DE102009021850A1 - Method for joining workpieces comprises holding a rotating tool in an axially fixed position during melting of one of the workpieces - Google Patents

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Abstract

Method for joining workpieces (10, 12) comprises holding a rotating tool (22) in an axially fixed position during melting of one of the workpieces.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken.The The invention relates to a method for connecting at least two Workpieces.

Aus der DE 199 55 737 B4 ist ein Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei aneinanderliegenden Werkstücken nach der Methode des Reibrührschweißens bekannt. Hierbei wird durch ein rotierendes Werkzeug das erste Werkstück plastifiziert und durchdrungen, woraufhin das rotierende Werkzeug eine bestimmte Strecke in das zweite Werkstück eindringt. Das hierdurch verdrängte Material wird durch ein Hülsenelement um das rotierende Werkzeug herum zurückgehalten und bei Zurückziehen des Werkzeugs aus der so entstandenen Vertiefung mittels eines Niederhalters wieder in die Vertiefung gedrückt. Hierdurch ergibt sich eine Punktschweißung zwischen den beiden Werkstücken.From the DE 199 55 737 B4 For example, a method of joining at least two adjacent workpieces by the method of friction stir welding is known. Here, the first workpiece is plasticized and penetrated by a rotating tool, whereupon the rotating tool penetrates a certain distance in the second workpiece. The thus displaced material is retained by a sleeve member around the rotating tool around and pressed back on withdrawal of the tool from the resulting recess by means of a hold back into the recess. This results in a spot weld between the two workpieces.

Nachteiligerweise muss insbesondere das zweite Werkstück hierzu eine bestimmte Mindestdicke aufweisen, da das rotierende Werkzeug nicht nur das erste Werkstück durchdringen, sondern auch eine bestimmte Strecke in das zweite Werkstück eindringen muss. Weiterhin kommt es im Fügebereich zwischen den Werkstücken zu einer Werkstoffvermischung zwischen den beiden Werkstücken, welche je nach Materialpaarung nachteilig sein kann und zu schlecht haltbaren Fügeverbindungen führen kann.Unfortunately, In particular, the second workpiece has to do this a certain Minimum thickness, since the rotating tool not only the penetrate first workpiece, but also a specific one Must penetrate into the second workpiece. Farther it comes in the joining area between the workpieces to a material mixing between the two workpieces, which can be disadvantageous depending on the material pairing and too bad durable joints can lead.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, dass sich eine verbesserte Verbindung zweier Werkstücke ergibt und der Spielraum bezüglich Materialpaarungen und Materialstärken der Werkstücke vergrößert wird.Of the The present invention is therefore based on the object, a method of the aforementioned type so that an improved Connection of two workpieces results and the scope respect Material pairings and material thicknesses of the workpieces is enlarged.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.These The object is achieved by a method having the features of the patent claim 1 solved.

Bei einem derartigen Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken werden die Werkstücke zunächst so angeordnet, dass diese in einem Verbindungsbereich aneinander anliegen. In der Folge wird das erste Werkstück insbesondere mittels eines rotierenden Werkzeuges plastifiziert und durchdrungen, wobei der Verbindungsbereich durch die Reibungshitze des rotierenden Werkzeugs erhitzt wird. Das plastifizierte Material wird dabei aus dem Durchdringungsbereich verdrängt. Nach Durchdringen des ersten Werkstücks wird das zweite Werkstück im Verbindungsbereich durch das rotierende Werkzeug ebenfalls plastifiziert. Anschließend wird das rotierende Werkzeug aus dem Durchdringungsbereich bewegt und das verdrängte Material wieder in den Durchdringungsbereich eingepresst.at Such a method for connecting at least two workpieces the workpieces are first arranged in such a way that these abut each other in a connection area. In the The result is the first workpiece in particular by means of a rotating tool plasticized and penetrated, the Bonding area heated by the friction heat of the rotating tool becomes. The plasticized material is thereby from the penetration area repressed. After penetrating the first workpiece is the second workpiece in the connection area through the rotating tool also plasticized. Subsequently, will the rotating tool moves out of the penetration area and the displaced material back into the penetration area pressed.

Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass während des Plastifizierens des zweiten Werkstücks das rotierende Werkzeug axial im Wesentlichen ortsfest gehalten wird. Mit anderen Worten dringt das rotierende Werkzeug nach Durchdringung des ersten Werkstücks nicht in das zweite ein, sondern plastifiziert dieses lediglich im Oberflächenbereich. Es kommt somit im Schweißbereich nicht zu einer Vermischung der Werkstoffe der beiden Werkstücke, es tritt vielmehr eine Diffusionsverschweißung ein. Diese wird durch das teilweise Plastifizieren des zweiten Werkstücks im Verbindungsbereich noch befördert. Diffusionsverschweißungen können bei sehr glatten Fügeflächen bereits im kalten Zustand auftreten, wenn entsprechend hohe Drücke ausgeübt werden. Die Plastifizierung der beiden Werkstücke im Verbindungsbereich in Kombination mit einem hohen Einpressdruck des verdrängten Materials führt zu besonders haltbaren Diffusionsverschweißungen, die auch bei unterschiedlichen Materialpaarungen sehr stabil sind. Dadurch, dass das rotierende Werkzeug nicht in das zweite Werkstück eindringt, ist es möglich, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch sehr dünne Werkstücke miteinander zu verbinden, die für eine Verbindung mit aus dem Stand der Technik bekannten Reibrührschweißverfahren nicht geeignet sind.According to the invention provided here that during plasticizing the second workpiece, the rotating tool axially substantially is held stationary. In other words, the rotating penetrates Tool after penetration of the first workpiece not in the second one, but plasticizes this only in the surface area. There is thus no mixing in the welding area the materials of the two workpieces, it rather occurs a diffusion bonding. This is through the partially plasticizing the second workpiece in the connection area still promoted. Diffusion welding can with very smooth joining surfaces already in the cold Condition occur when correspondingly high pressures exerted become. The plasticization of the two workpieces in the connection area in combination with a high press-in pressure of the displaced Material leads to particularly durable diffusion bonds, which are very stable even with different material pairings. Because the rotating tool is not in the second workpiece penetrates, it is possible with the invention Process even very thin workpieces with each other to connect, for a connection with from the state known in the art friction stir welding are not suitable.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung liegt der Einpressdruck des verdrängten Materials bei dessen Einpressen in den Durchdringungsbereich in der Größenordnung der Fließgrenze des Materials des zweiten Werkstücks. Hierdurch ergeben sich besonders stabile Diffusionsschweißverbindungen.In Another embodiment of the invention is the injection pressure of displaced material when it is pressed into the penetration area in the order of the yield point of the material of the second workpiece. This results particularly stable diffusion welded joints.

Der Einpressdruck wird dabei bevorzugt zumindest teilweise von dem rotierenden Werkzeug ausgeübt, wobei während des Einpressens die Rotation des Werkzeugs eingestellt wird.Of the Press-fitting is preferably at least partially of the rotating Tool exercised while being pressed in the rotation of the tool is adjusted.

Zur Erhöhung der Genauigkeit des Verfahrens wird weiterhin bevorzugt die Relativlage der Werkstücke durch wenigstens einen Niederhalter gesichert.to Increasing the accuracy of the procedure will continue preferably the relative position of the workpieces by at least secured a hold-down.

Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:in the Following is the invention and its embodiments will be explained in more detail with reference to the drawings. Hereby show:

1a bis c drei wesentliche Schritte des Ablaufs eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. 1a to c three essential steps of the sequence of an embodiment of the method according to the invention.

Zum Verbinden zweier plattenförmiger Werkstücke 10 und 12, die aus gleichen oder unterschiedlichen Metalllegierungen bestehen können, werden diese zunächst so angeordnet, dass sie in einem Verbindungsbereich 14 aneinander anliegen. An den Verbindungsbereich 14 wird dann ein Werkzeug 16 angelegt. Dieses umfasst einen äußeren Niederhalter 18, einen inneren Niederhalter 20 sowie ein Reibschweißwerkzeug 22. Der äußere Niederhalter 18 wird dabei in Richtung des Pfeiles 24 an die Werkstücke 10, 12 angepresst, so dass diese im Verbindungsbereich 14 gegeneinander fixiert sind.For connecting two plate-shaped workpieces 10 and 12 , which may consist of the same or different metal alloys, they are initially arranged so that they are in a connection area 14 abut each other. To the connection area 14 then becomes a tool 16 created. This includes an outer hold-down 18 , an inner hold-down 20 and a friction welding tool 22 , The outer hold-down 18 is doing in the direction of the arrow 24 to the workpieces 10 . 12 Pressed so that these in the connection area 14 are fixed against each other.

Wie in 1b zu erkennen folgt dann ein Vorschub des rotierenden Werkzeugs 22 in Richtung des Pfeiles 26, wobei dieses gleichzeitig in Richtung des Pfeiles 28 rotiert wird. Durch die Reibungshitze beim Kontakt zwischen dem rotierenden Werkzeug 22 und dem ersten Werkstück 10 wird das Material des ersten Werkstückes 10 plastifiziert und durch das rotierende Werkzeug 22 verdrängt. Gleichzeitig wird der innere Niederhalter 20 zurückgezogen, so dass das verdrängte Material des ersten Werkstückes 10 in einen Verdrängungsbereich 30 aufsteigen kann.As in 1b to recognize follows then a feed of the rotating tool 22 in the direction of the arrow 26 , this at the same time in the direction of the arrow 28 is rotated. Due to the friction heat during contact between the rotating tool 22 and the first workpiece 10 becomes the material of the first workpiece 10 plasticized and by the rotating tool 22 repressed. At the same time, the inner hold-down becomes 20 withdrawn, leaving the displaced material of the first workpiece 10 into a displacement area 30 can ascend.

Der Vorschub des rotierenden Werkzeugs 22 in Richtung des Pfeiles 26 erfolgt so lange, bis das rotierende Werkzeug 22 das erste Werkstück 10 vollständig durchdrungen hat. Bevor das rotierende Werkzeug 22 in das zweite Werkstück 12 eindringt, wird der Vorschub des rotierenden Werkzeugs 22 gestoppt, so dass dieses im Wesentlichen ortsfest verbleibt. Die Rotation in Richtung des Pfeiles 28 wird jedoch aufrechterhalten. Damit ergibt sich eine Plastifizierung des zweiten Werkstücks 12 im Verbindungsbereich 14. Da jedoch kein Vorschub des rotierenden Werkzeugs 22 mehr erfolgt, wird kein Material des zweiten Werkstücks 12 verdrängt. Das Verfahren ist somit auch bei sehr dünnen Werkstücken 12 einsetzbar.The feed of the rotating tool 22 in the direction of the arrow 26 takes place until the rotating tool 22 the first workpiece 10 completely permeated. Before the rotating tool 22 in the second workpiece 12 penetrates, the feed of the rotating tool 22 stopped, so that this remains substantially stationary. The rotation in the direction of the arrow 28 but is maintained. This results in a plasticization of the second workpiece 12 in the connection area 14 , However, there is no feed of the rotating tool 22 more is done, no material of the second workpiece 12 repressed. The method is therefore also for very thin workpieces 12 used.

Sobald durch die Rotationsbewegung des rotierenden Werkzeugs 22 eine hinreichende Plastifizierung des zweiten Werkstücks 12 im Verbindungsbereich 14 erzeugt ist, wird das rotierende Werkzeug 22 bis auf Höhe der Oberfläche 32 des ersten Werkstücks 10 zurückgezogen. Gleichzeitig wird der innere Niederhalter 20 wieder in Richtung auf die Oberfläche 32 des ersten Werkstücks 10 bewegt, so dass das verdrängte Material des ersten Werkstücks 10 aus der Verdrängungszone 30 wieder in den Verbindungsbereich 14 zurückgepresst wird. Zum Herstellen einer Punktverschweißung zwischen den Werkstücken 10 und 12 werden schließlich äußerer Niederhalter 18, innerer Niederhalter 20 und rotierendes Werkzeug 22 gleichzeitig in Richtung der Pfeile 34 angepresst. Der Anpressdruck bewegt sich dabei bevorzugt in der Größenordnung der Fließgrenze des Materials des zweiten Werkstückes 12. Hierdurch ergibt sich im Verbindungsbereich 14 eine Diffusionsverschweißung zwischen den Werkstücken 10 und 12.Once through the rotary motion of the rotating tool 22 a sufficient plasticization of the second workpiece 12 in the connection area 14 is generated, the rotating tool 22 up to the level of the surface 32 of the first workpiece 10 withdrawn. At the same time, the inner hold-down becomes 20 back towards the surface 32 of the first workpiece 10 moves, leaving the displaced material of the first workpiece 10 from the displacement zone 30 back in the connection area 14 is pressed back. To create a spot weld between the workpieces 10 and 12 eventually become outer hold-down 18 , inner hold-down 20 and rotating tool 22 at the same time in the direction of the arrows 34 pressed. The contact pressure preferably moves in the order of the yield point of the material of the second workpiece 12 , This results in the connection area 14 a diffusion bonding between the workpieces 10 and 12 ,

Im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist so auch das Fügen von ultrahochfesten und Leichtbaublechen möglich, welche bislang nur gestanznietet werden können. Die Diffusionsverschweißung, die durch den hohen axialen Druck in Richtung der Pfeile 34 entsteht, ist von besonders hoher Qualität, ihre Festigkeit kann im Bereich der Festigkeiten der verwendenden Materialien der Werkstücke 10 und 12 liegen. Es ist dabei zu beachten, dass das Material des zweiten Werkstücks 12 lediglich aktiviert werden muss und nicht unbedingt verflüssigt wird. Es kommt daher zu keiner großräumigen Materialvermischung. Bevorzugt sind die Bedingungen beim in 1c gezeigten Herstellen der Diffusionsverschweißung so gewählt, dass der axiale Anpressdruck im Bereich der Fließgrenze des Materials des zweiten Werkstückes 12 liegt und die Temperatur des zweiten Werkstückes 12 noch knapp unter dessen Solidustemperatur liegt. Durch den Verzicht auf Stanznieten oder ähnliche zusätzliche Verbindungsmittel kann durch das dargestellte Verfahren zusätzlich noch Gewicht eingespart werden, wobei vorteilhafterweise auch eine beidseitig ebene Fügestelle entsteht.In contrast to known from the prior art method so the joining of ultra-high-strength and lightweight sheets is possible, which so far can only be riveted Gestanznietet. The diffusion bonding caused by the high axial pressure in the direction of the arrows 34 is of particularly high quality, its strength can be in the range of the strengths of the materials used in the workpieces 10 and 12 lie. It should be noted that the material of the second workpiece 12 only needs to be activated and not necessarily liquefied. There is therefore no large-scale material mixing. Preference is given to the conditions in 1c Manufacture of the diffusion bonding shown selected so that the axial contact pressure in the range of the yield point of the material of the second workpiece 12 is and the temperature of the second workpiece 12 still just below its solidus temperature. By dispensing with punch rivets or similar additional connecting means can be additionally saved by the illustrated method weight, which advantageously also creates a joint on both sides joint.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 19955737 B4 [0002] - DE 19955737 B4 [0002]

Claims (4)

Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken (10, 12), mit den Schritten: a) Anordnen der Werkstücke (10, 12), so dass diese in einem Verbindungsbereich (14) aneinander anliegen, b) Plastifizieren und Durchdringen des ersten Werkstücks (10) im Verbindungsbereich (14) durch ein insbesondere rotierendes Werkzeug (22) mittels Reibungshitze unter Verdrängung des plastifizierten Materials im Durchdringungsbereich, c) Plastifizieren des zweiten Werkstück (12) im Verbindungsbereich (14) durch das rotierende Werkzeug (22), d) Bewegen des rotierenden Werkzeuges (22) aus dem Durchdringungsbereich und gleichzeitiges Einpressen des verdrängten Materials in den Durchdringungsbereich, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) das rotierende Werkzeug (22) axial im wesentlichen ortsfest gehalten wird.Method for joining at least two workpieces ( 10 . 12 ), comprising the steps of: a) arranging the workpieces ( 10 . 12 ), so that these in a connection area ( 14 ) abut each other, b) plastification and penetration of the first workpiece ( 10 ) in the connection area ( 14 ) by a particular rotating tool ( 22 ) by means of friction heat with displacement of the plasticized material in the penetration area, c) plastification of the second workpiece ( 12 ) in the connection area ( 14 ) by the rotating tool ( 22 ), d) moving the rotating tool ( 22 ) from the penetration area and simultaneous pressing of the displaced material into the penetration area, characterized in that in step c) the rotating tool ( 22 ) is held axially substantially stationary. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einpressdruck des verdrängten Materials in Schritt d) in der Größenordnung der Fließgrenze des Materials des zweiten Werkstücks (12) liegt.A method according to claim 1, characterized in that a press-in pressure of the displaced material in step d) on the order of the yield point of the material of the second workpiece ( 12 ) lies. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einpressdruck zumindest teilweise von dem rotierenden Werkzeug (22) ausgeübt wird, wobei in Schritt d) die Rotation des Werkzeuges (22) eingestellt wird.A method according to claim 2, characterized in that the press-in pressure at least partially by the rotating tool ( 22 ), wherein in step d) the rotation of the tool ( 22 ) is set. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass während der Schritte b) bis d) die Relativlage der Werkstücke (10, 12) durch einen Niederhalter (18) gesichert wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that during the steps b) to d) the relative position of the workpieces ( 10 . 12 ) by a hold-down ( 18 ) is secured.
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