DE102009059055A1

DE102009059055A1 - Reibschweißverfahren, Reibschweißverbindung sowie Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102009059055A1
Application number: DE102009059055A
Authority: DE
Inventors: Frank 71254 Schnaiter
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2011-06-22

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden mindestens zweier Bauteile (11, 12; 31, 32), wobei jedes Bauteil (11, 12; 31, 32) mindestens eine Fügefläche (13, 14; 44, 45, 48, 49) aufweist und zwei einander zugeordnete Fügeflächen (13, 14; 44, 48; 45, 49) mittels Reibschweißen verbunden werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass vor dem Reibschweißen die einander zugeordneten Fügeflächen (13, 14; 44, 48; 45, 49) mittels eines Kragens (15, 16; 46, 51; 47, 52) verbreitert ausgebildet werden und dass ein stetiger Übergang (17, 18; 57) zwischen jedem Kragen (15, 16; 46, 51; 47, 52) und der äußeren Oberfläche des zugehörigen Bauteils (11, 12; 31, 32) ausgebildet wird. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine derartige Reibschweißverbindung sowie einen Kolben (30) für einen Verbrennungsmotor mit mindestens einer derartigen Reibschweißverbindung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden mindestens zweier Bauteile, wobei jedes Bauteil mindestens eine Fügefläche aufweist und zwei einander zugeordnete Fügeflächen mittels Reibschweißen verbunden werden. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Reibschweißverbindung zwischen zwei Bauteilen mittels mindestens einer Reibschweißnaht oder Reibschweißfläche. Die vorliegende Erfindung betrifft schließlich einen mehrteiligen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit mindestens einer Reibschweißverbindung.
Ein mehrteiliger Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einer Reibschweißverbindung ist bspw. in der US 6,557,514 B1 offenbart. Ein mehrteiliger Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einer Schweißverbindung, vorzugsweise einer CO₂-Laserschweißverbindung ist ferner in der US 6,279,455 B1 offenbart.
Versuche haben gezeigt, dass bei Zug-Druck-Wechselbelastung einer Reibschweißnaht eine Rissbildung im Bereich der Reibschweißnaht beobachtet wird. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Reibschweißen, eine gattungsgemäße Reibschweißverbindung sowie einen gattungsgemäßen Kolben derart weiterzubilden, dass die Festigkeit der Reibschweißverbindung insbesondere bei Zug-Druck-Wechselbelastung verbessert wird.
Die Lösung besteht darin, dass vor dem Reibschweißen die einander zugeordneten Fügeflächen mittels eines Kragens verbreitert ausgebildet werden und dass ein stetiger Übergang zwischen jedem Kragen und der äußeren Oberfläche des zugehörigen Bauteils ausgebildet wird. Die erfindungsgemäße Reibschweißverbindung zeichnet sich dadurch aus, dass auf jeder Seite mindestens einer Reibschweißnaht oder Reibschweißfläche ein Kragen am jeweiligen Bauteil vorgesehen ist und dass der Übergang zwischen jedem Kragen und der äußeren Oberfläche des zugehörigen Bauteils stetig ausgebildet ist. Der erfindungsgemäße Kolben ist mit mindestens einer erfindungsgemäßen Reibschweißnaht versehen.
Beim Reibschweißen bilden sich entlang der Reibschweißnaht Wulste aus überschüssigem Werkstoff der Bauteile. Direkt am Wulstaustritt, d. h. an der äußeren Oberfläche der Bauteile, wölben sich die Wulste flügelförmig auf. Jeder Flügel bildet mit der äußeren Oberfläche des jeweiligen Bauteils einen äußerst kleinen Radius. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, dass Dauerfestigkeitsuntersuchungen gezeigt haben, dass die schwächste Stelle der Reibschweißverbindung im Bereich dieses äußerst kleinen Radius liegt. Zug-Druck-Wechselversuche haben ergeben, dass der Ausgangspunkt der Rissbildung im Bereich dieses äußerst kleinen Radius liegt, der somit wie eine Unstetigkeit oder Kerbe wirkt. Dazu trägt bei, dass der äußerst kleine Radius am tragenden Querschnitt der Reibschweißverbindung direkt angrenzt. Erschwerend kommt hinzu, dass der äußerst kleine Radius je nach Schweißung unterschiedliche Werte aufweisen kann, was die Streubreite erhöht, so dass keine definierte Festigkeit der Reibschweißverbindung erzielt werden kann. Im Gegenversuch wurde festgestellt, dass die Festigkeit der Reibschweißverbindung zunimmt, wenn die Wulste abgearbeitet, die äußerst kleinen Radien also entfernt werden.
Allerdings sind die Wulste nach der Herstellung der Reibschweißverbindung nicht immer zugänglich und können in diesem Fall nicht abgearbeitet werden. Die vorliegende Erfindung sieht daher vor, dass der die Rissbildung initiierende äußerst kleine Radius bzw. die die Rissbildung initiierende Kerbe vom tragenden Querschnitt der Reibschweißverbindung entfernt radial nach außen positioniert wird. Dies wird erreicht, indem die Fügeflächen mittels eines Kragens verbreitert werden und ein stetiger Übergang zwischen jedem Kragen und der äußeren Oberfläche des Bauteils ausgebildet wird. Die Wulste sind nach dem Reibschweißen an den freien Enden der Kragen angeformt. Dadurch ist es möglich, den die Rissbildung initiierenden äußerst kleinen Radius radial nach außen an die freien Enden der Kragen zu verlagern, während direkt am tragenden Querschnitt der Reibschweißverbindung ein stetiger Übergang angrenzt, so dass die bisher bestehende Unstetigkeit bzw. Kerbe beseitigt ist.
Auf diese Weise wird die Rissbildung wirksam unterdrückt und die Festigkeit der Reibschweißverbindung unter Zug-Druck-Wechselbelastung deutlich erhöht.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass der stetige Übergang als definierter Radius ausgebildet ist, der größer bemessen ist als der Radius der die Rissbildung initiierenden Kerbe. Mit einem definierten Radius kann eine definierte Festigkeit der Reibschweißverbindung reproduzierbar erzielt werden.
Der mindestens eine Kragen ist vorzugsweise als umlaufender Kragen ausgebildet, um eine möglichst gleichmäßige Verlagerung der Wulste vom tragenden Querschnitt der Reibschweißverbindung zu erzielen.
Wenn die einander zugeordneten Kragen als umlaufende Kragen ausgebildet sind, ist es zweckmäßig, wenn sie denselben Durchmesser aufweisen, um eine möglichst bündige Reibschweißverbindung zu erhalten.
Ein erfindungsgemäßer mehrteiliger Kolben für einen Verbrennungsmotor weist vorzugsweise ein Kolbenunterteil und ein Kolbenoberteil auf, die mittels mindestens einer erfindungsgemäßen Reibschweißverbindung verbunden sind.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
1 eine exemplarische Darstellung zweier Bauteile vor dem Reibschweißen;
2 die Bauteile gemäß 1 nach dem Reibschweißen, teilweise im Schnitt;
3 eine vergrößerte Teildarstellung einer Reibschweißnaht gemäß dem Stand der Technik im Schnitt;
4 eine vergrößerte Teildarstellung einer erfindungsgemäßen Reibschweißnaht im Schnitt;
5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens vor dem Reibschweißen im Schnitt;
6 der erfindungsgemäße Kolben gemäß 5 nach dem Reibschweißen im Schnitt.
Die 1 und 2 zeigen exemplarisch zwei Bauteile 11, 12 sowie deren Verbindung mittels einer erfindungsgemäßen Reibschweißverbindung sowie deren Herstellung.
Wie 1 zu entnehmen ist, weisen die beiden Bauteile 11, 12 jeweils eine Fügefläche 13, 14 auf. Die beiden Fügeflächen 13, 14 sind zur Bildung einer Reibschweißverbindung einander zugeordnet. Die beiden Fügeflächen 13, 14 sind ferner mittels jeweils eines Kragens 15, 16 radial verbreitert ausgebildet. Die Kragen 15, 16 sind im Ausführungsbeispiel radial umlaufend ausgebildet und weisen denselben Durchmesser auf, so dass sie entlang ihrer äußeren Oberfläche 15', 16' bündig sind. Die Übergange 17, 18 zwischen den Kragen 15, 16 und der äußeren Oberfläche 11', 12' der ihnen zugeordneten Bauteile 11, 12 ist stetig ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel sind die Übergänge 17, 18 als definierte Radien R ausgebildet. Die Bemessung dieser Radien R hängt von der Bemessung und dem Verwendungszweck der miteinander verbundenen Bauteile 11, 12 ab.
2 zeigt die beiden Bauteile 11, 12 nach einem an sich bekannten Reibschweißvorgang entlang der Fügeflächen 13, 14 in 1. Aus dem Reibschweißvorgang resultiert eine Reibschweißnaht 19. Die Radien R und die Kragen 15, 16 bleiben während des Reibschweißvorgangs im Wesentlichen erhalten. An den freien Enden der Kragen 15, 16 sind flügelförmige Wulste 21, 22 angeformt, die in an sich bekannter Weise während des Reibschweißvorgangs entlang der Reibschweißnaht 19 aus überschüssigem aufgeschmolzenem Werkstoff der Bauteile 11, 12 entstehen. Da die Wulste 21, 22 an den freien Enden der Kragen 15, 16 angeformt sind, sind sie von der äußeren Oberfläche 11' 12' der Bauteile 11, 12 radial nach außen beabstandet.
Die 3 und 4 zeigen in einer Gegenüberstellung eine Reibschweißverbindung zwischen zwei Bauteilen 111, 112 nach dem Stand der Technik (3) und eine erfindungsgemäße Reibschweißverbindung (4) zwischen zwei Bauteilen 11, 12.
Wie 3 zu entnehmen ist, sind die Wulste 121, 122 direkt an der äußeren Oberfläche 111', 112' angeformt. Die Wulste 121, 122 bilden mit der äußeren Oberfläche 111', 112' der Bauteile 111, 112 einen äußerst kleinen Radius r. Dieser Radius r bildet eine Unstetigkeit und bildet unter Zug-Druck-Wechselbelastung den Ausgangspunkt für die Bildung eines Risses 129 im Bereich der Reibschweißnaht 119. Diese äußerst kleinen Radien r wirken also wie Kerben. Diese Wirkung wird dadurch verstärkt, dass die äußerst kleinen Radien r direkt an den tragenden Querschnitt der Reibschweißverbindung angrenzen.
Im Gegensatz hierzu ist 4 zu entnehmen, dass bei einer erfindungsgemäßen Reibschweißverbindung die Wulste 21, 22 von der äußeren Oberfläche 11', 12' der Bauteile 11, 12 beabstandet sind, und zwar in dem Maße, um den die Kragen 15, 16 die äußere Oberfläche 11' 12' der ihnen zugeordneten Bauteile 11, 12 überragt. Da die Übergänge zwischen den Kragen 15, 16 und der äußeren Oberfläche 11', 12' der ihnen zugeordneten Bauteile 11, 12 stetig ausgebildet sind, im Ausführungsbeispiel durch einen definierten Radius R, ist im Bereich der äußeren Oberflächen 11' 12' der Bauteile 11, 12 keine Unstetigkeit vorhanden. Der im Stand der Technik gegebene strukturelle Ausgangspunkt für eine Rissbildung ist somit nicht mehr gegeben. Die bei der Wulstbildung während des Reibschweißvorgangs entstehenden äußerst kleinen Radien r sind ebenfalls von der äußeren Oberfläche 11', 12' der Bauteile 11, 12 radial nach außen beabstandet, da die Wulste 21, 22 an den freien Enden der Kragen 15, 16 angeformt sind.
Die 5 und 6 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Kolbens 30 vor dem Reibschweißvorgang (5) und nach dem Reibschweißvorgang mit erfindungsgemäßen Reibschweißverbindungen (6).
Der Kolben 30 weist ein Kolbenoberteil 31 und ein Kolbenunterteil 32 auf, die durch Reibschweißen miteinander verbunden sind. Das Kolbenoberteil 31 und das Kolbenunterteil 32 können aus jedem metallischen Werkstoff bestehen, der einer Bearbeitung durch Reibschweißen zugänglich ist, insbesondere aus einem Stahlwerkstoff.
Das Kolbenoberteil 31 weist einen Kolbenboden 33 auf, der im Ausführungsbeispiel mit einer Verbrennungsmulde 34 versehen ist. An den Kolbenboden 33 schließt sich ein äußerer umlaufender Feuersteg 35 an. Unterhalb des Feuerstegs 35 ist eine umlaufende Ringpartie 36 vorgesehen, die im Ausführungsbeispiel mit drei umlaufenden Ringnuten für Kolbenringe (nicht dargestellt) versehen ist. Das Kolbenunterteil 32 weist einen Kolbenschaft 37 sowie mit Nabenbohrungen 39 versehene Bolzennaben 38 auf. Das Kolbenoberteil 31 und das Kolbenunterteil 32 bilden ferner gemeinsam einen äußeren umlaufenden Kühlkanal 41 sowie einen inneren Kühlraum 42. Der Kühlkanal 41 und der Kühlraum 42 sind durch Überlaufkanäle 43 miteinander verbunden.
Zur Bildung der Reibschweißverbindungen ist das Kolbenoberteil 31 mit einer umlaufenden äußeren Fügefläche 44 und einer umlaufenden inneren Fügefläche 45 versehen. Beide Fügeflächen 44, 45 sind mittels eines im Ausführungsbeispiel umlaufend ausgebildeten Kragens 46, 47 radial verbreitert ausgebildet. In korrespondierender Weise ist das Kolbenunterteil 32 ebenfalls mit einer umlaufenden äußeren Fügefläche 48 und einer umlaufenden inneren Fügefläche 49 versehen. Beide Fügeflächen 48, 49 sind mittels eines im Ausführungsbeispiel umlaufend ausgebildeten Kragens 51, 52 radial verbreitert ausgebildet. Jeder Kragen 46, 47, 51, 52 geht stetig, im Ausführungsbeispiel mit einem definierten Radius R, in das Kolbenoberteil 31 bzw. das Kolbenunterteil 32 über. Die einander zugeordneten Kragen 46, 51 bzw. 47, 52 weisen im Ausführungsbeispiel denselben Durchmesser auf, so dass ihre äußeren Oberflächen bündig zueinander sind.
Die äußeren Fügeflächen 44, 48 und die inneren Fügeflächen 45, 49) sind einander jeweils zugeordnet und werden in an sich bekannter Weise mittels Reibschweißen verbunden. Mit dem Reibschweißvorgang (vgl. 6) werden eine äußere umlaufende Reibschweißnaht 53 und eine innere umlaufende Reibschweißnaht 54 gebildet. Die beim Reibschweißvorgang entstandenen Wulste 55, 56 sind am freien Ende der Kragen 46, 47, 51, 52 angeformt. Wie bereits in 4 detailliert dargestellt und beschrieben, sind die Übergänge (beispielhaft mit 57 bezeichnet) zwischen den Kragen 46, 47, 51, 52 und den daran anschließenden äußeren Oberflächen des Kolbenoberteils 31 bzw. Kolbenunterteils 32 stetig ausgebildet, im Ausführungsbeispiel durch einen definierten Radius R. Somit ist in diesem Bereich keine Unstetigkeit vorhanden. Der im Stand der Technik gegebene strukturelle Ausgangspunkt für eine Rissbildung ist somit nicht gegeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6557514 B1 [0002]
US 6279455 B1 [0002]

Claims

Verfahren zum Verbinden mindestens zweier Bauteile (11, 12; 31, 32), wobei jedes Bauteil (11, 12; 31, 32) mindestens eine Fügefläche (13, 14; 44, 45, 48, 49) aufweist und zwei einander zugeordnete Fügeflächen (13, 14; 44, 48; 45, 49) mittels Reibschweißen verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Reibschweißen die einander zugeordneten Fügeflächen (13, 14; 44, 48; 45, 49) mittels eines Kragens (15, 16; 46, 51; 47, 52) verbreitert ausgebildet werden und dass ein stetiger Übergang (17, 18; 57) zwischen jedem Kragen (15, 16; 46, 51; 47, 52) und der äußeren Oberfläche des zugehörigen Bauteils (11, 12; 31, 32) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der stetige Übergang (17, 18; 57) mit einem definierten Radius (R) ausgebildet wird.
Reibschweißverbindung zwischen zwei Bauteilen (11, 12; 31, 32) mittels mindestens einer Reibschweißnaht (19; 53, 54) oder Reibschweißfläche, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeder Seite mindestens einer Reibschweißnaht (19; 53, 54) oder Reibschweißfläche ein Kragen (15, 16; 46, 51; 47, 52) am jeweiligen Bauteil (11, 12; 31, 32) vorgesehen ist und dass der Übergang (17, 18; 57) zwischen jedem Kragen (15, 16; 46, 51; 47, 52) und der äußeren Oberfläche des zugehörigen Bauteils (11, 12; 31, 32) stetig ausgebildet ist.
Reibschweißverbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der stetig ausgebildete Übergang (17, 18; 57) als definierter Radius (R) ausgebildet ist.
Reibschweißverbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kragen (15, 16; 46, 51; 47, 52) als umlaufender Kragen ausgebildet ist.
Reibschweißverbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugeordneten Kragen (15, 16; 46, 51; 47, 52) als umlaufende Kragen ausgebildet sind und denselben Durchmesser aufweisen.
Mehrteiliger Kolben (30) aus mindestens zwei Bauteilen (31, 32) für einen Verbrennungsmotor, wobei der Kolben (30) mindestens eine Reibschweißverbindung mit mindestens einer Reibschweißnaht (53, 54) oder Reibschweißfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeder Seite mindestens einer Reibschweißnaht (53, 54) oder Reibschweißfläche ein Kragen (46, 51; 47, 52) am jeweiligen Bauteil (31, 32) vorgesehen ist und dass der Übergang (57) zwischen jedem Kragen (46, 51; 47, 52) und der äußere Oberfläche des zugehörigen Bauteils (31, 32) stetig ausgebildet ist.
Mehrteiliger Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, der der stetig ausgebildete Übergang (57) als definierter Radius (R) ausgebildet ist.
Mehrteiliger Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kragen (46, 51; 47, 52) als umlaufender Kragen ausgebildet ist.
Mehrteiliger Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugeordneten Kragen (46, 51; 47, 52) als umlaufende Kragen ausgebildet sind und denselben Durchmesser aufweisen.
Mehrteiliger Kolben (30) für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 7 wobei ein Kolbenoberteil (31) und ein Kolbenunterteil (32) mittels mindestens einer Reibschweißverbindung verbunden sind.