DE102010026667A1 - Welding process comprises providing a first component to be welded, pressing a welding pin extending along a first direction against the first component along the first direction and rotating the welding pin around the first direction - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Schweißverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines Schweißverfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.The invention relates to a welding method according to the preamble of
Ein derartiges Verbindungsverfahren weist zumindest die folgenden Schritte auf: Bereitstellen zumindest eines zu verschweißenden ersten Bauteils, das insbesondere aus einem Metall wie z. B. Aluminium besteht, Pressen eines entlang einer ersten Richtung erstreckten Schweißstiftes auf das mindestens eine erste Bauteil entlang der ersten Richtung, und Rotieren des Schweißstiftes um die erste Richtung (als Rotationsachse), so dass das mindestens eine erste Bauteil im Bereich des Schweißstiftes weich (fließfähig) wird und eine Ausnehmung in dem mindestens einen Bauteil ausgebildet wird.Such a connection method has at least the following steps: providing at least one first component to be welded, which in particular consists of a metal, such as a metal. Aluminum, pressing a welding pin extended along a first direction onto the at least one first component along the first direction, and rotating the welding pin about the first direction (as the axis of rotation), so that the at least one first component in the region of the welding pin soft ( flowable) and a recess is formed in the at least one component.
Derartige Schweißverfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden auch als Rührreib- bzw. Reibpunktschweißen (Festphasenfügeverfahren) bezeichnet.Such welding methods are known from the prior art and are also referred to as friction-point welding (solid-phase joining method).
Dabei kann weiterhin der rotierende Schweißstift, der auch als Rührpin bezeichnet wird und aus einer zylindrischen Schulter eines rotierbaren Schweißwerkzeuges herausragt, in einen Stumpfstoß zweier Bauteile in Form von Blechen gedrückt werden, wobei das rotierende Schweißwerkzeug samt dem daran drehfest festgelegten Schweißstift dann nach einer definierten Zeit, während der Reibungswärme erzeugt wird, entlang der Stumpfnaht der Bleche weiterbewegt wird.In this case, furthermore, the rotating welding pin, which is also referred to as Rührpin and protrudes from a cylindrical shoulder of a rotatable welding tool, are pressed into a butt joint of two components in the form of sheets, wherein the rotating welding tool together with the non-rotatably fixed welding pin then after a defined time while the frictional heat is generated, is propagated along the butt weld of the sheets.
Der Prozessablauf gliedert sich also im Wesentlichen in drei Schritte. Im ersten Schritt wird ein rotierendes Schweißwerkzeug mit dem Schweißstift voran mit hoher Kraft solange in den Fügespalt gedrückt, bis die Schulter des Schweißwerkzeuges auf der Bauteiloberfläche zur Anlage kommt. Während des zweiten Schritts verweilt das sich drehende Schweißwerkzeug samt Schweißstift für einige Sekunden an der Eintauchstelle. Durch die Reibung zwischen der Werkzeugschulter und den Fügepartnern erwärmt sich der Werkstoff unter der Schulter bis kurz unter den Schmelzpunkt. Dieser Temperaturanstieg hat einen Festigkeitsabfall zur Folge, wodurch der Werkstoff plastifiziert wird und eine Vermischung der Fügezone möglich wird. Mit dem Einsetzen der Vorschubbewegung beginnt der dritte Schritt, bei dem das rotierende Schweißwerkzeug mit hoher Anpresskraft entlang der Fügelinie bewegt wird. Der durch die Vorschubbewegung entstehende Druckgradient zwischen Vorder- und Rückseite des Schweißstiftes und dessen Rotationsbewegung bewirken den Transport von plastifiziertem Werkstoff beider Bauteile um den Schweißstift herum, der sich dort vermischt und die spätere Naht bildet. Am Ende der Naht wird das Werkzeug wieder aus der Fügezone herausgezogen.The process flow is essentially divided into three steps. In the first step, a rotating welding tool with the welding pin is pressed with high force into the joint gap until the shoulder of the welding tool comes to rest on the component surface. During the second step, the rotating welding tool together with welding pin lingers for a few seconds at the immersion point. Due to the friction between the tool shoulder and the joining partners, the material heats under the shoulder to just below the melting point. This increase in temperature results in a decrease in strength, whereby the material is plasticized and a mixing of the joining zone is possible. With the onset of the feed movement begins the third step, in which the rotating welding tool is moved with high contact pressure along the joint line. The pressure gradient between the front and the back of the welding pin and its rotation caused by the advancing movement cause the transport of plasticized material of both components around the welding pin, which mixes there and forms the subsequent seam. At the end of the seam, the tool is pulled out of the joining zone.
Aufgrund dieses hier exemplarisch dargestellten charakteristischen Prozessablaufs ist das Rührreibschweißen sehr gut für Aluminiumlegierungen geeignet. Probleme, die beim Schmelzschweißen von Aluminiumlegierungen durch den Phasenübergang verursacht werden, wie z. B. die Heißrissproblematik und die Porenbildung, treten beim Rührreibschweißen infolge der Abwesenheit einer flüssigen oder dampfförmigen Phase nicht auf.Due to this characteristic process sequence shown here by way of example, friction stir welding is very well suited for aluminum alloys. Problems caused in the fusion welding of aluminum alloys by the phase transition, such. As the Heißrissproblematik and pore formation, do not occur in friction stir welding due to the absence of a liquid or vapor phase.
Beim Rührreibschweißen wird einerseits der Werkstoff durch eine vertikal zur Werkstückoberfläche gerichtete Kraft unter Wärmeeinbringung gestaucht und andererseits durch die Geometrie des rotierenden Werkzeugs der teilplastische Werkstoff durch Verwirbelung nach unten gedrückt. Es entsteht ein Extrusionskanal, der bis an die Nahtwurzel reicht (auch Schweißnugget genannt). Die zu fügenden Bauteile stehen dabei still. Eine besondere Ausformung der Naht vor der Verschweißung ist nicht notwendig.In friction stir welding, on the one hand, the material is compressed by a force directed vertically to the workpiece surface while introducing heat and, on the other hand, by the geometry of the rotating tool, the partially plastic material is forced downwards by swirling. The result is an extrusion channel that reaches to the seam root (also called a welding nugget). The components to be joined stand still. A special shape of the seam before welding is not necessary.
Das Schweißwerkzeug weist vorzugsweise eine senkrecht zum Schweißstift angeordnete Schulter auf, die einen größeren Durchmesser als der Schweißstift selbst besitzt. Die Schulter kann in Form einer Halbschale ausgebildet sein, die die Umgebungsluft von der Schweißnaht isolieren soll. Der Schweißstift ist für die Verwirbelung des Werkstoffs zuständig. Die Neigung des Werkzeugs bzw. des Schweißstifts zur Oberfläche der zu fügenden Bauteile beträgt vorzugsweise etwa 2° bis 3° in stechender Anordnung. Der Schweißstift selbst hat einen geringen Verschleiß, er muss zur Aufrechterhaltung der Qualität nach etwa 3 km Schweißnaht ausgetauscht werden.The welding tool preferably has a shoulder which is perpendicular to the welding pin and has a larger diameter than the welding pin itself. The shoulder may be in the form of a half-shell intended to isolate the ambient air from the weld. The welding pin is responsible for the swirling of the material. The inclination of the tool or the welding pin to the surface of the components to be joined is preferably about 2 ° to 3 ° in a piercing arrangement. The welding pin itself has a low wear, it must be replaced to maintain the quality after about 3 km weld.
Das oben beschriebene bekannte Verfahren kann auch zur lokalen Eigenschaftsverbesserung und zum Schließen von Poren in Gussgefügen verwendet werden. Es wird dann oft anstelle von FSW (englisch: Friction Stir Welding, deutsch: Rührreibschweißen) von FSP (englisch: Friction Stir Processing, deutsch: Rührreibbearbeitung) gesprochen.The known method described above can also be used for local property improvement and for closing pores in cast structures. It is then often instead of FSW (English: Friction Stir Welding, German: friction stir welding) of FSP (English: Friction Stir Processing, German: Rührreibbearbeitung) spoken.
Herausforderungen beim Einsatz des Rührreibschweißens bestehen in den relativ hohen Prozesskräften, die je nach Legierung und Bauteildicke von ca. 1 kN bis weit über 20 kN betragen, der eingeschränkten 3D-Fähigkeit durch den notwendigen Kontakt zwischen der Werkzeugschulter und dem zu bearbeitenden Bauteil, den Endkratern am Ende der Schweißnaht durch den Austritt des Werkzeugs (Schweißstiftes), die jedoch durch automatisch zurückziehbare Schweißstifte vermieden werden können (englisch: „Retractable Pin Tool”, RPT, RPT-Technologie, deutsch: Werkzeug mit rückziehbarem Stift).Challenges in the use of friction stir welding exist in the relatively high process forces, depending on the alloy and component thickness of about 1 kN to well over 20 kN, the limited 3D capability through the necessary contact between the tool shoulder and the component to be machined, the end craters at the end of the weld by the exit of the tool (welding pin), which however can be avoided by automatically retractable welding pins (English: "Retractable Pin Tool", RPT, RPT- Technology, German: tool with retractable pin).
Mit dem Rührreibschweißen (FSW) können Bleche verschiedener Materialien, insbesondere Metalle, bis zu einer Tiefe von mehr als 30 mm gefügt werden. Die erzielbaren Einschweißtiefen und Schweißgeschwindigkeiten hängen dabei stark vom zu fügenden Material ab und verringern sich in der Regel mit steigender Festigkeit und Härte. Die Prozesskräfte steigen mit steigender Festigkeit und Härte des Materials stark an. Verwendet wird das Verfahren deshalb hauptsächlich für Aluminium. Des Weiteren ist auch ein Fügen von Metallschäumen möglich.Friction Stir Welding (FSW) can be used to join sheets of various materials, in particular metals, to a depth of more than 30 mm. The achievable welding depths and welding speeds depend strongly on the material to be joined and generally decrease with increasing strength and hardness. The process forces increase strongly with increasing strength and hardness of the material. Therefore, the method is mainly used for aluminum. Furthermore, a joining of metal foams is possible.
Verwendung findet das FSW hauptsächlich beim Verschweißen großflächiger Bauteile. Anwendungsbeispiele sind die Flugzeugindustrie, Raumfahrt, Schifffahrt, Schienenfahrzeugbau, aber mittlerweile auch verstärkt bei kleineren Anwendungen der Automobilbau oder die Medizintechnik.The FSW is mainly used for welding large components. Application examples are the aerospace industry, aerospace, shipping, rail vehicle construction, but now also increasingly in smaller applications of automotive or medical technology.
Die schnelle Entwicklung des Rührreibschweißens für Aluminiumlegierungen und seine erfolgreiche Implementierung für kommerzielle Produkte hat seine Anwendung auf andere Nichteisenmetalle (Magnesium, Kupfer, Titan, und ihre Legierungen) sowie Stahl und Thermoplaste motiviert.The rapid development of friction stir welding for aluminum alloys and its successful implementation for commercial products has motivated its application to other non-ferrous metals (magnesium, copper, titanium, and their alloys) as well as to steel and thermoplastics.
Ein weiteres Beispiel sind die Hintertüren des Mazda RX-8. Hier wird keine Naht, sondern nur Punkte geschweißt. Dies nennt man auch Reibpunktschweißen oder FSSW-Schweißen (englisch: Friction Stir Spot Welding). Das Werkzeug führt hier lediglich eine Vertikalbewegung durch.Another example is the rear doors of the Mazda RX-8. Here no seam but only points are welded. This is also called friction spot welding or FSSW welding (English: Friction Stir Spot Welding). The tool only performs a vertical movement here.
Herkömmlicherweise werden für das FSW Spezialmaschinen verwendet, die speziell für dieses Verfahren konstruiert oder umgerüstet wurden, um den Anforderungen des Prozesses zu genügen. Vereinzelt kommen auch Tricept-Robotersysteme zum Einsatz. Mittlerweile werden auch herkömmliche Produktionswerkzeuge für das FSW eingesetzt, um Kosten zu reduzieren und die Flexibilität zu erhöhen. Beispielsweise wurde der FSW-Prozess mittlerweile auf Werkzeugmaschinen oder Standardindustrierobotern umgesetzt Eine Hybridvariante des Rührreibschweißens ist das LAFSW-Schweißen (englisch: Laser Assisted Friction Stir Welding, deutsch: laserunterstütztes Rührreibschweißen). Bei dieser Variante wird zusätzlich Wärmeenergie durch einen Laserstrahl eingebracht, der unmittelbar dem rotierenden Werkzeug, dem Schweißstift, vorauseilt. Dadurch soll unter anderem eine Verringerung der vertikalen Kraft beim Einführen des FSW-Werkzeugs in das Bauteil und ein Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit erreicht werden. Diese Verfahrensvariante ist jedoch wegen des Lasers mit erhöhten Kosten verbunden.Conventionally, the FSW uses special machines that have been specially designed or retrofitted to meet the requirements of the process. Chance also Tricept robot systems are used. Meanwhile, traditional FSW production tools are being used to reduce costs and increase flexibility. For example, the FSW process has now been implemented on machine tools or standard industrial robots. One hybrid variant of friction stir welding is LAFSW welding (laser assisted friction stir welding). In this variant, additional thermal energy is introduced by a laser beam, which leads directly to the rotating tool, the welding pin. This is to achieve, inter alia, a reduction in the vertical force when inserting the FSW tool into the component and an increase in the welding speed. However, this process variant is associated with increased costs because of the laser.
Ausgehend von dem eingangs dargelegten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde, ein Schweißverfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung eines Schweißverfahrens zu schaffen, die das Verschweißen bzw. Verbinden von Bauteilen weiter vereinfachen und verbessern.Starting from the above-described prior art, the present invention is based on the problem to provide a welding method and an apparatus for performing a welding process, which further simplify and improve the welding or joining of components.
Dieses Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This problem is solved by a method having the features of
Danach ist vorgesehen, dass der Schweißstift als ein Verbindungsmittel ausgebildet ist, das nach dem besagten Plastifizieren des mindestens einen ersten Bauteils im Bereich des Schweißstiftes dauerhaft in jener Ausnehmung verbleibt, wobei der Schweißstift in der Ausnehmung mit dem mindestens einen ersten Bauteil beim Plastifizieren verschweißt bzw. unlösbar mit der Ausnehmung verbunden wird, oder wobei alternativ der Schweißstift nicht mit jenem Bauteil verschweißt bzw. unlösbar verbunden wird, so dass der Schweißstift aus der Ausnehmung herausnehmbar ist, ohne die Konfiguration der Ausnehmung zu zerstören (lösbare Verbindung).Thereafter, it is provided that the welding pin is formed as a connecting means which remains after said plasticizing the at least one first component in the region of the welding pin permanently in that recess, wherein the welding pin welded in the recess with the at least one first component during plasticizing or Alternatively, the welding pin is not welded or permanently connected to that component, so that the welding pin can be removed from the recess without destroying the configuration of the recess (detachable connection).
Eine unlösbare Verbindung ist also hierbei insbesondere als eine Verbindung gekennzeichnet, die sich nur durch Zerstören, also dauerhaftes Verändern des ersten Bauteiles und/oder des Verbindungsmittels lösen lässt. Eine lösbare Verbindung kann z. B. durch Herausdrehen des Verbindungsmittels gelöst werden, etwa wenn das Verbindungsmittel als eine Schraube ausgebildet ist, wie unten näher erläutert.An inseparable connection is thus characterized in particular as a compound which can be solved only by destroying, so permanently changing the first component and / or the connecting means. A detachable connection can, for. B. be solved by unscrewing the connecting means, such as when the connecting means is designed as a screw, as explained in more detail below.
Auf die vorgenannte Weise wird ein Rührreib- bzw. Reibpunktschweißverfahren (Festphasenfügeverfahren) mit verbleibenden „Werkzeug” bereitgestellt, das mit Vorteil gegenüber dem Stand der Technik einen einstufigen Prozess zur Herstellung einer hochfesten, lösbaren bzw. unlösbaren form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung oder einer unlösbaren, stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Verbindungsmittel und zumindest einem ersten oder ggf. mehreren Bauteilen darstellt. Die übliche Abfolge des Schweißens, Rohrens/Gewindeschneidens und Bolzen- oder Schraubeneindrehens wird auf einen Arbeitsschritt reduziert. Hierdurch kann einerseits eine erhöhte Qualität einer unlösbaren Verbindung zwischen dem Verbindungsmittel und der Ausnehmung (erstes Bauteil) durch ggf. stoffschlüssiges Fügen unterhalb der Werkstoff-Schmelztemperatur und somit eine hohe Belastbarkeit der Verbindung geschaffen werden und andererseits eine präzise, lösbare Verbindung zwischen der Ausnehmung und dem Verbindungsmittel z. B. in Form ineinandergreifender Gewinde bereitgestellt werden.In the aforementioned manner, a Reibreibschweißenverfahren (Festphasengesgeverfahren) with remaining "tool" is provided, which with advantage over the prior art, a one-step process for producing a high-strength, releasable positive and / or non-positive connection or a indissoluble, cohesive connection between the connecting means and at least one first or possibly more components represents. The usual sequence of welding, tube / threading and bolt or screw threading is reduced to one step. In this way, on the one hand, an increased quality of an inseparable connection between the connecting means and the recess (first component) may be created by possibly integral joining below the material melting temperature and thus a high load capacity of the connection and on the other hand a precise, detachable connection between the recess and the Connecting means z. B. be provided in the form of intermeshing thread.
Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Schweißstift zum Pressen gegen das mindestens eine erste Bauteil und zum Rotieren an einem Schweißwerkzeug festgelegt bzw. ragt von einer senkrecht zum Stift verlaufenden Schulter des Werkzeuges ab, wobei insbesondere das Schweißwerkzeug um die erste Richtung entlang einer zweiten Richtung rotierbar ist, und wobei insbesondere das Schweißwerkzeug samt Schweißstift entlang der ersten Richtung in Richtung auf das erste Bauteil verfahren wird, um den Schweißstift gegen das mindestens eine erste Bauteil zu drücken, so dass es beim Plastifizieren des ersten Bauteiles in dieses eintauchen kann. Damit der Schweißstift, der erfindungsgemäß ein Verbindungsmittel darstellt, in dem mindestens einen ersten Bauteil verbleiben kann, ist er vorzugsweise lösbar am Schweißwerkzeug festgelegt, und wird bevorzugt nach dem Herstellen der Verbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem Verbindungsmittel und ggf. weiterer Bauteile vom Schweißwerkzeug gelöst.In the method according to the invention, the welding pin is preferred for pressing against the method at least one first component and for rotation on a welding tool defined or protrudes from a perpendicular to the pin extending shoulder of the tool, in particular the welding tool is rotatable about the first direction along a second direction, and in particular the welding tool together with welding pin along the first Direction towards the first component is moved to press the welding pin against the at least one first component, so that it can immerse in plasticizing the first component in this. In order for the welding pin, which according to the invention represents a connecting means, to remain in the at least one first component, it is preferably detachably fixed to the welding tool, and is preferably released from the welding tool after the connection between the first component and the connecting means and possibly further components has been established ,
Vorzugsweise ragt der Schweißstift von einer Stirnseite des Schweißwerkzeuges ab, wobei jene Stirnseite beim Ausbilden der Ausnehmung zur Anlage an einen die Ausnehmung berandenden Randbereich des mindestens einen ersten Bauteils gebracht wird, um plastifiziertes Material bei der Ausformung der besagten Ausnehmung zurückzudrängen. Ggf. wird der Schweißstift noch tiefer in das jeweilige Bauteil gedrückt.Preferably, the welding pin protrudes from an end face of the welding tool, wherein that end face is brought to rest against the edge of the at least one first component when forming the recess, in order to push back plasticized material during the shaping of said recess. Possibly. The welding pin is pressed even deeper into the respective component.
Es ist auch denkbar, dass die Stirnseite des Schweißwerkzeuges bzw. dessen Schulter an dem Stift selbst ausgebildet ist, d. h., einstückig an den Schweißstift angeformt ist. Das Schweißwerkzeug trägt dann diesen Schweißstift, der einen freien Endbereich aufweist, der von einer senkrecht dazu verlaufenden Schulter bzw. Stirnseite des Schweißstiftes (einstückig) abragt.It is also conceivable that the end face of the welding tool or its shoulder is formed on the pin itself, d. h., Is integrally formed on the welding pin. The welding tool then carries this welding pin, which has a free end portion which protrudes from a perpendicular thereto extending shoulder or end face of the welding pin (in one piece).
In einer Variante des Verfahrens wird das Verbindungsmittel durch eine Schraube oder einen Bolzen/Stehbolzen mit einem Außengewinde gebildet, wobei die Schraube derart gegen das mindestens eine erste Bauteil gedrückt wird und rotiert wird, dass beim Eintauchen in das (an dieser Stelle plastifizierte) Bauteil an der Ausnehmung ein dem Außengewinde entsprechendes Innengewinde ausgebildet wird. Bei einem Stehbolzen kann es sich insbesondere um eine Schraube ohne Schraubenkopf handeln. In der Regel wird ein Stehbolzen mit einem Gewinde in ein (üblicherweise höherwertiges) Teil eingeschraubt, das zu diesem Zweck mit einem entsprechenden Gewinde versehen wurde. Dieser Gewindeteil wird in der Regel nicht mehr bewegt/gelöst. Das andere Gewindeende des Stehbolzens dient dem Befestigen eines anzuflanschenden weiteren Teils, das daran z. B. mit Mutter und Unterlegscheibe festgelegt werden kann.In a variant of the method, the connecting means is formed by a screw or a bolt / stud with an external thread, wherein the screw is pressed against the at least one first component and rotated, that when immersed in the (plasticized at this point) component the recess is formed an internal thread corresponding to the external thread. A stud may in particular be a screw without a screw head. As a rule, a stud bolt with a thread is screwed into a (usually higher quality) part, which has been provided for this purpose with a corresponding thread. This threaded part is usually not moved / solved. The other threaded end of the stud bolt is used to attach a further part to be flanged, the z. B. can be determined with nut and washer.
Die vorstehende Art des Gewindeformens ist besonders vorteilhaft, da im Gegensatz zum Gewindeschneiden kein Material verloren geht, sondern durch Umformen vollständig erhalten bleibt. Die Materialfaser wird dabei nicht durchtrennt, sondern am Gewindegrund verdichtet. Dadurch sind solchermaßen geformte Gewinde auszugsfester und haben eine sehr glatte Oberfläche. Die höhere Drehzahl und Vorschubgeschwindigkeit gegenüber dem Schneiden erhöht dabei zusätzlich die Produktivität. Gewindeformen kann insbesondere in Materialien mit guter Kaltverformbarkeit eingesetzt werden. Dies sind neben Stahl und Edelstahl auch Leichtmetalle und Leichtmetalllegierungen mit einer Streckgrenze von 1200 N/mm2. Grundsätzlich kommen insbesondere Werkstoffe, die beim Bohren langspanend sind, für das Gewindeformen in Betracht.The above type of thread forming is particularly advantageous since, in contrast to thread cutting no material is lost, but is completely retained by forming. The material fiber is not severed, but compacted at the root of the thread. As a result, such shaped threads are more resilient and have a very smooth surface. The higher speed and feed rate compared to cutting additionally increases productivity. Thread forming can be used in particular in materials with good cold workability. In addition to steel and stainless steel, these are also light metals and light metal alloys with a yield strength of 1200 N / mm 2 . In principle, in particular materials that are long-chipping during drilling, come into consideration for the thread forming.
Weiterhin ist im Hinblick auf die vorstehend beschriebene Art des Gewindeformens von Vorteil, dass in Abhängigkeit von dem Druck mit dem der Schweißstift gegen das mindestens eine erste Bauteil gedrückt wird und der Rotationsgeschwindigkeit des Schweißstiftes die Selbsthemmung des geformten Gewindes (Innengewinde der Ausnehmung) kontinuierlich bis maximal zur Verschweißung mit dem Grundwerkstoff (erstes Bauteil) erhöht werden kann. Hierdurch kann des Weiteren ggf. der übliche Schraubensicherungslack (z. B. Loctite) entfallen.Furthermore, in view of the above-described type of thread forming advantageous that depending on the pressure with which the welding pin against the at least one first component is pressed and the rotational speed of the welding pin, the self-locking of the formed thread (female thread of the recess) continuously to maximum for welding with the base material (first component) can be increased. As a result, the usual thread locking lacquer (eg Loctite) may also be omitted.
Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Erhöhung der Dauerschwingfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit einer solchen Verbindung. Weiterhin können die Poren des ersten Bauteiles im Bereich des geformten Gewindes verschlossen werden. Insbesondere bei lösbaren Verbindungen zwischen dem geformten Außen- und Innengewinde sind werkstoffgerechte angepasste „Gewindeformen” möglich (z. B. Rundgewinde etc.)Thus, the method of the invention makes it possible to increase the fatigue strength and fatigue strength of such a compound. Furthermore, the pores of the first component can be closed in the region of the formed thread. In particular, with detachable connections between the molded outer and inner thread suitable adapted "thread forms" are possible (eg round thread, etc.).
In einer weiteren Variante des Verfahrens ist das Verbindungsmittel als ein Bolzen ohne Gewinde oder eine Niete ausgebildet. Insbesondere bei unlösbaren Verbindungen zwischen dem Verbindungsmittel und dem mindestens einen ersten Bauteil und ggf. weiterer Bauteile sind Werkstoff- bzw. bauteilgerecht angepasste „Bolzenformen” möglich (z. B. Hinterschnitte etc.). Solche Verbindungsmittel können z. B. dazu ausgebildet sein, mit einem Hinterschnitt, etwa in Form eines gegenüber dem Nietenschaft/Bolzenschaft verbreiterten Nieten- bzw. Bolzenkopfes oder einem sonstigen verbreiterten Abschnitt, der z. B. das erste Bauteil oder ggf. ein weiteres Bauteil hintergreifen kann. Insbesondere können mehrere Bauteile miteinander verbunden werden (z. B. Kurbelgehäuse mit Hauptlagerdeckel, Pleuelstange mit Pleuelkappe etc.) In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird neben dem ersten Bauteil ein zweites Bauteil bereitgestellt, wobei das zweite Bauteil so bezüglich des ersten Bauteils angeordnet wird, dass eine entlang einer dritten Richtung erstreckte Oberfläche des ersten Bauteils an einer entlang der dritten Richtung erstreckten Oberfläche des zweiten Bauteils anliegt, wobei der Schweißstift im Bereich eines durch die beiden Stirnseiten definierten Fügespaltes so gegen die beiden Bauteile gedrückt wird, rotiert wird und entlang der dritten Richtung aus einer ersten Position in eine zweite Position verfahren wird, dass die Stirnseite des Schweißwerkzeuges insbesondere an den beiden dem Schweißwerkzeug zugewandten Oberflächen der beiden Bauteile anliegt und die beiden Bauteile jeweils im Bereich der zugeordneten Stirnseiten nach und nach plastifiziert werden und hierbei zumindest abschnittsweise entlang der dritten Richtung miteinander verschweißt werden, indem plastifiziertes Material der beiden Bauteile vom rotierenden Schweißstift mitgenommen und um den Schweißstift miteinander vermengt wird. Hierbei wird die besagte Ausnehmung, in der der Schweißstift am Ende verbleibt, in der zweiten Position ausgebildet.In a further variant of the method, the connecting means is designed as a bolt without thread or a rivet. In particular in the case of permanent connections between the connection means and the at least one first component and possibly further components, "stud shapes" adapted to the material or component are possible (eg undercuts, etc.). Such connecting means may, for. B. be formed with an undercut, such as in the form of a relative to the rivet shank / bolt shank broadened rivet or bolt head or any other widened portion of the z. B. can engage behind the first component or possibly another component. In particular, a plurality of components can be interconnected (eg, crankcase with main bearing cap, connecting rod with connecting rod cap, etc.) In a further variant of the method according to the invention, a second component is provided in addition to the first component, wherein the second component with respect to the first component is arranged so that a surface of the first component extending along a third direction bears against a surface of the second component which extends along the third direction, the welding pin being pressed against the two components in the region of a joint gap defined by the two end faces, and is rotated is moved along the third direction from a first position to a second position, that the end face of the welding tool rests in particular on the two surfaces facing the welding tool of the two components and the two components are gradually plasticized in each case in the region of the associated end faces and in this case at least sections are welded together along the third direction by the plasticized material of the two components taken from the rotating welding pin and mixed around the welding pin with each other. Here, said recess, in which the welding pin remains at the end, is formed in the second position.
In der zweiten Position kann der Schweißstift dabei entlang der ersten Richtung noch tiefer in die beiden Bauteile gedrückt werden.In the second position, the welding pin can be pushed even deeper into the two components along the first direction.
In einer weiteren Variante des Verfahrens wird bevorzugt ein zweites Bauteil bereitgestellt, wobei das zweite Bauteil so bezüglich des ersten Bauteils angeordnet wird, dass die beiden Bauteile entlang der ersten Richtung übereinander liegen, wobei der Schweißstift zum Verbinden der beiden Bauteile entlang der ersten Richtung auch in das zweite Bauteil gedrückt wird und dieses im Bereich des Schweißstiftes plastifiziert, so dass sich die Ausnehmung durch das erste Bauteil hindurch auch in das zweite Bauteil erstreckt.In a further variant of the method, a second component is preferably provided, wherein the second component is arranged with respect to the first component so that the two components lie one above the other along the first direction, wherein the welding pin for connecting the two components along the first direction also in the second component is pressed and this plasticized in the region of the welding pin, so that the recess extends through the first component and into the second component.
Natürlich können auch zwei Bauteile mit ihren Stirnseiten aneinandergelegt werden und ein drittes Bauteil kann entlang der ersten Richtung unterhalb des durch die beiden Stirnseiten definierten Fügespaltes angeordnet werden. Hierbei können die beiden Bauteile mit einander verschweißt werden und das dritte Bauteil kann über das Verbindungsmittel als Schweißstift mit den beiden anderen Bauteilen verbunden werden.Of course, two components with their front sides can be placed against each other and a third component can be arranged along the first direction below the joint gap defined by the two end faces. Here, the two components can be welded together and the third component can be connected via the connecting means as a welding pin with the other two components.
Des Weiteren wird das der Erfindung zugrunde liegende Problem durch eine Vorrichtung zur Durchführung eines Schweißverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.Furthermore, the problem underlying the invention is solved by a device for carrying out a welding method having the features of
Danach ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung einen entlang einer ersten Richtung erstreckten Schweißstift aufweist, der entlang der ersten Richtung verfahrbar ist, um gegen mindestens ein zu verschweißendes erstes Bauteil zu drücken, wobei der Schweißstift um die erste Richtung rotierbar ist, so dass das mindestens eine erste Bauteil im Bereich des Schweißstiftes plastifiziert wird und eine Ausnehmung in dem mindestens einen Bauteil ausgebildet wird, wobei der Schweißstift als ein Verbindungsmittel ausgebildet ist, das dazu ausgebildet ist, nach dem besagten Plastifizieren des mindestens einen ersten Bauteils im Bereich des Schweißstiftes in jener Ausnehmung zu verbleiben, wobei die Vorrichtung den Schweißstift so gegen das mindestens eine erste Bauteil drückt und rotiert, dass der Schweißstift in der Ausnehmung mit dem mindestens einen ersten Bauteil unlösbar verbunden bzw. verschweißt wird oder lösbar mit jenem Bauteil verbunden wird (nicht verschweißt wird), so dass der Schweißstift aus der Ausnehmung zerstörungsfrei herausnehmbar ist.Thereafter, it is provided that the device according to the invention has a welding pin extended along a first direction, which is movable along the first direction to press against at least one to be welded first component, wherein the welding pin is rotatable about the first direction, so that the at least a first component in the region of the welding pin is plasticized and a recess is formed in the at least one component, wherein the welding pin is formed as a connecting means, which is adapted after said plasticizing the at least one first component in the region of the welding pin in that recess to remain, wherein the device so presses and rotates the welding pin against the at least one first component, that the welding pin is inextricably connected or welded in the recess with the at least one first component or is detachably connected to that component (not welded is), so that the welding pin from the recess is removable without destruction.
Zusammenfassend zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die entsprechende Vorrichtung dadurch aus, dass beim Herstellen der besagten Verbindungen keine Zusatzwerkstoffe nötig sind, hohe Nahtfestigkeiten erzielbar sind, kein Schutzgas nötig ist, der Prozessablauf vergleichsweise einfach ist, ein breites Spektrum von Mischverbindungen möglich ist sowie relativ niedrige Temperaturen (in Aluminium ca. 550 C auf der Schweißnahtoberfläche) und damit wenig Verzug möglich sind.In summary, the method according to the invention or the corresponding device is distinguished by the fact that no additional materials are required during the production of the said compounds, high weld strengths can be achieved, no inert gas is required, the process sequence is comparatively simple, a broad spectrum of mixed connections is possible and relatively low temperatures (in aluminum about 550 C on the weld surface) and thus little distortion are possible.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen bei den nachfolgenden Figurenbeschreibungen von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren erläutert werden.Further features and advantages of the invention will be explained in the following description of exemplary embodiments with reference to the figures.
Dabei zeigen:Showing:
Entlang der ersten Richtung B kann unterhalb des ersten Bauteiles
Der Schweißstift
Zum Zurückdrängen von plastifiziertem Material des ersten Bauteils
Es ist auch möglich, dass der Schweißstift
Der Schweißstift
Abhängig vom Druck, der Rotationsgeschwindigkeit und den beteiligten Materialen kann der Schweißstift
Insbesondere bei einem Schweißstift in Form einer Schraube mit einem Außengewinde
Gemäß
Hierzu wird das Schweißwerkzeug
Es ist auch möglich, dass das Verbindungsmittel
Das oben beschriebene Verfahren bzw. die dargestellte Vorrichtung ermöglichen somit eine erhöhte Festigkeit durch Fügen von Bauteilen in der festen Phase, indem nur eine Plastifizierung des Materials stattfindet. Hierbei können Mischverbindungen und unterschiedliche Werkstoffe (z. B. Metalle) stoff- und/oder kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbunden werden. Es handelt sich um ein spanloses Verfahren, so dass die Entsorgung bzw. Lagerung von Prozessabfällen entfällt. Das Verfahren ist ferner voll automatisierbar.The above-described method and apparatus thus enable increased strength by joining components in the solid phase by only plasticizing the material. In this case, mixed compounds and different materials (eg metals) can be bonded to one another in a material and / or force and / or form-fitting manner. It is a non-cutting process, so that the disposal or storage of process waste is eliminated. The method is also fully automated.
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