DE102010005077A1

DE102010005077A1 - Verfahren und Werkzeug zum Fügen zweier metallischer Bauteile durch Reibrührschweißen

Info

Publication number: DE102010005077A1
Application number: DE201010005077
Authority: DE
Inventors: Ihsan 71069 Özer
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2010-01-20
Publication date: 2011-07-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen zweier metallischer Bauteile (12, 14) durch Reibrührschweißen, bei welchem ein rotierender Werkzeugkopf (10) unter einem vorgegebenen Anpressdruck entlang einer Fügezone (20) zwischen den Bauteilen (12, 14) geführt wird, wobei die Werkstoffe der Bauteile (12, 14) in der Fügezone (20) plastifiziert und verbunden werden, wobei zunächst ein erster rotationssymmetrischer Werkzeugbereich (22) an die Fügezone (20) angepresst wird, bis dieser so weit in die Fügezone (20) eindringt, dass ein zweiter rotationssymmetrischer Werkzeugbereich (24) in Anlage mit der Fügezone (20) kommt und anschließend der Werkzeugkopf (10) entlang der Fügezone geführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen zweier metallischer Bauteile durch Reibrührschweißen nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Werkzeug zum Fügen zweier metallischer Bauteile durch Reibrührschweißen nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 6.
Das Reibrührschweißen oder Friction Stir Welding (FSW) ist ein Fügeverfahren, welches zum Fügen von Leichtmetallbauteilen untereinander oder auch zum Fügen von Leichtmetallbauteilen mit Stahlbauteilen geeignet ist. Beim Reibrührschweißen wird ein rotierender Stift, ein so genannter Pin, der aus einem Werkzeugkopf herausragt, mit großer Kraft an den Stumpfstoß zweier zu fügender Bauteile gedrückt und gleichzeitig um seine Rotationssymmetrieachse rotiert. Der Stift des Reibrührschweißwerkzeugs wird so entlang der Fügelinie zwischen dem zu fügenden Bauteilen gefügt. Durch die Reibung zwischen dem Schweißkopf und den zu fügenden Werkstücken wird das Material der Werkstücke erwärmt und plastifiziert. Durch die Rotation des Stiftes werden die Materialien der beiden zu fügenden Werkstücke verrührt, so dass sich die zu fügenden Werkstücke in einem warmen Umformprozess verbinden.
So ausgeführte Schweißnähte weisen eine feinere Mikrostruktur auf als das ursprüngliche Material der Werkstücke. Durch die relativ geringe Restspannung im Schweißnahtbereich und das feinkörnige Gefüge der Reibschweißnaht wird eine ausgezeichnete Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit erzielt.
Das Reibrührschweißverfahren hat insbesondere beim Leichtbau von Automobilkomponenten Bedeutung. Insbesondere bei Bremsscheiben für Scheibenbremsen von Automobilen soll zunehmend Gewicht eingespart werden, um so die ungefederten Massen zu reduzieren und den Energieverbrauch des Fahrzeugs zu vermindern. Solche Bremsscheiben werden daher bevorzugt mehrteilig hergestellt, wobei ein Reibring aus beispielsweise Grauguss mit einem Leichtmetallbremsscheibentopf verbunden wird. Hierzu werden oftmals Presspassungen verwendet, wie beispielsweise aus der DE 10 2005 037 676 A1 bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug und Verfahren der eingangs genannten Art so weiter zu entwickeln, dass ein besonders einfaches und festes Fügen von Leichtbaukomponenten ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Werkzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.
Ein solches Verfahren dient zum Fügen zweier metallischer Bauteile durch Reibrührschweißen, wobei ein rotierender Werkzeugkopf unter einem vorgegebenen Anpressdruck entlang einer Fügezone zwischen den Bauteilen geführt wird, so dass die Werkstoffe der Bauteile in der Fügezone plastifiziert und verbunden werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zunächst eine erster rotationssymmetrischer Werkzeugbereich an die Fügezone angepresst wird, bis dieser soweit in die Fügezone eindringt, dass ein zweiter rotationssymmetrischer Werkzeugbereich in Anlage mit der Fügezone kommt und anschließend der Werkzeugkopf entlang der Fügezone geführt wird. Der erste Werkzeugbereich dringt also tief in die Fügezone ein und sorgt für eine besonders gute Durchmischung der plastifizierten Werkstoffe, während der zweite Werkzeugbereich großflächig Reibungswärme in die Fügezone einbringt. Durch die zwei Werkzeugbereiche wird der Schweißvorgang in zwei Phasen aufgetrennt. In einer ersten Phase steht das Material mit einer relativ kleinen Berührungsfläche des Werkzeugs in Kontakt und wird daher rasch erwärmt. In einer zweiten Phase wird die endgültige Schweißnaht durch den Kontakt mit dem zweiten Werkzeugbereich erzeugt. Durch den zweiten Werkzeugbereich kann gleichzeitig die gewünschte Geometrie der Schweißnaht kontrolliert werden.
Bevorzugt wird zu Beginn des Fügens das Werkzeug in einem wenigstens einem der Werkstücke angeformten Einlaufbereich angesetzt, welcher nach dem Fügen insbesondere spanend entfernt wird. Dies ist insbesondere zweckmäßig, wenn, wie beispielsweise bei Bremsscheiben, eine Schweißnaht erzeugt werden soll, die einen rotationssymmetrischen Gegenstand umfänglich umläuft. Ohne eine derartige Einlaufzone bleibt bei einer derartigen umfänglichen Schweißnaht üblicherweise ein so genanntes Schlüsselloch an der Stelle, an welcher das Werkzeug angesetzt und/oder entfernt wird. Das Schlüsselloch verbleibt bei dieser Ausführungsform des Verfahrens im angeformten Einlaufbereich und wird daher nach dem Fügen zusammen mit diesem entfernt. Die eigentliche Schweißnaht ist daher durchgängig und ohne Schwachstellen.
Während des Entlangführens des Werkzeugkopfes entlang der Fügezone durch den zweiten Werkzeugbereich wird bevorzugt eine Ausnehmung im Bereich der Fügezone erzeugt. Auch dies ist insbesondere beim Verschweißen von Reibringen und Bremsscheibentöpfen für Bremsscheiben für Scheibenbremsen zweckmäßig. Durch eine derartige Ausnehmung kann der Spannungsverlauf im Fügebereich optimiert werden. Bei Bremsscheiben dient eine solche Ausnehmung auch zur Vermeidung der so genannten Schirmung der Bremsscheibe bei ihrer Erwärmung.
Während des Fügens wird vorzugsweise eine Temperatur wenigstens eines Teilbereichs des Werkzeugkopfes bestimmt und der Werkzeugkopf bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur gekühlt. Damit kann die Materialqualität im Fügebereich besonders gut kontrolliert werden.
Es ist weiterhin zweckmäßig, während des Fügens mittels einer in den Werkzeugkopf integrierten Messvorrichtung eine Schweißnahtqualität zu überprüfen. Dies kann beispielsweise durch eine Ultraschall- oder Wirbelstromprüfung erfolgen. Hierdurch wird ein besonders prozesssicher durchführbares Verfahren bereitgestellt.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Werkzeug zum Fügen zweier metallischer Bauteile durch Reibrührschweißen. Das Werkzeug umfasst einen rotierbaren Werkzeugkopf, welcher einen rotationssymmetrischen ersten Werkzeugbereich aufweist, der mit einem vorgegebenen Anpressdruck an eine Fügezone zweier zu fügender metallischer Bauteile anpressbar ist. Erfindungsgemäß ist hier vorgesehen, dass das Werkzeug einen zweiten rotationssymmetrischen Werkzeugbereich aufweist, welcher sich in axialer Richtung des Werkzeugkopfes an den ersten Werkzeugbereich anschließt und einen größeren Durchmesser aufweist als der erste Werkzeugbereich. Wie bereits anhand des Verfahrens geschildert kann so ein zweiphasiger Schweißvorgang realisiert werden. In der ersten Phase ist das zu verschweißende Material lediglich mit der relativ kleinen Berührungsfläche des ersten Werkzeugbereichs in Kontakt und wird daher rasch erwärmt. In der zweiten Phase nach dieser Erwärmung trifft der zweite Werkzeugbereich auf die Fügezone der zu verschweißenden Bauteile und erzeugt die endgültige Schweißnaht in der gewünschten Endgeometrie.
Zwischen dem ersten und zweiten Werkzeugbereich ist vorzugsweise ein Übergangsbereich mit gekrümmter Oberfläche vorgesehen. Dies ist insbesondere zum Verschweißen von Bremsscheibentöpfen und Reibringen für Scheibenbremsen von Kraftwagen nützlich, da durch den Übergangsbereich eine Ausnehmung im Fügebereich erzeugt wird, die der Schirmung von Bremsscheiben entgegenwirkt und die Materialspannungen im Fügebereich reduziert.
Vorzugsweise verjüngt sich der erste Werkzeugbereich konisch, so dass in der ersten Phase des Schweißvorganges eine besonders kleine Berührungsfläche zwischen dem Werkzeug und den zu verschweißenden Bauteilen gegeben ist, die sich mit weiterem Eindringen graduell vergrößert.
Der erste und/oder zweite Werkzeugbereich weist bevorzugt eine unrunde Umfangskontur auf. Hierbei kann es sich beispielsweise um in axialer Richtung verlaufende Formstollen handeln, die umfänglich um den ersten und/oder zweiten Werkzeugbereich angeordnet sind. Durch eine derartige Geometrie wird ein besonders hoher Energieeintrag und damit eine besonders rasche Erwärmung des Schweißbereichs erzielt, was zu einer Verbesserung der Schweißnahtqualität führt. Gleichzeitig wird die Materialvermischung in der zweiten Phase des Schweißvorgangs gefördert.
Vorzugsweise weist der Werkzeugkopf eine Vorrichtung zum Messen einer Werkzeugtemperatur und/oder eine Vorrichtung zum Kühlen des Werkzeugkopfes und/oder eine Vorrichtung zum Prüfen einer Schweißnahtqualität auf. Alle genannten Vorrichtungen dienen zur Verbesserung der Prozesssicherheit des Schweißens und damit auch zur Verbesserung der Schweißnahtqualität. Durch die Überwachung der Werkzeugtemperatur kann sichergestellt werden, dass Maximaltemperaturen im Schweißnahtbereich nicht überschritten werden, was durch die Kühlung noch unterstützt wird. Gleichzeitig kann ein Überhitzen des Werkzeuges vermieden werden, was dessen Standzeit erhöht. Die Vorrichtung zum Prüfen der Schweißnahtqualität kann beispielsweise aus Wirbelstrom- oder Ultraschallprüfvorrichtungen ausgebildet sein.
Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Werkzeuges beim Verschweißen eines Reibringes mit einem Bremsscheibentopf;
2 die durch ein Werkzeug gemäß 1 erzeugte Schweißverbindung zwischen Reibring und Bremsscheibentopf;
3A und B eine schematische Darstellung einer Bremsscheibe mit einem Einlaufbereich zur Verwendung mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
4A und B Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Werkzeugs.
Ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Reibrührschweißwerkzeug dient im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel zum Verschweißen eines Reibrings 12 mit einem Bremsscheibentopf 14 einer Bremsscheibe für eine Scheibenbremse eines Kraftwagens. Der Reibring 12 besteht aus einem tribologisch günstigen Material wie beispielsweise Grauguss, während der Bremsscheibentopf 14 zur Gewichtseinsparung aus Leichtmetall ausgebildet ist. Zum Verschweißen von Reibring 12 und Bremsscheibentopf 14 werden diese zunächst in einem Gegenhalter 16 positioniert, der eine Ausnehmung 18 aufweist, die in ihrer Kontur der Außenkontur von Reibring 12 und Bremsscheibentopf 14 in der gewünschten Fügezone 20 entspricht.
Das Werkzeug 10 ist rotationssymmetrisch ausgebildet und umfasst einen ersten Werkzeugbereich 22 in Form eines sich konisch nach vorne verjüngenden Stiftes und einen zweiten Werkzeugbereich 24, der einen größeren Durchmesser aufweist als der Werkzeugbereich 22. Zwischen den Werkzeugbereichen 22, 24 ist ein gekrümmter Übergangsbereich 26 angeordnet. An den zweiten Werkzeugbereich 24 schließen sich Schultern 28 des Werkzeugs 10 an. In axialer Richtung hinter den Schultern befindet sich schließlich noch der Schaft 30 des Werkzeugs 10, der in einer geeigneten Vorrichtung eingespannt werden kann, so dass das gesamte Werkzeug 10 um seine Achse rotiert werden kann.
Zum Verschweißen des Reibrings 12 mit dem Bremsscheibentopf 14 wird das Werkzeug 10 in Rotation versetzt und in axialer Richtung, das heißt in Richtung des Pfeils 32, an die Fügezone 20 angepresst. Zunächst wird das Material der Fügezone 20 durch den Kontakt mit dem schnell rotierenden Stift 22 plastifiziert, woraufhin der Stift 22 in die Fügezone 20 eindringt und der zweite Werkzeugbereich 24 an den Flächen 34, 36 von Bremsscheibentopf 14 und Reibring 12 in Anlage kommt. Auch in diesen Anlagebereichen plastifiziert das Material von Reibring 12 und Bremsscheibentopf 14, woraufhin das Werkzeug 10 weiter vorgeschoben wird, bis die Schultern 28 an den Flächen 34, 36 anliegen. Die Rotation des Werkzeugs führt zu einer Durchmischung der plastifizierten Materialien von Reibring 12 und Bremsscheibentopf 14 in der Fügezone 20 und zur gleichzeitigen Bildung einer Ausnehmung 38, die in ihrer Kontur der Kontur des zweiten Werkzeugbereichs 24 und des Übergangsbereichs 26 entspricht.
In der Fügezone 20 bildet sich eine durchgängige Schweißnaht 40 aus, die den Reibring 12 und den Bremsscheibentopf 14 stoffschlüssig verbindet. Durch das Reibrührschweißen werden kaum Wärmeeinflusszonen erzeugt, das Gefüge der Schweißnaht 40 ist besonders feinkörnig und spannungsarm, wodurch sich ein besonders guter Halt zwischen den Bauteilen 12, 14 ergibt. Die Ausnehmung 38 trägt weiter zur Reduktion von Spannungen bei und verhindert eine Schirmung der insgesamt mit 42 bezeichneten Bremsscheibe.
Das Werkzeug 10 wird umfänglich entlang der Fügezone 20 um die gesamte Bremsscheibe 42 geführt, so dass sich eine umfänglich vollständig umlaufende Schweißnaht ergibt. Um die Bildung eines so genannten Schlüsselloches an der Einführstelle beziehungsweise Ausführstelle des Werkzeugs 10 zu vermeiden, ist, wie in den 3A und B gezeigt am Bremsscheibentopf 14 ein Einlaufbereich 44 mit angegossen, an dem das Werkzeug 10 zunächst angesetzt wird. Nach Vervollständigung der Schweißnaht 20 wird das Werkzeug im Bereich 44 wieder zurückgezogen, woraufhin ein Schlüsselloch 46 im Einlaufbereich 44 zurückbleibt. Nach Beendigung des Schweißens wird der Einlaufbereich 46 spanend entfernt, so dass an der Bremsscheibe 42 eine umfänglich umlaufende, störungsfreie Schweißnaht 20 zurück bleibt.
4A und B zeigen eine weitere Ausführungsform des Werkzeugs 10. Der erste Werkzeugbereich 22 umfasst hier eine konische Spitze 48, an die sich ein zylindrischer Teilbereich 50 anschließt. Auf den zylindrischen Teilbereich 50 folgt in gewohnter Weise der zweite Werkzeugbereich 24 mit größerem Durchmesser, der eine Krümmung aufweist. An diesem schließt sich wieder die Schulter 28 sowie der Schaft 30 an. In axialer Richtung sind entlang des ersten Werkzeugbereichs 22 Formstollen 52 ausgebildet, so dass der erste Werkzeugbereich 22, wie in 4B gezeigt eine unrunde Umfangskontur besitzt. Hierdurch wird eine besonders gute Energieübertragung auf den Fügebereich 20 und gleichzeitig eine besonders gute Materialdurchmischung erzielt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005037676 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Fügen zweier metallischer Bauteile (12, 14) durch Reibrührschweißen, bei welchem ein rotierender Werkzeugkopf (10) unter einem vorgegebenen Anpressdruck entlang einer Fügezone (20) zwischen den Bauteilen (12, 14) geführt wird, wobei die Werkstoffe der Bauteile (12, 14) in der Fügezone (20) plastifiziert und verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein erster rotationssymmetrischer Werkzeugbereich (22) an die Fügezone (20) angepresst wird, bis dieser so weit in die Fügezone (20) eindringt, dass ein zweiter rotationssymmetrischer Werkzeugbereich (24) in Anlage mit der Fügezone (20) kommt und anschließend der Werkzeugkopf (10) entlang der Fügezone geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn des Fügens der Werkzeugkopf (10) in einem an wenigstens einem der Werkstücke (12, 14) angeformten Einlaufbereich (44) angesetzt wird, welcher nach dem Fügen insbesondere spanend entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Entlangführens des Werkzeugkopfes (10) entlang der Fügezone (20) durch den zweiten Werkzeugbereich (24) eine Ausnehmung (38) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass während des Fügens eine Temperatur wenigstens eines Teilbereiches (22, 24, 26, 28, 30) des Werkzeugkopfes (10) bestimmt wird und der Werkzeugkopf (10) bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur gekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während des Fügens mittels einer in den Werkzeugkopf (10) integrierten Messvorrichtung eine Schweißnahtqualität überprüft wird.
Werkzeug zum Fügen zweier metallischer Bauteile (12, 14) durch Reibrührschweißen, mit einem rotierbaren Werkzeugkopf (10), welcher einen rotationssymmetrischen ersten Werkzeugbereich (22) aufweist, mit einem vorgegebenen Anpressdruck an eine Fügezone (20) zweier zu fügender metallischer Bauteile (12, 14) anpressbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug einen zweiten rotationssymmetrischen Werkzeugbereich (24) aufweist, welcher sich in axialer Richtung des Werkzeugkopfes (10) an den ersten Werkzeugbereich (22) anschließt und einen größeren Durchmesser aufweist als der erste Werkzeugbereich (22).
Werkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten (22) und zweiten Werkzeugbereich (24) ein Übergangsbereich (26) mit gekrümmter Oberfläche vorgesehen ist.
Werkzeug nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Werkzeugbereich (22) sich konisch verjüngt.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (22) und/oder zweite Werkzeugbereich (24) eine unrunde Umfangskontur aufweist.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugkopf (10) eine Vorrichtung zum Messen einer Werkzeugtemperatur und/oder eine Vorrichtung zum Kühlen des Werkzeugkopfes und/oder eine Vorrichtung zum Prüfen einer Schweißnahtqualität umfasst.