DE102008044451B4

DE102008044451B4 - Konduktives Bolzenschweißen

Info

Publication number: DE102008044451B4
Application number: DE102008044451A
Authority: DE
Inventors: Burkhard Tetzlaff; Ing. Queller Marco; Dr. Ohse Peter; Achim Bandorski
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date: 2008-08-19
Filing date: 2008-08-19
Publication date: 2012-09-06
Anticipated expiration: 2028-08-20
Also published as: DE102008044451A1; US20100084380A1; CN101653861B; CN101653861A; US8461484B2

Abstract

Verfahren zum Verschweißen eines ersten Werkstücks mit einem Fügeelement, wobei das Fügeelement und das erste Werkstück zumindest teilweise aus einem Metall bestehen, das Fügeelement rotierend zum ersten Werkstück während des Verschweißens bewegt wird und gleichzeitig in axialer Richtung gegen das erste Werkstück gepresst wird, so dass Reibungswärme erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des mechanischen Kontakts des Fügeelements mit dem ersten Werkstück ein elektrischer Stromfluss durch Werkstück und Fügeelement erzeugt wird und mindestens ein Stromimpuls zeitgleich mit einer Bewegung des Fügeelements in Richtung des ersten Werkstücks eingeleitet wird, wobei vorzugsweise ein Stromimpuls zeitlich unmittelbar vor dem Stoppen der Reibbewegung des Fügeelements relativ zum ersten Werkstück eingeleitet wird.

Description

Die Erfindung betritt ein Verfahren zum Verschweißen eines ersten Werkstücks mit einem Fügeelement, wobei das Fügeelement und das erste Werkstück zumindest teilweise aus einem Metall bestehen, das Fügeelement rotierend zum ersten Werkstück während des Verschweißens bewegt wird und gleichzeitig in axialer Richtung gegen das erste Werkstück gepresst wird, so dass Reibungswärme erzeugt wird. Darüber hinaus betritt die Erfindung eine vorteilhafte Verwendung des Verfahrens.
Ein Verfahren zum Verschweißen eines Werkstücks mit einem Fügeelement ist beispielsweise das Lichtbogenbolzenschweißen. Das Lichtbogenbolzenschweißen gehört zu den Lichtbogenpressschweißverfahren, bei welchem zwischen einer Stirnfläche des Bolzen als Fügeelement und dem Werkstück ein Lichtbogen gezündet wird, welcher beide Teile, den Bolzen und das Werkstück, lokal anschmilzt und Bolzen und Werkstück unter relativ geringem Anpressdruck anschließend gefügt werden. Problematisch ist das Lichtbogenbolzenschweißen jedoch beim Verschweißen von Sandwichblechen, welche beispielsweise zwei äußere Schichten aus Metall und eine innen liegende Kunststoffschicht aufweisen. Beim Lichtbogenbolzenschweißen von entsprechenden Sandwichblechen kommt es aufgrund der Kunststoffschicht immer wieder zu Prozessinstabilitäten, so dass der Lichtbogen abreißen kann. Ferner entsteht nur eine Verbindung zwischen Bolzen und dem Bolzen zugewandtem Blech, wodurch bei höheren Beanspruchungen der Verbindung es zu einer Delamination im Sandwichblech im Bereich der Verbindungen kommen kann. Ein Verfahren zum Lichtbogenbolzenschweißen von Verbundblechen zeigt beispielsweise die japanische Offenlegungsschrift JP 01154876 A . Darüber hinaus ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2006 013 529 ein Verfahren zum Verschweißen eines Sandwichbauteils unter Verwendung eines Reibbolzens bekannt, bei welchem der Reibbolzen nicht nur rotatorisch, sondern auch gleichzeitig translatorisch bewegt wird und durch die entstehende Reibungswärme mit dem Sandwichbauteil verschweißt wird. Insbesondere bei Sandwichbauteilen, welche geringe Blechdicken bzw. geringe Steifigkeiten aufweisen, ist das letztgenannte Verfahren jedoch als problematisch anzusehen.
Aus der US 4,855,562 ist zudem ein Verfahren zum Anschweißen eines Schweißbolzens an ein Rohr bekannt, mit dem ein Isolationsmaterial an den Innenflächen des Rohres befestigt werden kann
Ein Widerstandsschweißverfahren, bei dem während des elektrischen Stromflusses zwischen den zu verschweißenden Werkstücken eine geringe Relativbewegung stattfindet, ist in der DE 197 29 968 C1 beschrieben.
Schließlich ist aus der DD 85 496 ein Verfahren zum Verbinden von Metallbändern durch Reibungs- und Widerstandsschweißen bekannt, bei dem eine Elektrode in translatorische Bewegung versetzt wird, um eine Reibbewegung zwischen den beiden zu verbindenden Metallbändern bei zusätzlichem Stromfluss auszuführen.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verschweißen eines Fügeelements mit einem Werkstoff zur Verfügung zu stellen, welches eine prozesssichere stoffschlüssige Verbindung zwischen Fügeelement und Werkstück ermöglicht, wenn das Werkstück aus einem Verbundwerkstoff besteht oder eine geringe Steifigkeit aufweist.
Gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte Aufgabe dadurch gelöst, dass während des mechanischen Kontakts des Fügeelements mit dem ersten Werkstück ein elektrischer Stromfluss zwischen Werkstück und Fügelement erzeugt wird und mindestens ein Stromimpuls zeitgleich mit einer Bewegung des Fügeelements in Richtung des ersten Werkstücks eingeleitet wird, wobei vorzugsweise ein Stromimpuls zeitlich unmittelbar vor dem Stoppen der Reibbewegung des Fügeelements relativ zum ersten Werkstück eingeleitet wird.
Entgegen dem Lichtbogenbolzenschweißen wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Stromfluss während des mechanischen Kontakts zwischen dem Fügeelement und dem Werkstück eingeleitet, so dass kein Lichtbogen entsteht. Trotzdem bewirkt der Stromfluss bei ausreichender Stromstärke eine zusätzliche Erwärmung und eine Erniedrigung der Streckgrenze des Werkstoffs, so dass das Fügeelement in dem Werkstoff eindringen kann. Das Eindringen des Fügeelements in den metallischen Werkstoff wird durch den konduktiven Stromfluss prozesssicher unterstützt, ohne dass es bei Anwesenheit von Kunststoff zu problematischen Prozessinstabilitäten kommt. Mit der Kombination aus Reibschweißen und Widerstandsschweißen konnten deshalb sehr gute stoffschlüssige Verbindungen zwischen dem Fügeelement und einem Werkstück hergestellt werden.
Erfindungsgemäß rotiert das Fügeelement, wobei das Fügeelement in axialer Richtung gegen das erste Werkstück gepresst wird. Durch das Rotieren des Fügeelements und gleichzeitiger Ausübung eines Druckes kann auf einfache Weise Reibungswärme in einem Werkstück an einem konzentrierten Punkt am Fügeelement erzeugt werden. Darüber hinaus kann das rotierende Fügeelement leicht in das Werkstück eingepresst werden.
Durchdringt das Fügeelement gemäß einer nächsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens das erste Werkstück nicht vollständig, können auch dünnwandige Werkstücke mit dem Fügeelement gut verschweißt werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht das erste Werkstück aus einem Verbundwerkstoff mit mindestens zwei unterschiedlichen Werkstofflagen. Wie bereits ausgeführt, gewährleistet das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere auch dann eine Prozesssicherheit, wenn eine Werkstofflage des Verbundwerkstoffes aus Kunststoff besteht, da der Stromfluss beim erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise erst dann bewirkt werden kann, sobald das Fügeelement auf die metallische Werkstoffschicht des Werkstücks trifft. Es entsteht daher kein instabiler Lichtbogen und die Prozesssicherheit ist trotz der Anwesenheit einer Kunststoffschicht gewährleistet.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher auch dadurch vorteilhaft ausgestaltet werden, dass das erste Werkstück zwei äußere Metallschichten und mindestens eine innere Kunststoffschicht aufweist. Diese Sandwichbauteile können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders prozesssicher gefügt werden, da der Stromfluss beispielsweise einerseits bei mechanischem Kontakt mit der ersten äußeren Metallschicht und andererseits mit Erreichen der zweiten äußeren Metallschicht zur Unterstützung des Reibschweißens gezielt zum Durchdringen der ersten metallischen Werkstoffschicht bzw. zur Erzeugung einer Fügezone in der zweiten Werkstoffschicht eingeleitet wird.
Es hat sich gezeigt, dass es gemäß einer nächsten Ausführungsform vorteilhaft ist, elektrische Stromimpulse von mehr als 10 A, vorzugsweise zwischen 100 A und 2500 A zu verwenden. Mit diesen Stromstärken konnten gute Schweibverbindung erzielt werden.
Vorzugsweise beträgt die Drehzahl eines rotierenden Fügeelements zwischen 150 und 25000, bevorzugt zwischen 400 bis 5000 Umdrehungen pro Minute. Mit den genannten Drehzahlen kann vor allem eine Homogenisierung der Kontaktverhältnisse erzielt werden, welche zu einer Erniedrigung der notwendigen Anpresskraft führen kann. Im Ergebnis lassen sich auch Bleche mit geringerer Steifigkeit auch bei einseitiger Zugänglichkeit einwandfrei verschweißen.
Darüber hinaus wurden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gute Ergebnisse in Bezug auf die Verbindungsqualität zwischen Fügeelement und erstem Werkstück dadurch erzielt, dass gemäß einer nächsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Dauer der Stromimpulse 10 ms bis 2500 ms, vorzugsweise zwischen 500 ms und 1000 ms beträgt.
Um das Verschweißen oder, beispielsweise im Falle eines Sandwichbauteils, ein Durchdringen einer ersten Metallschicht eines Verbundwerkstoffs zu unterstützen, wird mindestens ein Stromimpuls zeitgleich mit einer Bewegung des Fügeelements in Richtung des ersten Werkstücks eingeleitet. Vorzugsweise wird mindestens ein Stromimpuls zeitlich unmittelbar vor dem Stoppen der Reibbewegung des Fügeelements relativ zum ersten Werkstück eingeleitet, so dass in Kombination zwischen Reibungswärme und konduktiv erzeugter Wärme das Metall aufgeschmolzen wird und bei Nachlassen der Reibbewegung bzw. der Rotation erstarrt, so dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Werkstück und dem Fügeelement erzeugt werden kann.
Besonders gute Ergebnisse in Bezug auf die Verbindung des Fügeelements mit dem ersten Werkstück wurden dadurch erzielt, dass als Fügeelement ein Bolzen mit kegelstumpfförmiger Spitze verwendet wurde. Eine kegelstumpfförmige Spitze weist einerseits einen gut zu handhabbaren Auflagepunkt des Fügeelements, nämlich die Kegelstumpfspitze, auf. Andererseits ergibt beim Eindringen des Fügeelements die Kegelmantelfläche einen elektrischen Kontakt solange beim Durchdringen einer Metallschicht zusätzlich konduktiv Wärme erzeugt werden soll. Es sind aber andere Geometrien abweichend von der kegelstumpfförmigen Spitze vorstellbar, beispielsweise eine ballig ausgebildete Spitze des Bolzens.
Weist die Spitze des kegelstumpfförmigen Bolzens gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens einen Winkel von 30° bis 90°, vorzugsweise 60° auf, wird das Eindringen in das erste Werkstück erleichtert. Das erfindungsgemäße Verfahren kann darüber hinaus dadurch vorteilhaft weiter ausgestaltet werden, dass ein zweites Werkstück über mindestens ein Fügeelement mit dem ersten Werkstück verbunden ist. Hierdurch besteht die Möglichkeit auch bei schlechter Zugänglichkeit der Schweißstelle zwei Werkstücke über ein Fügeelement einfach miteinander zu verbinden, selbst wenn eines der Werkstücke, beispielsweise das erste Werkstück, ein Verbundwerkstoff in Form eines Sandwichbauteils ist. Wie bereits zuvor ausgeführt, muss dazu das erste Werkstück nicht notwendigerweise von beiden Seiten erreichbar sein und aufgrund der geringeren, notwendigen Anpresskraft für das Fügeelement auch nicht eine sehr hohe Steifigkeit aufweisen.
Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte Aufgabe dadurch gelöst, dass das erfindungsgemäße Verfahren zur Befestigung von Bauteilen eines Kraftfahrzeugs, insbesondere zur Befestigung von Karosserieteilen verwendet wird. Im Kraftfahrzeugbau werden zur Verringerung des Gewichts der Kraftfahrzeuge zunehmend Verbundwerkstoffe eingesetzt. Diese weisen zum Teil Kunststoffschichten auf und können daher nur relativ schwer verschweißt werden. Insbesondere bei schlechterer Zugänglichkeit kann bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein erstes Werkstück bestehend aus einem Verbundwerkstoff, insbesondere einem Sandwichbauteil, mit einem zweiten Werkstück auf sichere Art und Weise stoffschlüssig verbunden werden.
Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Verwendung des Verfahrens weiterzubilden und auszugestalten. Hierzu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
1 eine schematische Schnittansicht einer Verbindung von zwei Werkstücken hergestellt mit einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 in einer schematischen Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel eines verwendeten Fügeelements in Form eines Bolzens und
3 in Diagrammen schematisch den zeitlichen Ablauf eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Zunächst zeigt 1 einen typischen Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem ein erstes Werkstück 1 mit einem zweiten Werkstück 2 über ein Fügeelement 3 verbunden wird. Das Werkstück 1 besteht aus einer äußeren Metallschicht 4, beispielsweise aus Stahl, einer Kunststoffschicht 5 und einer weiteren äußeren Metallschicht 6, welche ebenso aus einer Stahllegierung besteht. Es kommen aber auch alle anderen metallischen Werkstoffe in Frage, welche prinzipiell geschweißt werden können. Wobei sowohl die äußeren Metallschichten 4, 6 als auch die Kunststoffschicht 5 nicht maßstäblich dargestellt sind. Insbesondere können die genannten Schichten 4, 5, 6 des ersten Werkstücks 1 eine unterschiedliche Dicke aufweisen.
Bei der Herstellung der Verbindung zwischen beiden Werkstücken 1 und 2 muss das Fügeelement 3 zunächst das Werkstück 2 und anschließend die Schichten 6 und 5 des Werkstückes 1 durchdringen. Üblicherweise ist die Dicke der Metallschicht 6 häufig gering, so dass ein Durchdringen der Metallschicht 6 relativ einfach ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird beim Fügen des Fügeelementes 3 zunächst bei Kontakt mit der metallischen Schicht 6 des Werkstückes 1 Strom durch das Fügeelement 3 in das Werkstück 1 eingeleitet. An der Kontaktstelle zwischen Fügeelement 3 und der Schicht 6 des Werkstückes 1 wird nun zusätzlich, neben der Reibung des rotierenden Fügeelements 3 Wärme erzeugt, welches ein Eindringen des Fügeelementes 3 durch die Schicht 6 des Werkstückes 1 erleichtert.
Anschließend wird das Fügeelement durch die Kunststoffschicht 5 gedrückt und bei Erreichen der metallischen Schicht 4 erneut ein Stromimpuls in das Werkstück 1 über das Fügeelement 3 eingeleitet. Wie in 1 erkennbar, wird das Fügeelement 3 mit der metallischen Schicht 4 über eine Fügezone 7 verbunden. Wie bereits zuvor geschildert, ist die Prozesssicherheit des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders hoch, da im Gegensatz zum üblicherweise verwendeten Lichtbogenbolzenschweißen kein Lichtbogen benötigt wird, um zusätzlich Wärme im zu verbindenden Werkstück zu erzeugen.
2 zeigt nun ein Fügeelement 3, wie es gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann. Das Fügeelement 3 ist ein Bolzen mit einem rotationssymmetrischen Körper, welcher eine kegelstumpfförmige Spitze 8 aufweist, welche einen Winkel zwischen 30° und 90°, vorzugsweise 60° aufweist. Zusätzlich kann zur besseren Verzahnung des Fügeelements mit der im Verbundwerkstoff vorhandenen Kunststoffschicht ein Gewinde 9 vorgesehen sein.
In 3 ist nun der zeitliche Ablauf der Parameter Umdrehungsgeschwindigkeit ω, der Eindringtiefe s des Fügeelements sowie der Stromstärke I gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Geschweißt wurde bei diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls ein Verbundwerkstoff bestehend aus einer äußeren Metallschicht 6, einer Kunststoffschicht 5 und einer weiteren äußeren Metallschicht 4, wobei die letzte Metallschicht 4 nicht durchdrungen wurde.
Zu Beginn des Schweißverfahrens wird das Fügeelement 3 in Rotation versetzt, bis sich zum Zeitpunkt t₁ die maximale Rotationsgeschwindigkeit eingestellt hat. Zum Zeitpunkt t₂ wird das Fügeelement 3 in Richtung Werkstück 1 bewegt. Zu erkennen ist, dass das Eindringen in das Werkerstück 1 zwischen t₂ und t₃ zunächst mit einer relativ geringen Geschwindigkeit erfolgt. Zum Zeitpunkt t₃, d. h. während der translatorischen Bewegung in Richtung Werkstück 1, wird ein Stromimpuls A eingeleitet. Dieser unterstützt das Vorantreiben des Fügeelementes 3 durch das Werkstück 1 und dessen erste Schicht 6. Die Geschwindigkeit des Vorantreibens kann aufgrund der stärkeren Erweichung des Werkstoffs des Werkstücks 1 während des Stromimpulses A erhöht werden oder bei gleichbleibender Geschwindigkeit die Anpresskraft verringert werden. Zum Zeitpunkt t₄ wird der Stromimpuls A ausgeschaltet. Die Dauer beträgt in etwa 600 ms. Anschließend wird das Fügeelement ab dem Zeitpunkt t₅ zur unteren Metallschicht 5 des Werkstücks 1 vorangetrieben, welche zum Zeitpunkt t₆ erreicht wird. Erst nach dem Kontakt mit der unteren Schicht 6 wird erneut ein Stromimpuls zwischen den Zeitpunkten t₅ und t₇ eingeleitet, wobei die Rotationsbewegung des Fügeelements bereits reduziert ist. Am Ende des Schweißvorgangs zum Zeitpunkt t₇ ist die Rotationsbewegung des Fügeelements gestoppt und der Stromimpuls B wird abgeschaltet. Das in der Fügezone aufgeschmolzene Metall erstarrt. Nach dem Erstarren steht eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Fügeelement 3 und der Metallschicht 4 des Werkstück 1 zur Verfügung.
Zwar zeigen die Figuren die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Verbindung eines Fügeelements mit einem Werkstück aus einem Verbundwerkstoff. Es ist jedoch ohne weiteres denkbar, dass erfindungsgemäße Verfahren auch bei nicht Verbundwerkstoffen anzuwenden.

Claims

Verfahren zum Verschweißen eines ersten Werkstücks mit einem Fügeelement, wobei das Fügeelement und das erste Werkstück zumindest teilweise aus einem Metall bestehen, das Fügeelement rotierend zum ersten Werkstück während des Verschweißens bewegt wird und gleichzeitig in axialer Richtung gegen das erste Werkstück gepresst wird, so dass Reibungswärme erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des mechanischen Kontakts des Fügeelements mit dem ersten Werkstück ein elektrischer Stromfluss durch Werkstück und Fügeelement erzeugt wird und mindestens ein Stromimpuls zeitgleich mit einer Bewegung des Fügeelements in Richtung des ersten Werkstücks eingeleitet wird, wobei vorzugsweise ein Stromimpuls zeitlich unmittelbar vor dem Stoppen der Reibbewegung des Fügeelements relativ zum ersten Werkstück eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement das erste Werkstück nicht vollständig durchdringt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkstück aus einem Verbundwerkstoff mit mindestens zwei unterschiedlichen Werkstofflagen besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkstück zwei äußere Metallschichten und mindestens eine innere Kunststoffschicht aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Stromimpulse von mehr als 10 A, vorzugsweise zwischen 100 A und 2500 A verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlen des rotierenden Fügelements zwischen 150 und 25000, vorzugsweise 400 bis 5000 Umdrehungen pro Minute beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Stromimpulse 10 ms bis 2500 ms, vorzugsweise zwischen 500 ms und 1000 ms beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Fügeelement ein Bolzen mit kegelstumpfförmiger Spitze verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze des kegelstumpfförmigen Bolzens einen Winkel von 30° bis 90°, vorzugsweise 60° aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Werkstück über mindestens ein Fügeelement mit dem ersten Werkstück verbunden ist.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Befestigung von Bauteilen eines Kraftfahrzeugs, insbesondere von Karosserieteilen.