Reaktion auf eine Drehung des Bolzens dreht. Der Bolzen hat einen flachen Kopf, der an den Werkstücken, die verbunden werden sollen, in Eingriff gelangt, wodurch eine Rührreibfläche geschaffen wird, bei der eine verringerte Tendenz besteht, dass das durch Rührreiben erweichte Material unerwünscht seitlich in die Verbindungsstelle zwischen den Werkstücken verlagert wird. Weitere Ausführungsformen offenbaren ein Verfahren zum Verbinden von zwei oder mehreren Werkstücken unter Verwendung des hier offenbarten Rührreibniets sowie das Verbinden beim Fehlen von einem im Voraus vorhandenen Loch in den Werkstücken, die verbunden werden sollen.
1 zeigt eine Querschnittansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Rührreibniets 100 mit einem Körper 105 und einem Bolzen 110. Der Körper 105 besitzt einen lang gestreckten zylindrischen Schaft 115, an einem Ende eine Kappe 120 und ein axiales Loch 125, das sich von einem Ende zum anderen Ende erstreckt. Der Bolzen 110 besitzt eine lang gestreckte Welle 130, die eine Achse 135 definiert, und an einem Ende einen Kopf 140. Der Kopf 140 besitzt einen wirksamen Außendurchmesser D, der größer ist als der wirksame Außendurchmesser d der Welle 130.
Der hier verwendete Ausdruck "wirksamer Durchmesser" bezeichnet den Durchmesser, den der entsprechende Querschnitt umschreiben würde, wenn er um seine Rotationsachse gedreht werden würde, wie etwa die Achse 135 bei der Welle 130. In den 3–5, die beispielhafte Querschnitte der Welle 130 zeigen, würde eine Welle 130 mit einem kreisförmi gen Querschnitt z. B. einen wirksamen Durchmesser besitzen, der durch einen eigenen Durchmesser d definiert ist (siehe 3), eine Welle 130 mit einem sechseckigen Querschnitt würde einen wirksamen Durchmesser besitzen, der durch d2 definiert ist (siehe gestrichelte Linie von 4), und eine Welle 130 mit einem rechtwinkligen Querschnitt würde einen wirksamen Durchmesser d3 besitzen (siehe gestrichelte Linie von 5). Obwohl in den 3–5 lediglich die Welle 130 dargestellt ist, wird anerkannt, dass die gleiche Konfiguration sowohl bei dem Bolzenkopf 140 als auch bei dem Körperschaft 115 angewendet werden kann. Das heißt, es kann z. B. eine kreisförmige Bolzenwelle 130 mit einem kreisförmigen Körperschaft 115 verwendet werden, eine sechseckige Bolzenwelle kann mit einem sechseckigen Körperschaft verwendet werden und eine rechtwinklige Bolzenwelle kann mit einem rechtwinkligen Körperschaft verwendet werden. In einer Ausführungsform, bei der sowohl die Welle 130 als auch der Schaft 115 nicht kreisförmig sind, können die äußere bzw. die innere Oberfläche eine mechanische Grenzfläche zwischen ihnen bilden, was die Drehung des Schafts 115 und des Körpers 105 in Reaktion auf eine Drehung des Bolzens 110 zur Folge hat. Obwohl in den 3–5 lediglich drei Querschnittsgeometrien dargestellt sind, wird anerkannt, dass der Niet 100 nicht in dieser Weise beschränkt ist und in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der Erfindung jede Querschnittsgeometrie bei dem Niet 100 verwendet werden kann.
Wie in 1 gezeigt ist, ist die Welle 130 in dem axialen Loch 125 angeordnet und der Kopf 140 ist an dem zu dem Ende der Kappe 120 gegenüberliegenden Ende des Körpers 105 angeordnet. In einer Ausführungsform besitzt das Ende 145 des Bolzenkopfes 140 eine ebene Oberfläche 150, die im Wesentlichen senkrecht zu der Achse 135 der Welle 130 orientiert ist, wobei die ebene Oberfläche 150 bei einer Toleranz von plus/minus 2 Grad zur Achse 135 vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zur Achse 135 orientiert ist. Obwohl erwünscht ist, dass sich die ebene Oberfläche 150 über etwa 100 % des wirksamen Durchmessers D des Endes 145 des Bolzenkopfes 140 erstreckt, ist es außerdem möglich, eine ebene Oberfläche 150, die sich über weniger als 100 % des wirksamen Durchmessers D erstreckt, zu haben und zu verwenden. In einer alternativen Ausführungsform und nunmehr bei Bezugnahme auf 2 kann die ebene Oberfläche 150 einen wirksamen Außendurchmesser Ds besitzen, der kleiner als der wirksame Außendurchmesser D des Bolzenkopfes 140 ist. Die ebene Oberfläche 150 kann z. B. einen wirksamen Außendurchmesser Ds besitzen, der mindestens etwa 80 % des wirksamen Außendurchmessers D des Bolzenkopfes 140 ist. Trotz des Voranstehenden ist festgestellt worden, je näher der wirksame Durchmesser Ds an dem wirksamen Durchmesser D liegt, desto geringer ist die Tendenz, dass durch Rührreiben erweichtes Material seitlich in die Verbindungsstelle zwischen den Werkstücken verlagert wird.
Eine mechanische Grenzfläche 155, 160, 165, die in den 6–9 am besten zu sehen ist, zwischen dem Körper 105 und dem Bolzen 110 der 6 und 7 und zwischen der Welle 130 und dem Schaft 115 der 8 und 9 ermöglicht, dass sich der Körper 105 und der Schaft 115 in Reaktion auf die Drehung des Bolzens 110 und der Welle 130 drehen. Die 6 und 7 stellen Querschnitte dar, die ähnlich wie bei den 1 und 2 die Achse 135 enthalten, und die 8 und 9 stellen Querschnitte dar, die ähnlich wie die 4 und 5 senkrecht zur Achse 135 verlaufen.
In 6 enthält der Körper 105 einen verformten Bereich 170, derart, dass die innere Oberfläche 175 des Schafts 115 gegen die äußere Oberfläche 180 der Welle 130 gedrückt wird, wodurch die mechanische Grenzfläche 155 gebildet wird. Die Druckkraft auf die Grenzfläche 155 ist ausreichend um zu bewirken, dass sich der Körper 105 in Reaktion auf eine Drehung des Bolzens 110 dreht. In einer Ausführungsform wird der verformte Bereich 170 durch eine Bördeloperation erzeugt.
In 7 dagegen enthält der Bolzen 110 einen verformten, gestauchten oder gebördelten Bereich 185, derart, dass die äußere Oberfläche 190 des verformten Bereichs 185 während einer Operation des Rührreibnietens gegen die innere Kante 195 der Kappe 120 gedrückt wird. In einer alternativen Ausführungsform bilden der verformte Bereich 185 und der Kopf 140 eine dichte Passung zwischen der Oberseite und der Unterseite des Körpers 105, wodurch der Körper 105 während einer Operation des Rührreibnietens fest erfasst und gehalten werden wird. In allen Ausführungsformen von 7 können sich mechanische Grenzflächen 160 ergeben. Der Grad des Eingriffs an Grenzflächen 160 ist ausreichend um zu bewirken, dass sich der Körper 105 während einer Operation des Rührreibnietens in Reaktion auf eine Drehung des Bolzens 110 dreht.
In den 8 und 9 definieren die Welle 130 des Bolzens 110 und der Schaft 115 des Körpers 105, die jeweils übereinstimmende, nicht kreisförmige Querschnitte senkrecht zur Achse 135 haben, zwischen sich einen Ring 200, derart, dass die äußere Oberfläche der Welle 130 an der innen Oberfläche des Schafts 115 in Reaktion auf eine Drehung (Pfeil A) des Bolzens 110 um die Achse 135 in Eingriff gelangt, wodurch die mechanische Grenzfläche 165 gebildet wird, die am besten unter Bezugnahme auf die Phantomlinien 112 aller Figuren zu sehen ist, die einen gedrehten Bolzen 110 repräsentieren.
In einer alternativen Ausführungsform sind das Material und der Außendurchmesser d der Welle 130 und das Material und der Innendurchmesser B des Schafts 115 so ausgewählt bzw. dimensioniert, dass der Durchmesser d bei Raumtemperatur, wie z. B. bei 20 °C kleiner als der Durch messer B ist und bei einer Prozesstemperatur, wie z. B. bei einer Temperatur, die größer als 20 °C und höchstens die Schmelztemperatur für das Werkstück ist, gleich oder größer als der Durchmesser B ist. In einer Ausführungsform, bei der die Werkstücke aus Aluminium sind, ist die Prozesstemperatur z. B. kleiner als oder gleich einem Wert von etwa 660 °C und in einer Ausführungsform, bei der die Werkstücke aus thermoplastischen Werkstoffen sind, ist die Prozesstemperatur kleiner als die Schmelztemperatur des entsprechenden thermoplastischen Werkstoffs. Auf diese Weise wird bei der geeigneten Prozesstemperatur eine Presspassung infolge Wärmeausdehnung zwischen der Welle 130 und dem Schaft 115 die gewünschte mechanische Grenzfläche zwischen der Welle 130 und dem Schaft 115 erzeugen, so dass sich der Schaft 115 und der Körper 105 in Reaktion auf die Drehung von Bolzen 110 und Welle 130 drehen.
In einer Ausführungsform sind der Bolzen 110 und der Körper 105 so gewählt, dass sie aus Kupfer, Titan, Eisen oder einer Legierung sind, die wenigstens eines der oben genannten Materialien aufweist. Wenn der Bolzen 110 aus Stahl ist, wird vorzugsweise ein Stahl mit mittlerem oder hohem Kohlenstoffanteil verwendet. Der hier verwendete Ausdruck "Stahl mit mittlerem Kohlenstoffanteil" bezeichnet einen Stahl, der mindestens etwa 0,29 Gew.-% und höchstens etwa 0,53 Gew.-% Kohlenstoff aufweist, und der Ausdruck "Stahl mit hohem Kohlenstoffanteil" bezeichnet einen Stahl, der mindestens etwa 0,55 Gew.-% und höchstens etwa 0,95 Gew.-% Kohlenstoff aufweist.
Die Materialien, die für den Bolzen 110 und den Körper 105 verwendet werden, sind so ausgewählt, dass der Kopf 140 des Bolzens 110 ausreichend fest ist, um das Ende 205 des Körpers 105 in Reaktion darauf, dass der Kopf 140 nach dem Rührreibprozess axial in das Loch 125 des Körpers 105 gezogen wird, zu verformen, was in den 10–12 am besten zu sehen ist, die ein beispielhaftes Verfahren des Rührreibnietens gemäß Ausführungsformen der Erfindung zeigen.
In 10 wird das Werkstück 215 in geeigneter Weise unterstützt, das Werkstück 220 ist auf der Oberseite des Werkstücks 215 angeordnet, der Rührreibniet 100 ist an dem Eingriffspunkt 210 der Werkstücke 215, 220 positioniert und der Bolzen 110 wird über ein Drehantriebswerkzeug 225 um seine Drehachse 135 gedreht. In 11 hat das Werkzeug 225 den Niet 100 abwärts zu den Werkstücken 220 und 215 und in diese hinein rotatorisch angetrieben, so dass die sich ergebende Reibungswärme zwischen dem Niet 100 und den Werkstücken 220, 215 bewirkt, dass die Materialien der Werkstücke 220, 215 erweichen, wodurch ein durch Rührreiben erzeugter Verlagerungsweg (der allgemein durch das Bezugszeichen 250 angegeben ist) für den Durchgang des Niets 100 geschaffen wird. Der Niet 100 wird längs des Verlagerungsweges angetrieben, bis die Kappe 120 auf der oberen Oberfläche 230 des Werkstücks 220 aufsitzt. Obwohl es möglich sein könnte, den Niet 100 mit einer ausreichenden Drehzahl und Rate zu drehen und anzutreiben, um ein Schmelzen der Werkstücke 220, 215 zu bewirken, ist festgestellt worden, dass ein Drehen und Antreiben des Niets 100, um ein Erweichen der Werkstücke 220, 215 zu bewirken, ausreichend ist, um eine geeignete Verbindung zu erzeugen. In einer Ausführungsform dreht das Werkzeug 225 den Bolzen 110 bei einer Drehzahl von etwa 12000 min^–1 und treibt den Niet 100 bei einer Rate von mindestens 6 mm/min und höchstens 150 mm/min nach unten voran. Es wird jedoch angenommen, dass Drehzahlen von höchstens 12000 min^–1 für den hier offenbarten Zweck geeignet sein können. Eine beispielhafte Vorschubrate von etwa 12 mm/min wurde bei Verwendung von Werkstücken 220, 215 aus Aluminium 2024-T3 angewendet. Als ein Ergebnis der Drehzahl in Kombination mit der Vorschubrate und der Reibungswärme, die zwischen dem Ende 140 des Bolzens 110 und der Oberfläche 230 des Werkstücks 220 erzeugt wurde, wurde eine Temperatur des Rührreibprozesses aufgebaut, die das Erweichen der Werkstücke 220 und 215 zur Folge hatte und vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise ein Erweichen ohne Schmelzen zur Folge hatte. Wie oben erläutert wurde, ist die Prozesstemperatur die Temperatur zwischen der Raumtemperatur und der Schmelztemperatur der Werkstücke 220, 215, bei der die Werkstücke 220, 215 ausreichend weich sind, um einen Rührreib-Verlagerungsweg für den Durchgang des Niets 100 zu schaffen. In einer Ausführungsform ist die Prozesstemperatur wesentlich niedriger als die Schmelztemperatur des Niets 100.
In einer Ausführungsform und weiterhin in 11 stellt das Werkzeug 225 den Niet 100 zu den Werkstücken 220, 215 zu, bis die Unterseite der Kappe 120 sich in einem belasteten Kontakt mit der oberen Oberfläche 230 des Werkstücks 220 befindet, was ein Rührreiben und ein teilweises Eindringen der Kappe 120 in die Oberfläche 230 zur Folge hat, die Drehung des Bolzens 110 mit 12000 min^–1 wird für einen definierten Zeitraum, wie etwa zwei Sekunden, aufrechterhalten und anschließend wird die weitere Drehung angehalten, damit die Werkstücke 220, 215 und der Bolzen 110 unter die Prozesstemperatur abkühlen können. Während des Abkühlens verfestigen sich die erweichten Werkstücke 220, 215.
In einer alternativen Ausführungsform hält das Werkzeug 225 die Drehung bei 12000 min^–1 für einen definierten Zeitraum aufrecht, nachdem die Unterseite der Kappe 120 auf die obere Oberfläche 230 des Werkstücks 220 aufgesetzt wurde und hält dann die weitere Drehung an, damit sich die Werkstücke 220, 215 und der Bolzen 110 unter die Prozesstemperatur abkühlen können.
In 12 übt das Werkzeug 225 nach dem Verfestigen eine axiale Zugbelastung (Ziehoperation) an dem Bolzen 110 mit einer ausreichenden Kraft aus, um den Bolzenkopf 140 in das Ende 205 des Körpers 105 zu treiben, um das Ende 205 in einer stauchähnlichen Operation zu verformen und um zu bewirken, dass die Bolzenwelle 130 an einer Stelle 235 im Körper 105 und nahe an der Kappe 120 getrennt wird. Folglich werden die Werkstücke 220, 215 durch die im flüssigen Zustand verbundenen Materialien der Werkstücke 220, 215, die unterschiedliche Wärmekontraktion der Werkstücke 220, 215 und des Niets 100 sowie die mechanische Belastung zwischen dem Bolzen 110 und dem Körper 105 und zwischen dem Körper 105 und den Werkstücken 220, 215 am Eingriffspunkt 210 zusammengehalten.
Um das Abtrennen der Welle 130 während der Ziehoperation zu unterstützen, enthält eine Ausführungsform der Welle 130 einen ersten Bereich 240 mit verhältnismäßig hoher Zugfestigkeit und einen zweiten Bereich 245 mit verhältnismäßig geringer Zugfestigkeit, die in 1 dargestellt sind, jedoch außerdem bei anderen Ausführungsformen der Welle 130 angewendet werden können, die in den 2, 6, 7 und 10–12 dargestellt sind. In einer Ausführungsform werden der erste und der zweite Bereich 240, 245 mit verhältnismäßig hoher bzw. geringer Zugfestigkeit erreicht, indem die Querschnittsfläche der Welle 130 in den beiden Bereichen unterschiedlich gestaltet werden. Der zweite Bereich 245 befindet sich nahe an der Kappe 120, wodurch ein wesentlicher Abschnitt der Welle 130 nach dem Abtrennen in dem Körper 105 verbleibt, was zur Festigkeit der resultierenden Nietverbindung beiträgt. Es ist bei einer Ausführungsform festgestellt worden, dass die Verbindungsstärke etwa um einen Faktor zwei im Vergleich zu der gleichen Verbindung ohne den Abschnitt des Bolzens 110 verbessert wird, indem bewirkt wird, dass ein Abschnitt des Bolzens 110 in dem Körper 105 gehalten wird.
Wie oben beschrieben wurde, ist in einer Ausführungsform das Ende 145 des Bolzens 110 eben sowie mit einer Abweichung von plus/minus 2 Grad senkrecht zur Achse 135, wobei die ebene Oberfläche 150 einen wirksamen Durchmesser von etwa 100 % des wirksamen Durchmessers des Kopfes 140 besitzt. Die Verwendung der ebenen Oberfläche 150 schafft eine wirkungsvolle Möglichkeit zum Auslösen und Erzeugen von Reibungswärme, wenn die rotierende ebene Oberfläche 150 des Bolzens 110 in die Werkstücke 220, 215 vorgetrieben wird, und die Verwendung der zu 100 % ebenen Oberfläche 150 schafft eine wirkungsvolle Art zur Verringerung der Tendenz für das längs des Verlagerungsweges verlagerte Material, an den aneinander anstoßenden Oberflächen in den Bereich zwischen den Werkstücken 220, 215 einzudringen, wenn der Niet 100 in die Werkstücke 220, 215 und durch sie vorgetrieben wird.
Infolge der erhöhten Temperaturen (Prozesstemperatur), die mit dem Rührreibnieten verbunden sind, ist es erwünscht, für den Bolzen 110 ein Material zu verwenden, das erhöhten Temperaturen widerstehen kann, ohne während der Dauer des Nietvorgangs Zugfestigkeitseigenschaften im Wesentlichen zu verlieren. Metallurgische Härtungsprozesse, wie etwa Umformungshärten oder Kalthärtung, entwickeln im Allgemeinen Mikrostrukturen, die sich infolge von Diffusionsvorgängen verschlechtern, wenn sie erhöhten Temperaturen ausgesetzt werden. Es ist vorgesehen, dass der Bolzen 110 den Körper 105 des Niets 100 vor dem Abtrennen staucht. Um diese Fähigkeit nach dem Rührreibnieten aufrechtzuerhalten, sollte der Bolzen unter Verwendung eines Prozesses verfestigt werden, der die Festigkeit des Bolzens bei dem zeitlichen Temperaturverlauf, den der Bolzen während des Prozesses des Rührreibnietens erfahren hat, im Wesentlichen beibehält. Das würde im Idealfall einschließen, dass die Zugfestigkeit des Bolzens durch den zeitlichen Temperaturverlauf des Nietprozesses unbeeinflusst bleibt, es können jedoch weniger strenge Forderungen aufgestellt werden, vorausgesetzt, dass die Funktionsanforderung des Stauchens vor dem Abtrennen erfüllt werden. Da der Grad des Erweichens durch die ursprüngliche Wahl des Verfestigungsmechanismus beeinflusst wird, sollte die maximale Temperatur, die erreicht wird, und die Zeitdauer, während der der Bolzen 110 der Prozesstemperatur ausgesetzt ist, sowie das Erweichungsverhalten des Bolzens 110 bei dem zeitlichen Temperaturverlauf, dem er ausgesetzt ist, berücksichtigt werden. Daher würde z. B. ein Bolzen 110 mit einer getemperten Martensitstruktur, die in 13 gezeigt ist, im Allgemeinen gegenüber einem kalt gezogenen Bolzen, der in 14 gezeigt ist, bevorzugt sein, da der Bolzen aus getemperten Martensit während des Temperprozesses bereits kurzzeitig einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wurde, während das bei der kalt gezogenen Struktur nicht der Fall ist. Es ist daher zu erwarten, dass die kalt gezogene Struktur bei identischen Nietprozessbedingungen stärker erweicht als die Struktur aus getemperten Martensit. Der hier verwendete Ausdruck "kurzzeitiger Temperaturverlauf" bezeichnet eine Temperatur bei oder unter der Prozesstemperatur für eine Zeitperiode, die höchstens etwa zwei Minuten dauert. Die 13 und 14 sind vergrößerte Ansichten der entsprechenden Materialmikrostruktur, wobei eine Skala von 50μm (Mikrometer) ebenfalls gezeigt ist.
In einer Ausführungsform ist ein geeignetes Material für den Bolzen 110 ein Stahl mit mittlerem Kohlenstoffanteil, wie z. B. mit 0,40 Gew.-%, der abgeschreckt wird, um Martensit zu bilden, und anschließend bei einer Temperatur von mindestens etwa 450 °C für mindestens etwa 30 Minuten getempert wird, wobei er vorzugsweise bei einer Temperatur von mindestens etwa 500 °C für mindestens etwa 30 Minuten getempert wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein geeignetes Material für den Bolzen 110 ein Material, das eine Änderung der Zugfestigkeit in Reaktion auf den Rührreibprozess erfährt, der eine erhöhte Temperatur bei der Prozesstemperatur für die Haltezeit beinhalten kann, die eine Änderung von höchstens etwa 5 % und vorzugsweise von höchstens etwa 1 % aufweist.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein geeignetes Material für den Bolzen 110 ein Material, das einer Prozesstemperatur widerstehen kann, die mindestens etwa 50 % und höchstens etwa 100 % der höchsten Schmelztemperatur von metallischen Werkstücken 220, 215 ist bei einer Prozessdauer, die höchstens etwa zwei Minuten beträgt, so dass das Ende 205 des Körpers 105 gestaucht wird, bevor der zweite Bereich 245 während des Ziehprozesses abgetrennt wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein geeignetes Material für den Bolzen 110 ein Material, das einer Prozesstemperatur widerstehen kann, die mindestens gleich der höchsten Glasübergangstemperatur und höchstens gleich der höchsten Schmelztemperatur der polymerischen Werkstücke 220, 215 ist bei einer Prozessdauer, die höchstens etwa zwei Minuten beträgt, so dass das Ende 205 des Körpers 105 gestaucht wird, bevor der zweite Bereich 245 während des Ziehprozesses abgetrennt wird.
In einer weiteren Ausführungsform mit unterschiedlichen Materialien für die Werkstücke 220, 215, wie z. B. ein polymerisches oberes Werkstück 220 und ein metallisches unteres Werkstück 215, ist ein geeignetes Material für den Bolzen 110 ein Material, das der höheren Temperatur von den oben erwähnten Prozesstemperaturen für das polymerische Werkstück 220 bzw. das metallische Werkstück 215 widerstehen kann.
Obwohl einige Herstellungsprozesse wegen kurzer Rührreib-Haltezyklen, wie z. B. die oben erwähnte Dauer von zwei Sekunden, erwünscht sein können, können bei anderen Herstellungsprozessen längere Haltezyklen bevorzugt sein, wie z. B. eine Minute oder zwei Minuten. Bei einem Haltezyklus von zwei Sekunden oder länger wird angenommen, dass die Verwendung einer Martensit- oder Bainit-Mikrostruktur für den Bolzen 110 einen festeren Niet 100 im Vergleich zu einem Niet 100 mit einem Bolzen 110, der eine kaltgezogene Mikrostruktur aufweist, zur Folge hat.
Es wird jedoch anerkannt, dass die Gesamtproduktionsprozesszyklen auf die Vorschubrate des Prozesses des Rührreibnietens empfindlich sein können, wobei eine schnellere Vorschubrate bevorzugt ist, und dass eine schnellere Vorschubrate geringere Temperaturen für eine kürzere Zeitdauer und demzufolge ein geringeres Glühen des Bolzens zur Folge hat, wodurch Bolzenmaterialien möglich werden, wie z. B. kaltgezogene Mikrostrukturen, die die gewünschten Prozessparameter bezüglich Zeit und Temperatur des Prozesses des Rührreibnietens aushalten. Demzufolge kann unter bestimmten Bedingungen eine kaltgezogene Mikrostruktur für das Material des Bolzens 110 für die hier offenbarten Verwendungsmöglichkeiten geeignet sein.
Aus dem Vorhergehenden wird klar, dass ein geeignetes Material für den Bolzen 110 nicht auf Martensit, Bainit oder irgendeine weitere spezifische Mikrostruktur beschränkt ist, sondern statt dessen durch die resultierenden Materialcharakteristiken des Bolzens 110, nachdem er den Prozessparametern Zeitdauer und Temperatur ausgesetzt wurde, festgelegt wird.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung sind Werkstücke 220, 215, die eine Dicke von 3 mm aufweisen und aus Aluminium 5052 hergestellt sind, erfolgreich verbunden worden. Es wird jedoch angenommen, dass Ausfüh rungsformen der Erfindung außerdem Möglichkeiten zum Verbinden von ungleichen Materialien bieten, die Verbundstoffe mit Aluminium, Polymere mit Aluminium und Aluminium mit Magnesium enthalten, jedoch nicht darauf beschränkt sind. Bei Verbundstoffen mit Aluminium oder Verbindungen aus Polymer und Aluminium wird angenommen, dass das Aluminium unter dem Verbundstoff oder dem Polymer angebracht wird, so dass der sich während der Ziehoperation ausdehnende Niet an dem Aluminium in Eingriff gelangen kann, wenn er durch den Kopf 140 des Bolzens ausgedehnt wird, während der Verbundstoff oder das Polymer durch die größere Nietkappe 120 des Körpers 105 gehalten und somit einer geringeren, weniger lokalisierten Belastung ausgesetzt wird.
Wie offenbart wurde, können bestimmte Ausführungsformen der Erfindung einige der folgenden Vorteile enthalten: die Fähigkeit, Werkstücke miteinander zu verbinden, ohne dass ein Loch im Voraus vorhanden ist, wodurch Probleme in Bezug auf Spiel, Toleranz, Passung und Ausrichtung minimal gemacht werden, insbesondere bei Stapeln aus mehreren Elementen; verbesserte Kriechsteuerung des verlagerten Materials, wodurch seine Tendenz verringert wird, in den Verbindungsbereich zwischen den Werkstücken einzudringen, wodurch die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass das verlagerte Material die Werkstücke auseinander drückt, wenn es sich abkühlt und verfestigt und zwischen ihnen einen großen Spalt hinterlässt; und die Möglichkeit des Rührreibnietens von ungleichen Materialien.

Claims

Rührreibniet (100), umfassend: einen Körper (105) mit einem lang gestreckten zylindrischen Schaft (115), einer Kappe (120) an einem ersten Ende und einem axialen Loch (125), das sich durch den Körper erstreckt; einen Bolzen (110) mit einer lang gestreckten Welle (130), die eine Achse (135) definiert, und einem Kopf (140) an einem Ende (145) davon, wobei der Kopf (140) einen wirksamen Außendurchmesser besitzt, der größer als der wirksame Außendurchmesser der Welle (130) ist, die Welle (130) in dem axialen Loch (125) des Körpers (105) angeordnet ist, der Bolzenkopf (140) an einem dem Ende der Kappe (120) gegenüberliegenden Ende (105) des Körpers (105) angeordnet ist und das Ende (145) des Bolzenkopfes (140) eine ebene Oberfläche (150) aufweist, die im Wesentlichen senkrecht zu der Achse (135) der Welle (130) orientiert ist; und eine mechanische Grenzfläche (155) zwischen dem Körper (105) und dem Bolzen (110), derart, dass sich der Körper (105) in Reaktion auf eine Drehung des Bolzens (110) dreht.
Niet (100) nach Anspruch 1, bei dem: die ebene Oberfläche (150), die im Wesentlichen senkrecht zu der Achse (135) der Welle (130) orientiert ist, im Bereich von plus/minus zwei Grad senkrecht zur Achse verläuft.
Niet (100) nach Anspruch 1, bei dem: die ebene Oberfläche (150) einen wirksamen Außendurchmesser besitzt, der mindestens 80 % des wirksamen Außendurchmessers des Bolzenkopfes (140) beträgt.
Niet (100) nach Anspruch 3, bei dem: die ebene Oberfläche (150) sich über etwa 100 % des wirksamen Durchmessers des Endes (145) des Bolzenkopfes (140) erstreckt.
Niet (100) nach Anspruch 1, bei dem: die Welle (130) einen ersten Bereich (240) mit einer ersten Zugfestigkeit und einen zweiten Bereich (245) mit einer zweiten Zugfestigkeit aufweist, wobei die zweite Zugfestigkeit niedriger ist als die erste Zugfestigkeit und der zweite Bereich (245) nahe an der Kappe (120) angeordnet ist.
Niet (100) nach Anspruch 1, bei dem: der Bolzen (110) ein Material mit einer Mikrostruktur umfasst, deren Festigkeit während einer kurzzeitigen Temperaturerhöhung im Wesentlichen aufrechterhalten bleibt, so dass nach einer kurzzeitigen Temperaturerhöhung und in Reaktion darauf, dass der Bolzenkopf (140) in den Körper (105) gezogen wird, der Bolzen (110) eine ausreichende Festigkeit besitzt, um den Körper (105) zu stauchen, bevor der Bolzen (110) abgetrennt wird.
Niet (100) nach Anspruch 1, bei dem: der Bolzen (110) ein Material mit einer Martensit-Mikrostruktur umfasst.
Niet (100) nach Anspruch 1, bei dem: der Bolzen (110) ein Material mit einer Bainit-Mikrostruktur umfasst.
Niet (100) nach Anspruch 1, bei dem: der Bolzen (110) ein Material mit einer kalt gezogenen Mikrostruktur umfasst.
Niet (100) nach Anspruch 1, bei dem: der Körper (105) einen verformten Bereich (170) umfasst, wodurch die mechanische Grenzfläche (155) definiert ist.
Niet (100) nach Anspruch 1, bei dem: der Bolzen (110) einen verformten Bereich (185) umfasst, wodurch die mechanische Grenzfläche (160) definiert ist.
Niet (100) nach Anspruch 1, bei dem: der Bolzen (110) und der Körper (105) nicht kreisförmige Querschnitte senkrecht zu der Rotationsachse (135) besitzen, die einen nicht kreisförmigen Ring (200) definieren, so dass die äußere Oberfläche (180) des Bolzens (110) an der inneren Oberfläche (175) des Körpers (105) in Reaktion auf die Drehung des Bolzens (110) in Eingriff gelangt, wodurch die mechanische Grenzfläche (165) definiert ist.
Niet (100) nach Anspruch 1, bei dem: die Welle (130) einen wirksamen Außendurchmesser besitzt, der bei einer Prozesstemperatur, die höher als die Raumtemperatur ist, gleich oder größer als der wirksame Innendurchmesser des Schafts (155) ist, wodurch die mechanische Grenzfläche (155) definiert ist.
Niet (100) nach Anspruch 1, bei dem: der Bolzen (110) und der Körper (105) aus Kupfer, Titan, Eisen oder einer Legierung besteht, die wenigstens eines der genannten Elemente enthält.
Niet (100) nach Anspruch 1, bei dem: der Bolzen (110) aus Stahl mit mittlerem Kohlenstoffanteil oder aus Stahl mit hohem Kohlenstoffanteil besteht.
Niet (100) nach Anspruch 1, bei dem: der Bolzen (110) aus einem Stahl mit mittlerem Kohlenstoffanteil besteht, der mindestens 0,29 Gew.-% und höchstens 0,53 Gew.-% Kohlenstoff aufweist und der abgeschreckt wird, um eine Martensit-Mikrostruktur zu bilden und anschließend bei einer Temperatur von mindestens etwa 450 °C für mindestens etwa 30 Minuten getempert wird.
Niet (100) nach Anspruch 16, bei dem: der Bolzen (110) bei einer Temperatur von mindestens etwa 500 °C für mindestens etwa 30 Minuten getempert wird.
Niet (100) nach Anspruch 1, bei dem: der Bolzen (110) aus einem Material besteht, bei dem eine Änderung der Zugfestigkeit in Reaktion auf den Rührreibprozess erfolgt, die eine Änderung von höchstens etwa 5 % ist.
Niet (100) nach Anspruch 18, bei dem: der Bolzen (110) aus einem Material besteht, bei dem eine Änderung der Zugfestigkeit in Reaktion auf den Rührreibprozess erfolgt, die eine Änderung von höchstens etwa 1 % ist.
Verfahren zum Verbinden eines oberen und eines unteren Werkstücks (215, 220), die an einem Eingriffspunkt in flüssiger Form miteinander verbunden werden können, das die folgenden Schritte umfasst: Positionieren eines Rührreibniets (100) an dem Eingriffspunkt (210) der Werkstücke (215, 220), wobei der Niet (100) umfasst: einen Körper (105) mit einem lang gestreckten zylindrischen Schaft (115), einer Kappe (120) an einem ersten Ende und einem axialen Loch (125) durch den Körper; einen Bolzen (110) mit einer lang gestreckten Welle (130), die eine Achse (135) definiert, und einem Kopf (140) an einem Ende (145) davon, wobei der Kopf (140) einen wirksamen Außendurchmesser besitzt, der größer als der wirksame Außendurchmesser der Welle (130) ist, die Welle (130) in dem axialen Loch (125) des Körpers (105) angeordnet ist, der Bolzenkopf (140) an einem zu dem Ende der Kappe (120) gegenüberliegenden Ende (205) des Körpers (105) angeordnet ist und das Ende (145) des Bolzenkopfes (140) eine ebene Oberfläche (150) aufweist, die im Wesentlichen senkrecht zu der Achse (135) der Welle (130) orientiert ist; und eine mechanische Grenzfläche (155) zwischen dem Körper (105) und dem Bolzen (110), derart, dass sich der Körper (105) in Reaktion auf eine Drehung des Bolzens (110) dreht; Drehen des Bolzens (110) um seine Drehachse (135), Vortreiben des Niets (100) zu den und in die Werkstücke (215, 220), derart, dass die resultierende Reibungswärme zwischen dem Niet (100) und den Werkstücken (215, 220) bewirkt, dass die Materialien der Werkstü cke (215, 220) bei einer Prozesstemperatur erweichen, wodurch ein durch Rührreiben erzeugter Verlagerungsweg (250) für den Durchgang des Niets (100) geschaffen wird, und Vortreiben des Niets (100) längs des Verlagerungsweges (256), bis die Kappe (120) an den Werkstücken (215, 220) aufsitzt; Anhalten der weiteren Drehung des Bolzens (110) und Zulassen, dass die Werkstücke (215, 220) unter die Prozesstemperatur abkühlen, wodurch sich die erweichten Werkstücke (215, 220) verfestigen können; und axiales Belasten des Bolzens (110) mit einer ausreichenden Kraft, um den Bolzenkopf (140) in das Ende (145) des Körpers (105) zu treiben, wodurch das Körperende (145) gestaucht und ausgedehnt wird, um einen Eingriff zwischen dem Körper (105) und der Unterseite des untersten Werkstücks (220) zu erzeugen und um zu bewirken, dass die Bolzenwelle (130) an einem Punkt getrennt wird, der im Körper (105) und nahe an der Kappe (120) liegt, was zur Folge hat, dass die Werkstücke (215, 220) durch die im flüssigen Zustand verbundenen Materialien der Werkstücke (215, 220), die unterschiedliche Wärmekontraktion der Werkstücke (215, 220) und des Niets (100) und die mechanische Belastung zwischen dem Bolzen (110) und dem Körper (105) am Eingriffspunkt (210) zusammen gehalten werden.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem das Drehen umfasst: Drehen des Bolzens (110) mit einer Drehzahl von höchstens 12000 min^–1.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem das Drehen umfasst: Vortreiben des Niets (100) mit einer Rate von mindestens etwa 6 mm/min und höchstens etwa 150 mm/min.
Verfahren nach Anspruch 20, ferner umfassend: Aufrechterhalten der Drehung des Bolzens (110) bei einer Drehzahl von etwa 12000 min^–1 für etwa 2 Sekunden, nachdem die Kappe (120) an den Werkstücken (215, 220) anliegt.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem ein Bolzen (110) verwendet wird, dessen ebene Oberfläche (150) sich über mindestens etwa 80 % des wirksamen Durchmessers des Endes (145) des Bolzenkopfes (140) erstreckt, wodurch das Material längs des Verlagerungsweges (250) derart verlagert wird, dass sich die Tendenz verringert, dass das verlagerte Material in den Bereich zwischen den Werkstücken (215, 220) eindringt, wenn der Niet (100) in die Werkstücke (215, 220) getrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem ein Bolzen (110) verwendet wird, dessen ebene Oberfläche (150) sich über etwa 100 % des wirksamen Durchmessers des Endes (145) des Bolzenkopfes (140) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem das Vortreiben des Niets (100) in die Werkstücke (215, 220) umfasst: Vortreiben des Niets (100) beim Fehlen eines im Voraus vorhandenen Lochs in den Werkstücken (215, 220).
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem das Bewirken, dass die Materialien der Werkstücke (215, 220) auf eine Prozesstemperatur erweicht werden, umfasst: Bewirken, dass die Materialien der Werkstücke (215, 220) auf eine Prozesstemperatur erweicht werden, die im Wesentlichen niedriger als die Schmelztemperatur des Niets (100) ist.
Verfahren nach Anspruch 20, ferner umfassend: Vortreiben des Niets (100) längs des Verlagerungswegs (250), bis sich die Unterseite der Kappe (120) in einem belasteten Kontakt an einem der Werkstücke (215, 220) befindet; und Rührreiben und teilweises Eindringen der Kappe (120) in eines der Werkstücke (215, 220).