DE102010051940A1

DE102010051940A1 - Werkzeug zum Reibpunktschweißen

Info

Publication number: DE102010051940A1
Application number: DE102010051940A
Authority: DE
Inventors: Konrad Dipl.-Ing. 72108 Eipper
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2011-07-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug (30) zum Reibpunktschweißen, mit einem Grundkörper (12), welcher eine zentrale Durchgangsöffnung (14) aufweist, in welcher ein Stift (16) rotierbar und axial gegenüber dem Grundkörper (12) beweglich aufgenommen ist, wobei der Grundkörper (12) und/oder der Stift (16) zumindest bereichsweise aus einem keramischen Material (32, 40) gebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Reibpunktschweißen nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Das Reibpunktschweißen ist ein Schweißverfahren zum punktförmigen Verbinden zweier überlappender metallischer Werkstücke. Am gewünschten Verbindungspunkt wird dabei ein rotierender Stift gegen die Werkstück angepresst und ortsfest gehalten, bis durch die Rotation des Stiftes entstehende Reibungswärme das Material der Werkstücke am Verbindungspunkt aufgeschmolzen hat, so dass sich die Werkstücke dort stoffschlüssig verbinden können. Den Stift umgebend ist zudem oftmals noch ein nichtrotierender Niederhalter vorgesehen.
Auf Grund der Reibungsbelastung des rotierenden Stiftes beim Reibpunktschweißen erleidet dieser einer besonders hohen Verschleiß und muss daher oft ausgetauscht werden. Bei den üblicherweise verwendeten metallischen Stiften kann zudem Metall vom Stift in das Werkstück übergehen. Je nach den verwendeten Materialien für Werkstück und Stift kann es daher zu einer unerwünschten Auflegierung des Werkstückes im Schweißbereich kommen, was die Schweißqualität vermindert. Auch eine Auflegierung des Stiftes ist möglich, wodurch beispielsweise dessen Härte sinken kann, sodass sein Verschleiß weiter erhöht wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein Werkzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bereitzustellen, welches besonders verschleißarm ist und beim Reibpunktschweißen das Auflegieren der Schweißzone mit unerwünschten Metallen verhindert.
Diese Aufgabe wird durch ein Werkzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Ein derartiges Werkzeug zum Reibpunktschweißen weist einen Grundkörper mit einer zentralen Durchgangsöffnung auf. In dieser ist ein Stift rotierbar und axial gegenüber dem Grundkörper beweglich aufgenommen. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass der Grundkörper und/oder der Stift zumindest bereichsweise aus einem keramischen Material gebildet sind. Durch die keramische Beschichtung des Werkzeuges wird der Übergang von Metallatomen aus dem Werkzeug in die Schweißzone verhindert, so dass eine unerwünschte Auflegierung der Schweißzone mit Fremdelementen, die die Schweißqualität mindern könnten, vermieden wird. Die keramische Beschichtung ist zudem härter als üblicherweise verwendete Metalle, so dass der Verschleiß insbesondere des Stiftes bei Verwendung einer derartigen Beschichtung besonders gering ist. Ein solches Werkzeug hat daher besonders hohe Standzeiten und ist daher kostengünstig in seiner Anwendung.
Es ist dabei besonders zweckmäßig, wenn zumindest ein Auflagebereich, mit welchem der Grundkörper und/oder der Stift auf einem zu schweißenden Werkstück aufsetzbar ist, aus dem keramischen Material gebildet ist. Dies sind die Bereiche der höchsten thermischen und tribologischen Beanspruchung des Werkzeuges, so dass das keramische Material besonders nutzbringend eingesetzt werden kann.
Vorzugsweise wird das keramische Material hierzu durch Beschichten auf den Stift und/oder den Grundkörper aufgebracht. Die Beschichtung kann dabei durch übliche thermische Spritzverfahren, durch chemische oder physikalische Gasphasenabscheidung, durch Aufsintern oder durch chemisches Abscheiden aus Lösung erfolgen. Werkzeuge mit derartigen keramischen Beschichtungen sind besonders kostengünstig, da der Grundkörper aus Metall unaufwendig in der Herstellung ist und lediglich ein relativ kleiner Anteil des Werkzeuges durch die keramische Beschichtung gebildet wird. Die Duktilität des metallischen Grundkörpers vermeidet zudem Sprödbrüche des Werkzeuges, welche bei rein keramischen Werkzeugen auftreten könnten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Oberfläche des aus dem keramischen Material gebildeten Bereiches strukturiert. Besonders zweckmäßig ist hierbei eine Aufrauung als Oberflächenstruktur. Diese kann regelmäßig strukturiert oder auch im Wesentlichen zufällig gebildet sein. Insgesamt wird durch eine derartige Aufrauung ein erhöhter Reibwert des Werkzeuges erzielt, so dass auch bei relativ niedrigen Rotationsdrehzahlen des Stiftes bzw. relativ niedrigen Anpresskräften gegen das zu schweißende Werkstück eine besonders hohe Temperaturentwicklung erzielt wird. Der Schweißprozess kann somit besonders schnell und schonend durchgeführt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine Schnittdarstellung durch ein Werkzeug zum Reibpunktschweißen nach dem Stand der Technik; und
2 eine Schnittdarstellung durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Werkzeuges zum Reibpunktschweißen.
1 zeigt ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes Werkzeug zum Reibpunktschweißen nach dem Stand der Technik. Das Werkzeug 10 umfasst einen hülsenförmigen Grundkörper 12, der eine zentrale Aufnahme 14 aufweist. In dieser ist ein zylindrischer Stift 16 aufgenommen. Beim Herstellen einer Punktschweißverbindung wird der Grundkörper 12 mit seinem Fußbereich 18 auf die zu verschweißenden Werkstücke aufgesetzt und hält diese an Ort und Stelle. Der Stift 16 wird um die Achse 20 rotiert und in Richtung des Pfeils 22 an die zu verschweißende Werkstücke angepresst. Hierbei kommt die untere Stirnfläche 24 des Stiftes 16 in Kontakt mit den Werkstücken. Durch die entstehende Reibungshitze wird der Schweißbereich aufgeschmolzen und die Werkstücke stoffschlüssig verbunden.
Grundkörper 12 und Stift 16 bestehen bei aus dem Stand der Technik bekannten Werkzeugen 10 üblicherweise aus gehärtetem Stahl. Unter den hohen Reibungsbeanspruchungen erodiert die Grundfläche 24 des Stiftes 16 besonders schnell, so dass dieser oft ausgetauscht werden muss, was hohe Kosten verursacht. Da sich beim Schweißen auch der Stift 16 stark erhitzt, kann es zum Übergang von Stahl aus dem Stift 16 in den Schweißbereich 16 kommen. Dies kann die Schweißqualität verringern, insbesondere wenn Nicht-Stahl-Werkstoffe verschweißt werden sollen.
Um den Verschleiß des Stiftes 16 zu mindern und die Auflegierung der Schweißzone mit Fremdmetallen zu verhindern, ist ein im Ganzen mit 30 bezeichnetes Werkzeug zum Reibpunktschweißen zumindest bereichsweise keramisch beschichtet. Das Werkzeug 30 weist ebenfalls einen Grundkörper 12 und einen in einer Aufnahme 14 des Grundkörpers 12 rotierbar aufgenommenen Stift 16 auf. Ein Randbereich 32 der Stirnfläche 24 des Stiftes 16 sowie ein Randbereich 34 einer Mantelfläche des Stiftes 16 sind hierbei mit einer Keramik beschichtet. Auch der Grundkörper 12 weist eine keramische Beschichtung 36 auf, welche dessen Stirnfläche 38 und Mantelfläche 40 umgibt. Die Ausnehmung 14 ist dagegen beschichtungsfrei.
Auf Grund der besonders hohen Härte keramischer Werkstoffe ist ein derartiges Werkzeug 30 besonders verschleißarm einzusetzen. Der derart beschichtete Stift 16 muss daher nur noch selten ausgetauscht werden, so dass das Werkzeug 30 besonders kostengünstig in Betrieb ist. Da Keramiken zudem wesentlich höhere Schmelzpunkte aufweisen als Reinmetalle, wird ein Übergang von Material aus der Schicht 32 in die Schweißzone beim Schweißen vermieden. Es kommt dabei bei Verwendung eines Werkzeugs 30 nicht zu einer unerwünschten Auflegierung der Schweißzone, so dass eine besonders hohe Schweißqualität erzielt werden kann.
Zur weiteren Verbesserung der Schweißqualität kann die keramische Beschichtung des Werkstücks 30 zudem noch zumindest bereichsweise aufgeraut werden, insbesondere die Schicht 32 an der Stirnfläche 24 des Stiftes 16 ist für eine derartige Oberflächestrukturierung durch Aufrauung geeignet, um beim Schweißen bereits bei niedrigen Drehzahlen des Stiftes 16 um die Achse 20 bzw. bei niedrigen Anpresskräften in Richtung des Pfeils 22 eine besonders starke Wärmeentwicklung zu erzielen. Hierdurch kann der Schweißprozess beschleunigt und besonders schonende durchgeführt werden.
Die keramische Beschichtung kann mittels bekannter Verfahren, wie beispielsweise thermischen Spritzverfahren, physikalischer oder chemischer Gasphasenabscheidung, chemischer Abscheidung aus der flüssigen Phase, durch Aufsintern oder dergleichen auf den metallischen Teil des Werkzeuges 30 aufgebracht werden. Insgesamt ergibt sich somit ein verschleißarmes Werkzeug 30, mittels welchem gleichzeitig besonders hohe Schweißqualitäten erzielt werden können.

Claims

Werkzeug (30) zum Reibpunktschweißen, mit einem Grundkörper (12), welcher eine zentrale Durchgangsöffnung (14) aufweist, in welcher ein Stift (16) rotierbar und axial gegenüber dem Grundkörper (12) beweglich aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (12) und/oder der Stift (16) zumindest bereichsweise aus einem keramischen Material (32, 40) gebildet sind.
Werkzeug (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Auflagebereich (24, 38), mit welchem der Grundkörper (12) und/oder der Stift (16) auf einem zu schweißenden Werkstück (30) aufsetzbar ist, aus dem keramischen Material (32, 40) gebildet ist.
Werkzeug (30) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material (32, 40) durch Beschichten auf den Stift (16) und/oder den Grundkörper (12) aufgebracht ist.
Werkzeug (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche des aus dem keramischen Material (32, 40) gebildeten Bereichs eine vorgegebene Oberflächenstruktur, insbesondere eine Aufrauung aufweist.