DE102005037134B4 - Friction welding-based method for joining two flat joining partners - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Verbinden zweier flächiger Fügepartner (1, 2) mittels eines reibschweiß-basierten Prozesses mit folgenden Merkmalen:
– Bereitstellen eines ersten Fügepartners (1) mit einer Fügekante (3), die mit Hinterschneidungen (4) versehen ist,
– Positionieren des zweiten Fügepartners (2) mit seiner Fügezone (8) im Überlapp auf die Hinterschneidungen (4) der Fügekante (5) des ersten Fügepartners (1), und
– Beaufschlagen der Fügezone (8) des zweiten Fügepartners (2) von der dem ersten Fügepartner (1) abgewandten Seite her in Richtung (Z) auf diesen mit der im Wesentlichen planen, pinlosen Stirnfläche (7) eines rotierenden Schweißdorns (6) unter zumindest teilweisem Plastifizieren und Einpressen des Materials der beaufschlagten Zone des zweiten Fügepartners (2) in die Hinterschneidungen (4) des ersten Fügepartners (1).Method for connecting two flat joining partners (1, 2) by means of a friction-welding-based process with the following features:
Providing a first joining partner (1) with a joining edge (3) which is provided with undercuts (4),
- Positioning of the second joining partner (2) with its joining zone (8) in the overlap on the undercuts (4) of the joining edge (5) of the first joining partner (1), and
- Acting on the joining zone (8) of the second joining partner (2) from the side facing away from the first joining partner (1) in the direction (Z) with the substantially planar, pinless end face (7) of a rotating welding mandrel (6) under at least Partial plasticizing and pressing the material of the applied zone of the second joining partner (2) in the undercuts (4) of the first joining partner (1).

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden zweier flächiger Fügepartner mittels eines reibschweiß-basierten Prozesses, wobei unter flächige Fügepartner nicht nur dünne ebene Bauteile, sondern auch dreidimensional gekrümmte Bauteile verstanden werden sollen, die in Richtung der Materialtiefe dünn sind.The The invention relates to a method for connecting two flat joining partners by means of a friction welding-based Process, being under surface joining partner not just thin planar components, but also three-dimensionally curved components should be understood, which are thin in the direction of the material depth.

Der nächstkommende Stand der Technik wird durch das sogenannte „Reibrührschweißen” repräsentiert. Dabei werden die beiden flächigen Fügepartner einer Schweißverbindung im Stumpf- oder Überlappstoß zueinander positioniert. Zum Herstellen einer Schweißverbindung zwischen diesen beiden Fügepartnern wird ein rotierender Schweißdorn von oben unter Druck auf die Fügezone gesetzt und entlang der anzulegenden Schweißnahtkontur über die Fügepartner geführt. Dabei weist die Stirnfläche des Schweißdorns einen in dessen Axialrichtung abstehenden Pin auf, der während des Schweißprozesses in die Fügepartner eintaucht. Das Wirkprinzip beim Reibrührschweißen beruht darauf, dass Reibungswärme, die im Wesentlichen unter der den Pin umgebenden Schulter des Schweißdorns erzeugt wird, die zu verbindenden Materialien plastifiziert. Durch den in die Fügepartner eintauchenden Pin werden die plastifizierten Materialien der beiden Fügepartner quasi ineinander verrührt, ohne dass ein Aufschmelzen der Fügepartner erfolgt. Insoweit ist das Reibrührschweißen ein Festphasenprozess, wodurch schmelzbedingte Probleme beim Schweißen, wie beispielsweise die Bildung spröder intermetallischer Phasen vermieden werden.Of the closest The prior art is represented by the so-called "friction stir welding". Here are the two plane joining partner a welded joint in butt or lap joint to each other positioned. To make a welded connection between them two joining partners becomes a rotating mandrel of above under pressure on the joining zone set and along the weld seam contour to be applied over the joining partner guided. In this case, the end face of the welding mandrel a protruding in the axial direction pin, which during the welding process in the joining partners dips. The operating principle of friction stir welding is based on the fact that frictional heat, the essentially under the pin surrounding shoulder of the welding mandrel is generated plasticized the materials to be joined. By in the joining partner dipping pin become the plasticized materials of the two joining partner almost mixed together, without a melting of the joining partners he follows. In that regard, the friction stir welding is on Solid-phase process, which causes melt-related problems in welding, such as for example, the formation of brittle intermetallic phases are avoided.

Ein Überblick über das Reibrührschweißen gibt die Firmendruckschrift der TWI Ltd. „TALAT Lecture 4410 Friction Stir Welding” von C. J. Dawes, 1999. In dieser Druckschrift sind unter anderem folgende Hauptvorteile des Reibrührschweißens angegeben:

  • – Das Verfahren ist auf einer einfachen elektromechanischen Werkzeugmaschine durchführbar.
  • – Der Schweißprozess benötigt weder Füllmaterialien noch eine Schutzgassicherung.
  • – Eine spezielle Profilierung der Kanten der Fügepartner ist entbehrlich.
  • – Eine Entfernung von Oxidschichten vor dem Schweißen entfällt.
  • – Das Reibrührschweißen ist für eine Automation optimal geeignet.
  • – Der Schweißprozess kann in allen Werkstück-Positionen durchgeführt werden.
  • – Es können Schweißverbindungen in Legierungen hergestellt werden, die aufgrund ihrer Rissempfindlichkeit nicht schmelzgeschweißt werden können.
  • – Hohe Festigkeiten und Porenfreiheit der Verbindung können erzielt werden.
  • – Die negativen Einflüsse intermetallischer Prozesse beim Schmelzschweißen werden komplett vermieden.
  • – Schwierige Schweißgeometrien auch in drei Dimensionen können beherrscht werden.
An overview of the friction stir welding is given by the company publication of TWI Ltd. "TALAT Lecture 4410 Friction Stir Welding" by CJ Dawes, 1999. In this document, the following main advantages of friction stir welding are given:
  • - The method is feasible on a simple electromechanical machine tool.
  • - The welding process requires neither filling materials nor protective gas protection.
  • - A special profiling of the edges of the joining partners is unnecessary.
  • - A removal of oxide layers before welding is eliminated.
  • - The friction stir welding is optimally suited for automation.
  • - The welding process can be carried out in all workpiece positions.
  • - Welded joints can be made in alloys that can not be fusion-welded due to their crack sensitivity.
  • - High strength and freedom from pores of the compound can be achieved.
  • - The negative effects of intermetallic processes in fusion welding are completely avoided.
  • - Difficult welding geometries in three dimensions can be mastered.

Die Reibrührschweiß-Technik weist aber auch nicht unerhebliche Nachteile auf:

  • – Der Schweißdorn unterliegt beim Schweißen von höher- und hochschmelzenden Werkstoffen und Verbindungen, wie beispielsweise Stählen, Titan usw. einem hohen Verschleiß.
  • – Entsprechend entstehen durch die Verwendung von hochverschleißfesten Werkzeugen beispielsweise aus Wolfram und PCBN für das Schweißen von höher- und hochschmelzenden Werkstoffen/Verbindungen erhöhte Werkzeugkosten.
  • – Die Adaption der Werkzeuggeometrie, z. B. hinsichtlich Durchmesser der Schulter und des Pins, Länge des Pins, dessen geometrische Ausprägung sowie Anpassung an die Blechdicke und die Stoßart sind aufwändig.
  • – Für die Herstellung hybrider Verbindungen sind komplexe Interaktionen und Abhängigkeiten der beteiligten Materialien mit dem Werkzeug zu beachten.
  • – Es treten hohe Prozesskräfte auf, zu deren Beherrschung ein steifer Aufbau der verwendeten Werkzeugmaschinen und Spannvorrichtungen notwendig ist.
  • – Am Ende einer jeden Schweißnaht bleibt durch das Ausfahren des Werkzeugpins quer zur Schweißebene ein Loch (”pin-hole”) zurück.
However, the friction stir welding technique also has not insignificant disadvantages:
  • - The welding mandrel is subject to high wear during welding of high-melting and high-melting materials and compounds, such as steels, titanium, etc.
  • - Accordingly, the use of highly wear-resistant tools such as tungsten and PCBN for the welding of higher-melting and high-melting materials / compounds increased tooling costs.
  • - The adaptation of the tool geometry, z. B. in terms of diameter of the shoulder and the pin, length of the pin, its geometric shape and adaptation to the sheet thickness and the Stoßart are consuming.
  • - Complex interactions and dependencies of the materials involved with the tool must be taken into account when producing hybrid connections.
  • - There are high process forces, to their mastery a rigid structure of the machine tools and fixtures used is necessary.
  • - At the end of each weld, a hole ("pin-hole") remains behind by the extension of the tool pin transverse to the welding plane.

Die DE 22 10 855 C2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum direkten Verbinden von Metallteilen miteinander, wobei die Metallteile einer Reibbehandlung auf einer Arbeitsfläche im Bereich der vorzunehmenden Verbindung unterzogen werden. Diese Reibbehandlung erfolgt in Form einer Reibbewegung mit hoher Relativgeschwindigkeit zwischen einem Reibwerkzeug und der Arbeitsfläche. Dadurch wird ein außerordentlich lokalisierter Energieimpuls hoher Intensität an der Grenzfläche der Metallteile erzeugt, so dass auch dünne Bleche und Folien, ohne erheblichen Druck auf die beiden Fügepartner ausüben zu müssen, miteinander verschweißt werden. Der Reibschweißvorgang, wie er in dieser Druckschrift offenbart ist, ist vom Charakter her eher einem Ultraschallschweißverfahren zuzuordnen.The DE 22 10 855 C2 describes a method and an apparatus for directly joining metal parts together, wherein the metal parts are subjected to a rubbing treatment on a working surface in the region of the connection to be made. This rubbing treatment takes place in the form of a friction movement with a high relative speed between a reaming tool and the working surface. As a result, an extraordinarily localized energy pulse of high intensity is generated at the interface of the metal parts, so that even thin sheets and films, without having to exert considerable pressure on the two joining partners, are welded together. The friction welding process, as disclosed in this document, is more in nature associated with an ultrasonic welding process.

Die DE 103 03 623 A1 offenbart eine spezielle Methode des Reibrührschweißens, wobei mit einem pin-behafteten Reibwerkzeug zusätzlich durch die den Pin umgebenden Schultern Druck auf das oben liegende Werkstück erzeugt und damit dessen Material in Nuten im unteren Werkstück zusätzlich durch Reibrühren eingedrückt wird. Aufgrund des pin-behafteten Werkzeuges treten hier die oben ausführlich erörterten Nachteile auf.The DE 103 03 623 A1 discloses a special method of friction stir welding, wherein pressure additionally generated by the pin surrounding shoulders with a pin-prone rubbing tool on the overhead workpiece and thus its material is additionally pressed in grooves in the lower workpiece by friction stir. Due to the pin-tipped tool, the ones appear at the top discussed in detail.

Ausgehend von den geschilderten Problemen zum Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen reibschweiß-basierten Fügeprozess zwischen zwei flächigen Fügepartnern so zu verbessern, dass insbesondere Verbindungen unter Beteiligung von höher- und hochschmelzenden Materialien mit minimiertem Werkzeugverschleiß hergestellt werden können.outgoing of the problems described in the prior art is the Invention based on the object, a friction welding-based joining process between two plane ones joining partners so as to improve, in particular, connections involving from higher and refractory materials with minimized tool wear can be.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrensschritte wie folgt gelöst:

  • – Bereitstellen eines ersten Fügepartners mit einer Fügekante, die mit Hinterschneidungen versehen ist,
  • – Positionieren des zweiten Fügepartners mit seiner Fügezone im Überlapp auf die Hinterschneidungen der Fügekante des ersten Fügepartners, und
  • – Beaufschlagen der Fügezone des zweiten Fügepartners von der dem ersten Fügepartner abgewandten Seite her in Richtung auf diesen mit der im Wesentlichen planen, pinlosen Stirnfläche eines rotierenden Schweißdorns unter zumindest teilweisem Plastifizieren und Einpressen des Materials der beaufschlagten Zone des zweiten Fügepartners in die Hinterschneidungen des ersten Fügepartners.
This object is achieved by the method steps indicated in claim 1 as follows:
  • Providing a first joining partner with a joining edge provided with undercuts,
  • - Positioning of the second joining partner with its joining zone in the overlap on the undercuts of the joining edge of the first joining partner, and
  • - Applying the joining zone of the second joining partner from the side facing away from the first joining partner in the direction of this with the substantially flat, pinlose end face of a rotating welding mandrel with at least partially plasticizing and pressing the material of the applied zone of the second joining partner in the undercuts of the first joining partner ,

Kernpunkte des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie es sich vom Stand der Technik unterscheidet, ist dabei zum einen die Verwendung eines Schweißdorns mit einer pinlosen Stirnfläche. Dies bedeutet, dass kein Werkzeugteil mehr in das Material der beiden Fügepartner eintaucht. Zum Erwärmen und Plastifizieren wird lediglich die im Wesentlichen plane Stirnfläche des rotierenden Schweißdorns herangezogen. Dies reicht für ein Plastifizieren des Materials des beaufschlagten Fügepartners aus.core items of the method according to the invention, how it differs from the prior art is, on the one hand the use of a welding mandrel with a pinless face. This means that no more tool part in the material of the two joining partner dips. For heating and plasticizing is merely the substantially planar end face of the rotating mandrel used. This is enough for a plasticizing of the material of the act of joining partner out.

Zum anderen ist der nicht vom Schweißdorn beaufschlagte Fügepartner mit Hinterschneidungen im Bereich seiner Fügekante versehen, die zur Aufnahme des vom Schweißdorn plastifizierten und durch entsprechende Beaufschlagung einzupressenden Materials des zweiten Fügepartners dienen. Insoweit kann also der mit den Hinterschneidungen versehene, nicht vom Schweißdorn beaufschlagte Fügepartner aus einem praktisch beliebigen Material, also auch sehr harten, bei üblichen Reibrührschweiß-Werkzeugen zu extremem Verschleiß führenden, hochfesten Material hergestellt sein.To the another is the joining partner not affected by the welding mandrel provided with undercuts in the region of its joining edge, which for recording of the welding mandrel plasticized and to be pressed by appropriate action Material of the second joining partner serve. In that regard, therefore, provided with the undercuts, not from the welding mandrel acted on joining partner from a practically arbitrary material, so also very hard, at usual Friction stir welding tools leading to extreme wear, be made of high strength material.

Ein erhöhter Werkzeugverschleiß wird vermieden, da das Werkzeug mit dem verschleißfördernden Fügepartner nicht signifikant in Kontakt kommt. Vielmehr sorgt die Erfindung dafür, dass in einem bildhaft so zu bezeichnenden „Reibrührknetschweißen” eine hochfeste Verbindung durch das zumindest formschlüssige Eingreifen des ”eingekneteten”, plastifizierten Materials des einen Fügepartners in die Hinterschneidungen des anderen Fügepartners geschaffen wird.One increased Tool wear is avoided, because the tool with the wear-promoting joint partner not significant comes into contact. Rather, the invention ensures that in a pictorially so-called "friction stir welding" a high-strength Connection by the at least positive engagement of the "kneaded", plasticized Materials of the one joining partner into the undercuts of the other joining partner is created.

Der vorstehende Schweißprozess könnte zwar grundsätzlich durch punktweises Aufsetzen des Schweißdorns als Punktschweißung durchgeführt werden, bevorzugt ist jedoch die Herstellung einer Schweißnaht, in dem der Schweißdorn während der Beaufschlagung des entsprechenden Fügepartners mit seiner Stirnfläche entlang der anzulegenden Schweißnahtkontur über diesen Fügepartner vorgeschoben wird.Of the prominent welding process could indeed in principle be carried out by point-wise placement of the welding mandrel as spot welding, However, preferred is the production of a weld, in the welding mandrel while the loading of the corresponding joining partner along with its end face the weld seam contour to be applied via this joining partner is advanced.

Das erfindungsgemäße „Reibrührknetschweißen” weist aufgrund seiner Verfahrensauslegung und Werkzeugformgebung gegenüber dem Stand der Technik mannigfache Vorteile auf:

  • – Es wird ein extrem einfach zu gestaltendes Werkzeug eingesetzt.
  • – Entsprechend gering sind die Werkzeugkosten.
  • – Es können konventionelle Bearbeitungsmaschinen ohne Spezialwerkzeuge verwendet werden.
  • – Prozesskräfte und Verschleiß insbesondere bei an sich verschleißfördernden Materialien sind gering.
  • – Gleichartige, insbesondere aber auch hybride Verbunde, wie sogenannte „Tailored Blanks” und „Tailored Hybrids” sind einfach und schnell realisierbar.
  • – Bei unveränderterer Werkzeuggeometrie sind verschiedenste Stoßarten, wie Überlapp-, T- oder L-Stoß verbindbar.
  • – Der Schweißprozess ist so einfach, dass das Schweißpersonal keine spezielle Ausbildung benötigt.
  • – Da der Schweißprozess keine signifikanten akustischen, visuellen, elektromagnetischen oder sonstigen Emissionen und Strahlungen hervorbringt, sind keine Abschirmmaßnahmen notwendig.
  • – Intermetallische Phasen zwischen den beteiligten Fügepartnern werden vermieden.
  • – Das eingangs erwähnte Loch, wie es beim Reibrührschweißen durch den aus der Schweißnaht austretenden Pin zurückbleibt, tritt beim Reibrührknetschweißen nicht auf.
The "friction stir-welding" according to the invention has many advantages over the prior art because of its process design and tool shaping:
  • - It is used an extremely easy to design tool.
  • - The tool costs are correspondingly low.
  • - Conventional processing machines can be used without special tools.
  • - Process forces and wear, especially in itself wear-promoting materials are low.
  • - Similar, but especially hybrid composites, such as so-called "tailored blanks" and "tailored hybrids" are easy and quick to implement.
  • - With unchanged tool geometry, a wide variety of joint types can be connected, such as overlap, T or L joints.
  • - The welding process is so simple that the welding personnel do not need special training.
  • - Since the welding process produces no significant acoustic, visual, electromagnetic or other emissions and radiation, no shielding measures are necessary.
  • - Intermetallic phases between the joining partners involved are avoided.
  • - The above-mentioned hole, as it remains in the friction stir welding by exiting from the weld pin, does not occur during the friction stir welding.

Das erfindungsgemäße Verfahren eröffnet aufgrund der vorstehenden Vorteile neuartige Anwendungsmöglichkeiten, wie beispielsweise hybride Blechverbindungen aus Stahl und Aluminium im Dünnblechbereich für die Automobilindustrie.The inventive method opened due the above advantages novel applications, such as Hybrid sheet metal joints made of steel and aluminum in the thin sheet metal sector for the Automotive industry.

Bevorzugte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 3 bis 7 angegeben. Nähere Ausführungen hierzu sind der nachfolgenden Beschreibung entnehmbar, in der Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:Preferred developments of the method are given in claims 3 to 7. Further details of this are the following description can be removed, in the embodiments of the method according to the invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine schematische Perspektivdarstellung zweier Fügepartner mit Schweißdorn, 1 a schematic perspective view of two joining partners with welding mandrel,

2 eine entlang der Schweißnaht geschnittene Perspektivdarstellung der Fügepartner gemäß 1 während des Schweißvorgangs, sowie 2 a cut along the weld perspective view of the joining according to 1 during the welding process, as well

3 und 4 schematische Perspektivdarstellungen analog 1 mit den beiden Fügepartnern in T- bzw. L-Stoß-Anordnung 3 and 4 schematic perspective views analog 1 with the two joining partners in T- or L-joint arrangement

Anhand von 1 und 2 ist das erfindungsgemäße Reibrührknetschweißen zu erläutern. Dabei sind ein erster Fügepartner 1 in Form beispielsweise eines hochschmelzenden Stahlblechs, und ein zweiter Fügepartner 2 beispielsweise in Form einer niedriger schmelzenden Aluminiumlegierung, wie AA5182 beteiligt. Der erste Fügepartner 1 weist entlang seiner Fügekante 3 aneinander gereihte Durchbrechungen 4 auf, die zur Fügekante 3 hin offen und in Draufsicht tropfenförmig ausgestaltet sind. Dadurch sind die Durchbrechungen 4 in der Blechebene des Fügepartners 1 quer zur Fügekante 3 hinterschnitten. Die vorstehende Profilierung der Fügekante 3 des ersten Fügepartners 1 kann beispielsweise durch einen entsprechenden Stanzschnitt erzeugt werden. Abweichende Formen, wie trapez-, dreiecks-, rauten-, ellipsoid- oder kreisbogenförmig zugeschnittene Durchbrechungen sind genauso geeignet, wie unregelmäßig hinterschnittene Konfigurationen. Auch kann der Fügepartner 1 beispielsweise ein Lochblech sein, wobei die randseitige(n) Lochreihe(n) als hinterschnittene Durchbrechungen im Schweißprozess dienen können.Based on 1 and 2 the inventive friction stir welding is to be explained. Here are a first joint partner 1 in the form of, for example, a refractory steel sheet, and a second joining partner 2 for example in the form of a lower melting aluminum alloy such as AA5182. The first joining partner 1 points along its joining edge 3 juxtaposed openings 4 on, to the joining edge 3 open and drop-shaped in plan view are designed. This is the openings 4 in the sheet metal plane of the joining partner 1 transverse to the joining edge 3 undercut. The above profiling of the joining edge 3 of the first joining partner 1 can be generated for example by a corresponding punching cut. Divergent shapes, such as trapezoidal, triangular, diamond, ellipsoidal or circular arc tailored apertures, are equally well suited as are irregularly undercut configurations. Also, the joining partner 1 For example, be a perforated plate, wherein the edge-side (s) hole row (s) can serve as undercut openings in the welding process.

Auf die Fügekante 3 des ersten Fügepartners 1 wird der zweite Fügepartner 2 mit seiner Fügekante 5 im Überlapp auf die Durchbrechungen 4 des ersten Fügepartners 1 positioniert und die gesamte Werkstückkonfiguration durch eine hier nicht näher dargestellte Spannvorrichtung fixiert. Die gera de Fügekante 5 des oberen Fügepartners 2 bedarf keiner besonderen Bearbeitung. Beispielsweise reicht ein Schlagscherenzuschnitt aus.On the joining edge 3 of the first joining partner 1 becomes the second joining partner 2 with its joining edge 5 in overlap on the openings 4 of the first joining partner 1 positioned and fixed the entire workpiece configuration by a clamping device not shown here. The gera de joining edge 5 of the upper joint partner 2 requires no special processing. For example, a cut of a trimmer is sufficient.

Für das Fügen der beiden Fügepartner 1, 2 mittels des eingangs so bezeichneten Reibrührknetschweißens wird ein im Wesentlichen zylindrischer Schweißdorn 6 eingesetzt, der an einer nicht näher dargestellten Rotationsspindel angebracht ist. Diese ist mit Druck in Zustellrichtung Z (2) in Richtung der Fügepartner 1, 2 sowie in Vorschubrichtung V über diese verfahrbar. Durch Doppelpfeile R ist die Rotation des Schweißdorns 6 um seine Rotationsachse angedeutet.For joining the two joining partners 1 . 2 By means of the so-called friction stir welding described at the outset, a substantially cylindrical welding mandrel is produced 6 used, which is attached to a rotating spindle, not shown. This is with pressure in the delivery direction Z ( 2 ) in the direction of the joining partners 1 . 2 and in the feed direction V over this movable. By double arrows R is the rotation of the welding mandrel 6 indicated around its axis of rotation.

Wie aus 2 deutlich wird, ist die nach unten weisende Stirnfläche 7 des Schweißdorns im Wesentlichen kreisrund und plan, das heißt, dass kein vorspringender Pin, wie bei einem Schweißdorn für das Reibrührschweißen vorgesehen ist. Die Stirnfläche 7 ist also pinlos.How out 2 becomes clear, is the downward facing face 7 of the welding mandrel is substantially circular and planar, that is to say that no protruding pin is provided, as in a welding mandrel for friction stir welding. The face 7 is therefore pinless.

Für den Verschweißvorgang wird die Fügezone 8 im Überlappungsbereich zwischen den beiden Fügepartnern 1, 2 von oben mit dem Schweißdorn 6 durch dessen Vorfahren in Zustellrichtung Z mit einem entsprechenden Beaufschlagungsdruck bei gleichzeitigem Verfahren des Schweißdorns 6 in Vorschubrichtung V entlang der Fügezone 8 unter Rotation beaufschlagt. Dabei wird – wie in 2 deutlich erkennbar ist – das Material des oberen Fügepartners 2 durch die eingebrachte Reibungswärme aufgrund der Rotation des Schweißdorns 6 plastifiziert und durch die Beaufschlagung von der dem ersten Fügepartner 2 abgewandten Seite her in die Durchbrechungen 4 des ersten Fügepartners 2 eingepresst. Damit wird eine zumindest formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Fügepartnern 1, 2 geschaffen. Das Einpressen wird dabei noch durch die in 2 dargestellte geneigte Anordnung des Schweißdorns 6 in einem Winkel W von bei spielsweise 2° zur Normalen N der Werkstückoberfläche unterstützt. Je nach Plastifizierungsgrad des oberen Fügepartners 2 und entsprechender Wärmeübertragung auf den unteren Fügepartner 1 erfolgt auch ein gewisses Plastifizieren des Letzteren, sodass auch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Fügepartnern 1, 2 geschaffen werden kann, ohne dass der Schweißdorn 6 in den unteren Fügepartner 1 eingreift. Dies trifft insbesondere für Fügepartner 1, 2 aus gleichartigen Materialien zu, wogegen bei unterschiedlichen Fügepartnern 1, 2 der untere Fügepartner 1 in der Regel relativ unbeeinflusst bleibt und seine Kontur im Wesentlichen beibehält. Insoweit ist die ursprüngliche Kontur mit den Durchbrechungen 4 dann im gefügten Werkstück noch gut erkennbar.For the welding process, the joining zone 8th in the overlap area between the two joining partners 1 . 2 from above with the welding mandrel 6 by its ancestors in the feed direction Z with a corresponding application pressure with simultaneous method of the welding mandrel 6 in the feed direction V along the joining zone 8th subjected to rotation. It is - as in 2 clearly recognizable - the material of the upper joining partner 2 by the applied frictional heat due to the rotation of the welding mandrel 6 plasticized and by the admission of the first joint partner 2 turned away side into the openings 4 of the first joining partner 2 pressed. This is an at least positive connection between the two joining partners 1 . 2 created. The pressing is thereby still by in 2 shown inclined arrangement of the welding mandrel 6 supported at an angle W of example 2 ° to the normal N of the workpiece surface. Depending on the degree of plasticization of the upper joining partner 2 and corresponding heat transfer to the lower joining partner 1 There is also a certain plasticizing of the latter, so that a cohesive connection between the two joining partners 1 . 2 can be created without the welding mandrel 6 in the lower joining partner 1 intervenes. This is especially true for joining partners 1 . 2 from similar materials to, whereas at different joining partners 1 . 2 the lower joint partner 1 usually remains relatively unaffected and substantially maintains its contour. In that regard, the original contour with the openings 4 then still clearly visible in the joined workpiece.

Das vorstehend beschriebene Reibrührknetschweißen ist zwar besonders dann mit Vorteil einzusetzen, wenn der untere Fügepartner 1 von einer solchen Beschaffenheit ist, dass ein hoher Verschleiß am Schweißdorn 6 zu befürchten ist. Jedoch unterliegt das Verfahren keinen wesentlichen Beschränkungen. So sind eisen- und nichteisenhaltige Werkstoffe, thermoplastische Kunststoffe, Compounds, Titan-, Kupfer- und vielerlei andere Metalle und Legierungen damit fügbar. Das Verfahren ist dabei relativ unabhängig von der Blechdicke, so sind beispielsweise hybride Blechverbindungen aus Stahl und Aluminium im Dünnblechbereich etwa für die Automobilindustrie genauso herstellbar, wie tragende Strukturen in Kraftfahrzeugen.Although the above-described friction stir welding is particularly advantageous to use when the lower joining partner 1 of such a nature is that high wear on the welding mandrel 6 is to be feared. However, the method is not subject to any significant restrictions. Thus iron and non-ferrous materials, thermoplastics, compounds, titanium, copper and many other metals and alloys are available. The method is relatively independent of the sheet thickness, as are hybrid sheet metal joints made of steel and aluminum in the thin sheet metal as about the automotive industry as well as supporting structures in motor vehicles.

Der Schweißdorn 6 ist im vorstehenden Ausführungsbeispiel als streng zylindrisch beschrieben, es können jedoch auch geringe formgebundene Ausprägungen der den Schaft 10 fortsetzenden Schulter 9 des Schweißdorns 6 je nach Anwendungsfall vorgesehen werden, wie beispielsweise eine konkave oder konvexe Ausprägung. Auch Rillen oder eine Art „Schaufelrad-Geometrie” kann zur Unterstützung des Plastifizierungsprozesses vorgesehen sein. Im Querschnitt kann der Schweißdorn 6 in Schulter 9 und/oder Schaft 10 leicht ellipsoid oder polygonzugartig ausgebildet sein. Kühlrippen können die Standzeit des Werkzeuges verbessern.The welding mandrel 6 is in the above statement management example described as strictly cylindrical, but it can also be small form-related manifestations of the shaft 10 continuing shoulder 9 of the welding mandrel 6 be provided depending on the application, such as a concave or convex expression. Also grooves or a kind of "paddle wheel geometry" may be provided to assist the plasticization process. In cross section, the welding mandrel 6 in shoulder 9 and / or shaft 10 be slightly ellipsoid or polygonal design. Cooling fins can improve the service life of the tool.

Auch steht je nach Material der Fügepartner eine breite Materialauswahl für den Schweißdorn zur Verfügung, wie beispielsweise eisen- und nichteisenhaltige Werkstoffe, duroplastische Kunststoffe (zum Einsatz in Verbindung mit Kunststoff-Reibrührknet-Schweißungen), Compounds, Titan, Kupfer usw.Also depends on the material of the joint partners one wide material selection for the welding mandrel to disposal, such as iron and non-ferrous materials, thermosetting Plastics (for use in conjunction with plastic friction stir welding), Compounds, titanium, copper, etc.

Die Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdorns 6 in Vorschubrichtung V ist stark abhängig von der Materialauswahl und der Werkstückkonfiguration. Ein typischer Wert beträgt beispielsweise 200 mm/min bei einer Rotationsgeschwindigkeit von etwa 800 min–1.The feed rate of the welding mandrel 6 in the feed direction V depends heavily on the material selection and the workpiece configuration. A typical value is for example 200 mm / min at a rotational speed of about 800 min -1.

Neben der in 1 und 2 gezeigten Anordnung der Fügepartner 1 und 2 in Überlappstoß sind andere Stoßarten ebenfalls möglich. So zeigt 3 die Anordnung des oberen Fügepartners 2 auf dem unteren Fügepartner 1 in einer T-Stoß-Anordnung. Dabei liegt die Fügezone 8 nicht im Kantenbereich des oberen Fügepartners 2. Durch entsprechende Beaufschlagung der oberhalb der Fügekante 3 des unteren Fügepartners 1 liegenden Fügezone 8 mithilfe des Schweißdorns 6 wird wiederum das Material des oberen Fügepartners 2 – in diesem Falle von der Stirnseite der Fügekante 3 her – in die Durchbrechungen 4 in plastifiziertem Zustand eingepresst.In addition to the in 1 and 2 shown arrangement of joining partners 1 and 2 in overlap other types of impact are also possible. So shows 3 the arrangement of the upper joint partner 2 on the lower joining partner 1 in a T-joint arrangement. This is the joining zone 8th not in the edge area of the upper joint partner 2 , By applying the above the joining edge 3 of the lower joining partner 1 lying joining zone 8th using the welding mandrel 6 in turn becomes the material of the upper joining partner 2 - In this case, from the front side of the joining edge 3 here - in the openings 4 pressed in plasticized state.

Analog findet der Fügeprozess bei dem in 4 gezeigten L-Stoß in der gleichen Richtung, jedoch wiederum mit einer am Rande des oberen Fügepartners 2 liegenden Fügezone 8 statt.Analogously, the joining process takes place in the 4 shown L-push in the same direction, but in turn with one at the edge of the upper joining partner 2 lying joining zone 8th instead of.

Claims (7)

Verfahren zum Verbinden zweier flächiger Fügepartner (1, 2) mittels eines reibschweiß-basierten Prozesses mit folgenden Merkmalen: – Bereitstellen eines ersten Fügepartners (1) mit einer Fügekante (3), die mit Hinterschneidungen (4) versehen ist, – Positionieren des zweiten Fügepartners (2) mit seiner Fügezone (8) im Überlapp auf die Hinterschneidungen (4) der Fügekante (5) des ersten Fügepartners (1), und – Beaufschlagen der Fügezone (8) des zweiten Fügepartners (2) von der dem ersten Fügepartner (1) abgewandten Seite her in Richtung (Z) auf diesen mit der im Wesentlichen planen, pinlosen Stirnfläche (7) eines rotierenden Schweißdorns (6) unter zumindest teilweisem Plastifizieren und Einpressen des Materials der beaufschlagten Zone des zweiten Fügepartners (2) in die Hinterschneidungen (4) des ersten Fügepartners (1).Method for connecting two flat joining partners ( 1 . 2 ) by means of a friction-welding-based process with the following features: - providing a first joining partner ( 1 ) with a joining edge ( 3 ) with undercuts ( 4 ), - positioning of the second joining partner ( 2 ) with its joining zone ( 8th ) in the overlap on the undercuts ( 4 ) of the joining edge ( 5 ) of the first joining partner ( 1 ), and - applying the joining zone ( 8th ) of the second joining partner ( 2 ) from the first mating partner ( 1 ) facing away in the direction (Z) on this with the substantially flat, pinless end face ( 7 ) of a rotating welding mandrel ( 6 ) with at least partial plastification and pressing in of the material of the applied zone of the second joining partner ( 2 ) into the undercuts ( 4 ) of the first joining partner ( 1 ). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung einer Schweißnaht der Schweißdorn (6) während der Beaufschlagung des zweiten Fügepartners (2) mit seiner Stirnfläche (7) entlang der anzulegenden Schweißnahtkontur über den zweiten Fügepartner (2) vorgeschoben wird.A method according to claim 1, characterized in that for forming a weld the welding mandrel ( 6 ) during the loading of the second joining partner ( 2 ) with its end face ( 7 ) along the weld seam contour to be applied via the second joining partner ( 2 ) is advanced. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißdorn (6) entgegen der Vorschubrichtung (V) um einen Winkel (W) von wenigen, vorzugsweise etwa 2° zur Normalen (N) auf die Werkstückoberfläche geneigt angeordnet ist.Method according to claim 2, characterized in that the welding mandrel ( 6 ) is inclined against the feed direction (V) by an angle (W) of a few, preferably about 2 ° to the normal (N) inclined to the workpiece surface. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdorns (6) etwa 200 mm/min beträgt.A method according to claim 2 or 3, characterized in that the feed rate of the welding mandrel ( 6 ) is about 200 mm / min. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsgeschwindigkeit des Schweißdorns (6) bei etwa 800 min–1 liegt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the rotational speed of the welding mandrel ( 6 ) is about 800 min -1 . Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterschneidungen im ersten Fügepartner (1) durch an dessen Fügekante (3) aneinandergereihte, seitlich offene Durchbrechungen (4) gebildet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the undercuts in the first joining partner ( 1 ) by at its joining edge ( 3 ) juxtaposed, laterally open openings ( 4 ) are formed. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrechungen tropfen- (4), trapez-, dreiecks-, rauten-, ellipsoid- oder kreisbogenförmig zugeschnitten werden.A method according to claim 6, characterized in that the openings drip- ( 4 ), trapezoidal, triangular, diamond, ellipsoidal or circular arc-shaped.
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