DE102012001778A1 - Joining two metal sheet-type workpieces, by placing edge regions of workpieces to be joined at distance from one another, and introducing wire-shaped filler material into a zone between the edge regions before or during the joining process - Google Patents

Joining two metal sheet-type workpieces, by placing edge regions of workpieces to be joined at distance from one another, and introducing wire-shaped filler material into a zone between the edge regions before or during the joining process Download PDF

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Abstract

The method comprises placing edge regions (3, 4) of workpieces (1, 2) to be joined at a distance from one another, introducing a wire-shaped filler material (11) into a zone between the edge regions before or during the joining process, heating the edge regions and the filler material to a predefined joining temperature by a first frictional element (5) that moves in relation to the edge regions and the filler material, subjecting the edge regions and the filler material to a certain contact pressure (6), and joining the edge regions and the filler material while being deformed. The method comprises placing edge regions (3, 4) of workpieces (1, 2) to be joined at a distance from one another, introducing a wire-shaped filler material (11) into a zone between the edge regions before or during the joining process, heating the edge regions and the filler material to a predefined joining temperature by a first frictional element (5) that moves in relation to the edge regions and the filler material, subjecting the edge regions and the filler material to a certain contact pressure (6), and joining the edge regions and the filler material while being deformed. The relative movement of the first friction element is applied by a rotation, twisting, an oscillation and/or a longitudinal movement along the edge regions. An additional friction element for heating the edge regions to be joined to the joining temperature before the first friction element is applied on the edge regions. The edge regions are heated by an external heat source such as resistive heating, inductive heating, gas flame, hot gas, laser, arc, electron beam, plasma jet and/or scorching contact. The joined edge regions in the heated state are smoothed by a smoothing element, which executes the relative movement to the edge regions. A rod-shaped element, a cylindrical shaped element, or a roll-shaped element is used as the first friction element, the additional friction element and/or the smoothing element with an end surface providing a radius, where the end surface is applied opposite to the edge regions. The first friction element is moved in a rotating or oscillating relative movement to the edge regions and in a longitudinal movement along the edge regions. The edge regions are rectilinearly formed. The first friction element is supported on the rear side of the workpieces by the additional friction element. Regions of the workpieces to be joined and the filler material are heated to a plasticizing temperature.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Fügen zweier im Wesentlichen blechartiger Werkstücke.The invention relates to a method for joining two substantially sheet-like workpieces.

Zum stoffschlüssigen Fügen von Blechen oder ähnlichen Werkstücken können sowohl Schmelz- als auch Pressschweißverfahren verwendet werden.For cohesive joining of sheets or similar workpieces both melt and pressure welding can be used.

Bei den Schmelzschweißverfahren entsteht ein gemeinsames Schmelzbad der beiden Verbindungspartner mit optionaler Zugabe eines Zusatzwerkstoffes meist in Form eines Schweißdrahtes. Dabei entsteht anschließend ein Schmelz-Erstarrungsgefüge. Die Temperaturbelastung der Bauteile liegt im Fügebereich in Höhe der Schmelztemperaturen der zu fügenden Werkstoffe.In the fusion welding process, a common molten bath of the two bonding partners is formed, with optional addition of an additional material, usually in the form of a welding wire. This then produces a melt-solidification structure. The temperature load of the components lies in the joining area in the amount of the melting temperatures of the materials to be joined.

Bei Pressschweißverfahren wird neben der Erwärmung durch verschiedene Wärmequellen, wie beispielsweise elektrische Widerstanderwärmung, das Material auf Erweichungstemperatur gebracht und durch eine Anpresskraft zusammengepresst, wodurch eine Schweißverbindung entsteht.In pressure welding process in addition to the heating by various heat sources, such as electrical resistance heating, the material brought to softening temperature and pressed together by a contact pressure, whereby a welded joint is formed.

Bei dem bekannten Reibrührschweißen werden die zu verbindenden Materialien durch einen Rührvorgang erwärmt und im Schweißbbereich miteinander verrührt. Dieses Verfahren ist jedoch auf bestimmte, gut verformbare Materialien und Mindestmaterialstärken begrenzt.In the known friction stir welding, the materials to be joined are heated by a stirring process and stirred together in Schweißbbereich. However, this method is limited to certain, easily deformable materials and minimum material thicknesses.

Beim Kaltpressschweißen gibt es ebenfalls eine Begrenzung auf weichere Werkstoffe und bestimmte Materialstärken.In cold pressure welding, there is also a limitation to softer materials and certain material thicknesses.

Das Fügen dünnwandiger Werkstücke, insbesondere das Fügen von Blechen, erfordert besondere Maßnahmen, da das durch die Werkstücke im Fügebereich zur Verfügung gestellte Materialvolumen sehr gering ist und da Beschädigungen der angrenzenden Bereiche der Bleche vermieden werden müssen. Es wurde deshalb bei den Reibschweißverfahren bereits vorgeschlagen, zum Fügen dünnwandiger Metallrohre mit anderen Körpern den Rand des Metallrohrs vor dem Reibschweißen zu verbreitern, um ein Einschneiden zu verhindern. Dies ist in der DE 38 02 300 C1 beschrieben. Ein weiteres Verfahren, bei welchem die Kontaktzone mit einem Reibwerkzeug möglichst groß gestaltet wird, zeigt die EP 1 236 533 A1 .The joining of thin-walled workpieces, in particular the joining of sheets, requires special measures, since the material volume provided by the workpieces in the joining area is very small and since damage to the adjacent areas of the sheets must be avoided. It has therefore been proposed in the friction welding already to widen the edge of the metal tube before friction welding for joining thin-walled metal tubes with other bodies to prevent incision. This is in the DE 38 02 300 C1 described. Another method, in which the contact zone is made as large as possible with a friction tool, shows the EP 1 236 533 A1 ,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Fügen zweier im Wesentlichen blechartiger Werkstücke zu schaffen, welches bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Anwendbarkeit einen geringen maschinellen Aufwand erfordert und ein sicheres Fügen der blechartigen Werkstücke ermöglicht.The invention has for its object to provide a method for joining two substantially sheet-like workpieces, which requires a low mechanical complexity with a simple structure and simple, cost-effective applicability and allows a secure joining of the sheet-like workpieces.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.According to the invention the object is achieved by the combination of features of claim 1, the dependent claims show further advantageous embodiments of the invention.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die zu fügenden Randbereiche der blechartigen Werkstücke jeweils aus einer Ebene des jeweiligen Werkstücks umgebördelt oder um bis zu 90° umgeformt werden. Es wird somit ein schmaler Randbereich umgeformt, obwohl die zu erzielende Fügenaht im fertigen Zustand so beschaffen ist, dass die beiden plattenartigen Werkstücke auf Stoß nebeneinander liegend und mit gleichbleibender Dicke gefügt sind. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich somit im fertigen Zustand der Fügenaht im Wesentlichen keine Materialverdickung der beiden blechartigen Werkstücke (vorausgesetzt, diese weisen eine gleiche Dicke auf).According to the invention, it is provided that the edge regions of the sheet-like workpieces to be joined are each crimped out of a plane of the respective workpiece or deformed by up to 90 °. Thus, a narrow edge region is reshaped, although the joining seam to be achieved in the finished state is such that the two plate-like workpieces are joined together in abutting position and with constant thickness. As a result of the method according to the invention, there is thus essentially no material thickening of the two sheet-like workpieces in the finished state of the joining seam (provided that they have the same thickness).

Unter Bördeln wird im Rahmen der Erfindung das Umlegen der Ränder von Blechen oder Rohren um bis zu 90° verstanden. Es erfolgt somit ein rechtwinkliges Aufbiegen des Randes durch ein Winkeligstellen der Werkstückränder der Blechteile im Bereich der Fügenaht. Erfindungsgemäß kann die Fügenaht geradlinig oder gebogen sein. In jedem Falle wird durch das Bördeln oder Umformen ein sich aus der Ebene der blechartigen Werkstücke erhebender Rand gebildet.Beading is understood in the context of the invention, the folding of the edges of sheets or tubes by up to 90 °. There is thus a right-angled bending of the edge by Winkeligstellen the workpiece edges of the sheet metal parts in the joining seam. According to the invention, the joint seam can be rectilinear or curved. In any case, by flanging or forming a rising from the plane of the sheet-like workpieces edge is formed.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden nachfolgend die zu fügenden Randbereiche gegeneinander angelegt und somit positioniert. Nachfolgend werden die Randbereiche mittels eines Reibelements auf eine vorgegebene Fügetemperatur erwärmt und dabei mit einem Anpressdruck beaufschlagt. Das Reibelement wird in eine Relativbewegung zu den Randbereichen versetzt. Durch die Reibungswärme werden die Randbereiche erwärmt und dabei plastifiziert. Der durch das Reibelement aufgebrachte Anpressdruck, welcher senkrecht zu einer Mittelebene der Werkstücke wirkt und somit auf die umgeformten oder gebördelten Randbereiche drückt, führt dabei zu einer Umformung des Materials der Randbereiche und damit zu einem Flachdrücken der Randbereiche. Das Material der umgeformten oder gebördelten Randbereiche dient somit als Fügematerial zum Verbinden der Werkstücke.In the method according to the invention, the edge regions to be joined are subsequently applied against each other and thus positioned. Subsequently, the edge regions are heated by means of a friction element to a predetermined bonding temperature and thereby acted upon by a contact pressure. The friction element is displaced in a relative movement to the edge regions. Due to the frictional heat, the edge areas are heated and plasticized. The applied by the friction element contact pressure, which acts perpendicular to a center plane of the workpieces and thus presses on the deformed or flanged edge regions, thereby leading to a deformation of the material of the edge regions and thus to a flattening of the edge regions. The material of the formed or crimped edge regions thus serves as a joining material for joining the workpieces.

Das Reibelement wird erfindungsgemäß stirnseitig auf die umgeformten oder gebördelten Randbereiche aufgedrückt, es befindet sich im Gegensatz zum Stand der Technik nicht zwischen den Bördelkanten bzw. umgeformten hochgebogenen Randbereichen.According to the invention, the friction element is pressed onto the deformed or flanged edge regions on the face side; in contrast to the prior art, it is not located between the flanged edges or deformed, highly curved edge regions.

In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Relativbewegung des Reibelements zu den Randbereichen durch eine Rotation und/oder Drehung und/oder Schwingung des Reibelements erfolgt. Diese Relativbewegung erzeugt die für das Fügen erforderliche Reibwärme. Zusätzlich kann eine Relativbewegung durch eine Längsbewegung des Reibelements längs der Randbereiche erfolgen, um eine längere Fügenaht zu erzeugen. In a particularly favorable embodiment of the invention, it is provided that the relative movement of the friction element to the edge regions is effected by a rotation and / or rotation and / or oscillation of the friction element. This relative movement generates the frictional heat required for joining. In addition, a relative movement can be effected by a longitudinal movement of the friction element along the edge regions in order to produce a longer joining seam.

Die Erfindung eignet sich somit sowohl zum Fügen von längeren Randbereichen unter Ausbildung einer längeren Fügenaht als auch zum punktuellen oder räumlich eingegrenzten Verbinden der Werkstücke. Somit ist es auch möglich, durch das erfindungsgemäße Reibschweißverfahren Punktschweißverbindungen zu erzeugen. Dabei sind die zu fügenden, umgebördelten oder umgeformten Randbereiche entsprechend kurz, sei es in linearer Richtung oder in Form runder oder teilkreisförmiger Bereiche.The invention is thus suitable both for joining longer edge regions to form a longer joint seam and for selective or spatially limited joining of the workpieces. Thus, it is also possible to produce spot welds by the friction welding method according to the invention. In this case, the edge regions to be joined, flanged or deformed are correspondingly short, be it in a linear direction or in the form of round or part-circular regions.

In Abhängigkeit von den Fügeparametern, insbesondere in Abhängigkeit von der Geometrie und dem Material der Werkstücke, kann es in Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens günstig sein, die Randbereiche entweder mittels einer externen Wärmequelle zusätzlich zu erwärmen oder mittels eines zusätzlichen Reibelements, welches bei einer Längsbewegung des ersten, oben erwähnten Reibelements vor diesem bewegt wird, zu erwärmen. Bei einer Erwärmung mittels einer externen Wärmequelle können eine Widerstandserwärmung, eine induktive Erwärmung, eine Erwärmung durch eine Flamme (Gasflamme), ein Heißgas, Laser, Lichtbogen, Elektronenstrahl, Plasmastrahl oder durch Schmorkontakte, ähnlich dem Abbrennstumpfschweißen verwendet werden.Depending on the joining parameters, in particular as a function of the geometry and the material of the workpieces, it may be favorable in a further development of the method according to the invention to additionally heat the edge regions either by means of an external heat source or by means of an additional friction element, which during a longitudinal movement of the first , above mentioned friction elements before this is moved to warm. When heated by means of an external heat source, resistance heating, inductive heating, flame (gas flame) heating, hot gas, laser, electric arc, electron beam, plasma jet, or by Schmorkontakte, similar to the flash butt welding can be used.

Um eine glatte, nicht erhabene Fügenaht zu erzeugen, welche im Wesentlichen die gleiche Dicke aufweist, wie die Werkstücke, kann es günstig sein, die gefügten Randbereiche im erwärmten Zustand mittels eines Glättungselements zu glätten. Das Glättungselement kann ebenfalls eine Relativbewegung zu den Randbereichen ausführen, ähnlich einer Walze oder eines rotierenden, längs der Längsnaht zu bewegenden Stiftes.In order to produce a smooth, non-raised joint seam, which has substantially the same thickness as the workpieces, it may be favorable to smooth the joined edge regions in the heated state by means of a smoothing element. The smoothing element can also perform a relative movement to the edge regions, similar to a roller or a rotating, to be moved along the longitudinal seam pin.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird als erstes Reibelement und/oder als zusätzliches Reibelement und/oder als Glättungselement entweder ein stabförmiges oder ein rollenförmiges oder ein walzenförmiges Element verwendet. Bei Verwendung eines stabförmigen Elements, dessen Drehachse senkrecht zur Mittelebene der Werkstücke angeordnet ist, ist es günstig, wenn die Stirnfläche des stabförmigen Elements angefast oder mit einem Radius versehen ist.In a preferred embodiment of the invention, either a rod-shaped or a roller-shaped or a roller-shaped element is used as the first friction element and / or as an additional friction element and / or as a smoothing element. When using a rod-shaped element, the axis of rotation is arranged perpendicular to the median plane of the workpieces, it is advantageous if the end face of the rod-shaped element is chamfered or provided with a radius.

Erfindungsgemäß kann die Relativbewegung auch durch eine oszillierende Bewegung des ersten Reibelements erzeugt werden.According to the invention, the relative movement can also be generated by an oscillating movement of the first friction element.

Zum Fügen sehr dünnwandiger blechartiger Werkstücke oder zum Fügen von Randbereichen, welche in ihrer Geometrie ungenau oder unpräzise sind, kann es günstig sein, wenn vor oder während des Fügevorgangs zumindest ein Zusatzwerkstoff zwischen die Randbereiche eingebracht wird, beispielsweise in Form eines Drahtes.For joining very thin-walled sheet-like workpieces or for joining edge regions which are inaccurate or imprecise in geometry, it may be advantageous if at least one filler material is introduced between the edge regions, for example in the form of a wire, before or during the joining process.

Um dicke Werkstücke zu bearbeiten, kann es günstig sein, zusätzlich zu dem ersten Reibelement rückseitig an dem Werkstück ein zweites Reibelement vorzusehen, welches nicht nur eine Stützfunktion ausübt sondern zusätzlich eine Reibfunktion.In order to machine thick workpieces, it may be favorable, in addition to the first friction element, to provide a second friction element on the back of the workpiece, which not only has a supporting function but additionally a friction function.

Erfindungsgemäß hat es sich insbesondere als besonders günstig erwiesen, wenn das Reibelement walzenförmig oder radförmig ausgebildet ist, da hierdurch eine verstärkte Relativbewegung zur Plastifizierung des Nahtbereiches vermittelt werden kann.According to the invention, it has proved to be particularly favorable, in particular, when the friction element is cylindrical or wheel-shaped, as this can provide an increased relative movement for plasticizing the seam area.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist unter anderem folgende Vorteile auf:

  • – Es muss kein Zusatzwerkstoff verwendet werden.
  • – Geringere Wärmebeeinflussung als bei Schmelzschweißverfahren.
  • – Es entsteht eine I-Stoßverbindung mit günstigem Kraftfluss.
  • – Geringer maschineller Aufwand.
  • – Bei hoher Drehzahl oder Relativgeschwindigkeit zwischen Reibelement und Werkstück sowie optionaler zusätzlicher Wärmeeinbringung sind hohe Schweißgeschwindigkeiten erreichbar.
  • – Die Naht kann mit glatter Nahtoberfläche ausgeführt werden, dadurch keine Kerbwirkung der Naht, es muss keine Überlappnaht wie bei anderen Verfahren gefertigt werden, dadurch Materialeinsparung.
  • – Für sehr viele, auch schwer schweißbare Werkstoffe wie Al oder Cu einsetzbar.
  • – Feinkörniges Nahtgefüge durch Umformvorgang.
  • – Kein Schutzgas erforderlich.
  • – Vorhandene Oxidschichten werden durch den Reibvorgang sicher entfernt.
  • – Kein Schutz vor Lichtbogen- oder Laserstrahlung notwendig.
  • – Zwangslagen problemlos schweißbar, da kein flüssiges Schmelzbad.
The method according to the invention has, inter alia, the following advantages:
  • - There is no need to use filler material.
  • - Lower heat influence than fusion welding.
  • - It creates an I-butt connection with favorable power flow.
  • - Low mechanical effort.
  • - At high speed or relative speed between friction and workpiece and optional additional heat input high welding speeds can be achieved.
  • - The seam can be made with a smooth seam surface, thus no notch effect of the seam, it no overlap seam must be made as in other methods, thereby saving material.
  • - Can be used for many, even difficult-to-weld materials such as Al or Cu.
  • - Fine-grained seam structure by forming process.
  • - No inert gas required.
  • - Existing oxide layers are safely removed by the rubbing process.
  • - No protection against arc or laser radiation necessary.
  • - Forced situations easily weldable, since no liquid melt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:In the following the invention will be described by means of embodiments in conjunction with the drawing. Showing:

1 eine schematische Seitenansicht zweier umgebördelter und positionierter Werkstücke, 1 a schematic side view of two flanged and positioned workpieces,

2 eine Seitenansicht, analog 1, mit Aufbringung eines ersten Reibelements, 2 a side view, analog 1 , with application of a first friction element,

3 eine Seitenansicht der Situation der 1 und 2 während des Fügevorgangs, 3 a side view of the situation of 1 and 2 during the joining process,

4 eine Seitenansicht, analog 3, mit einem rollenförmigen oder scheibenförmigen Reibelement, 4 a side view, analog 3 , with a roller-shaped or disc-shaped friction element,

5 eine Draufsicht auf die Situation gemäß 3, 5 a plan view of the situation according to 3 .

6 eine Draufsicht, analog 5, mit scheibenförmigem Reibelement gemäß 4, 6 a plan view, analog 5 , with disc-shaped friction element according to 4 .

7 eine Seitenansicht, analog 3, mit zusätzlicher Wärmequelle und Glättungselement, 7 a side view, analog 3 , with additional heat source and smoothing element,

8 eine Seitenansicht mit einer punktförmigen Fügestelle, 8th a side view with a point-shaped joint,

9 eine Seitenansicht mit Zusatzwerkstoff, 9 a side view with additional material,

10 eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels analog 9, 10 a representation of another embodiment analog 9 .

11 eine Seitenansicht gemäß 10, 11 a side view according to 10 .

12 eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels, 12 a representation of another embodiment,

13 eine Seitenansicht gemäß 12, 13 a side view according to 12 .

14 eine schematische Seitenansicht, analog 9, eines Ausführungsbeispiels mit einem profilierten Reibelement, und 14 a schematic side view, analog 9 , an embodiment with a profiled friction element, and

15 eine Ansicht, analog 14, einer weiteren Bearbeitungssituation. 15 a view, analog 14 , another processing situation.

Die 1 zeigt zwei nebeneinander angeordnete blechförmige Werkstücke 1 und 2, deren zu fügende Randbereiche 3, 4 umgebördelt, abgekantet oder umgeformt sind. Es ist ersichtlich, dass die umgeformten Randbereiche 3, 4 sich im Wesentlichen senkrecht zu der jeweiligen Mittelebene 12 der Werkstücke 1 und 2 erstrecken. Es kann erfindungsgemäß auch eine geringere Umbördelung der Randbereiche erfolgen, so dass der Bördelwinkel 90° oder weniger betragen kann.The 1 shows two juxtaposed sheet-metal workpieces 1 and 2 , their edge areas to be joined 3 . 4 flanged, folded or reshaped. It can be seen that the reshaped edge areas 3 . 4 essentially perpendicular to the respective median plane 12 the workpieces 1 and 2 extend. According to the invention, a lesser beading of the edge regions can also take place, so that the flanging angle can be 90 ° or less.

Die 2 zeigt den nächsten Verfahrensschritt, bei welchem ein erstes Reibelement 5 auf die Randbereiche 3 und 4 aufgesetzt wird. Das erste Reibelement 5 ist dabei stabförmig ausgebildet und an seiner Stirnseite abgerundet und wird um eine Rotationsachse 13 gedreht, um die erforderliche Reibungswärme zu erzeugen. Zusätzlich erfolgt ein Anpressen mittels eines Anpressdrucks oder einer Anpresskraft 6. Dabei ist ersichtlich, dass die Anpresskraft 6 senkrecht zu der Mittelebene 12 aufgebracht wird und somit in Richtung der Randbereiche 3 und 4. Hierdurch erfolgt ein Quetschen des auf Plastifizierungstemperatur erwärmten Materials der Randbereiche 3 und 4, so wie dies in der Seitenansicht der 3 dargestellt ist. Das erste Reibelement 5 wird in Vorschubrichtung 7 mittels einer Längsbewegung bewegt, zusätzlich zu der Rotation um die Rotationsachse 13, um eine längliche Fügenaht zu erzeugen.The 2 shows the next method step, in which a first friction element 5 on the edge areas 3 and 4 is put on. The first friction element 5 is rod-shaped and rounded at its end face and is about an axis of rotation 13 rotated to produce the required frictional heat. In addition, a pressing by means of a contact pressure or a contact force 6 , It can be seen that the contact pressure 6 perpendicular to the median plane 12 is applied and thus in the direction of the edge areas 3 and 4 , This results in a squeezing of the material heated to Plastifizierungstemperatur material of the edge regions 3 and 4 , as in the side view of 3 is shown. The first friction element 5 is in the feed direction 7 moved by a longitudinal movement, in addition to the rotation about the axis of rotation 13 to produce an elongated joint seam.

Die 4 zeigt eine Ausgestaltungsvariante mit einem scheibenförmigen Reibelement 5, welches um eine Drehachse 14 gedreht wird, welche in einer Ebene parallel zu der Mittelebene 12 angeordnet ist. Es wird ebenfalls eine Anpresskraft 6 aufgebracht. Das scheibenförmige Reibelement wird in Vorschubrichtung 7 bewegt. Die Relativbewegung zwischen dem Reibelement 5 und den Randbereichen 3 und 4 erfolgt durch eine geeignet große Drehzahl um die Drehachse 14, so dass das Reibelement 5 längs der Randbereiche 3 und 4 nicht abgerollt, sondern in Drehung bewegt wird.The 4 shows a design variant with a disc-shaped friction element 5 which is about a rotation axis 14 is rotated, which in a plane parallel to the median plane 12 is arranged. It also becomes a contact pressure 6 applied. The disk-shaped friction element is in the feed direction 7 emotional. The relative movement between the friction element 5 and the edge areas 3 and 4 takes place by a suitably high speed around the axis of rotation 14 so that the friction element 5 along the edge areas 3 and 4 not rolled, but is moved in rotation.

Die 5 zeigt eine Draufsicht auf die Situation der 3 mit Darstellung der fertigen Fügenaht 10. Es ergibt sich, dass die Fügenaht 10 eine Dicke aufweist, welche der Materialdicke der Werkstücke 1 und 2 gleich ist.The 5 shows a plan view of the situation of 3 with representation of the finished joint seam 10 , It turns out that the joint seam 10 has a thickness which is the material thickness of the workpieces 1 and 2 is equal to.

In 6 ist die in 4 dargestellte Situation in der Draufsicht gezeigt.In 6 is the in 4 shown situation shown in plan view.

In 7 ist schematisch eine zusätzliche Wärmequelle 8 gezeigt, welche die Randbereiche 3 und 4 zusätzlich erwärmt, bevor diese mit dem ersten Reibelement 5 in Kontakt kommen.In 7 is schematically an additional heat source 8th shown which the edge areas 3 and 4 additionally heated before this with the first friction element 5 get in touch.

In Vorschubrichtung 7 hinter dem ersten Reibelement 5 ist ein Glättungselement 9 angeordnet, welches die fertige Fügenaht 10 glättet. Das Glättungselement 9 kann ebenfalls eine Relativbewegung aufweisen, es kann auch als abrollende Walze oder in ähnlicher Form ausgebildet sein. Auch kann auf das Glättungselement 9 eine Anpresskraft 6 aufgebracht werden.In feed direction 7 behind the first friction element 5 is a smoothing element 9 arranged, which the finished joint seam 10 smoothes. The smoothing element 9 may also have a relative movement, it may also be designed as a rolling roller or in a similar form. Also can on the smoothing element 9 a contact pressure 6 be applied.

Während bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen die Fügenaht als Längsnaht ausgebildet wird, zeigt die 8 eine Ansicht, analog 4, mit einer im Wesentlichen punktförmigen Bördelstelle. Diese ist durch geeignetes Umformen eines begrenzten, kleinen Bereichs der Werkstücke 1 bzw. 2 erzeugt.While in the embodiments described above, the joint seam is formed as a longitudinal seam, which shows 8th a view, analog 4 , with a substantially point-shaped crimping point. This is by properly forming a limited, small area of the workpieces 1 respectively. 2 generated.

Die 9 zeigt eine zusätzliche Ausgestaltungsvariante, bei welcher ein Zusatzwerkstoff 11, beispielsweise in Form eines Drahtes, in den Fügebereich zwischen den Werkstücken 1 und 2 eingelegt wird, um Zusatzmaterial hinzuzufügen.The 9 shows an additional embodiment variant in which a filler material 11 , For example, in the form of a wire, in the joining area between the workpieces 1 and 2 is inserted to add additional material.

Für das Verschweißen von dickeren Blechen 1, 2 und eine gute Verschweißung der Bleche 1, 2 auf der Unterseite der Naht ist es möglich, die Schweißstelle mit zwei Reibelementen 5 von oben und unten zu bearbeiten. Dadurch kommt es zu einer noch besseren Verbindung des Zusatzwerkstoffes mit den Blechen 1, 2. Das Material wird durch beide Reibelemente plastifiziert und mit den Blechkanten in einer Quetschnaht verschweißt, so wie dies in den 10 und 11 dargestellt ist. Zur Vereinfachung ist die Bördelung nicht dargestellt. Das zweite Reibelement hat sowohl eine Stützfunktion als auch eine Reib- und Umformfunktion. For welding thicker sheets 1 . 2 and a good welding of the sheets 1 . 2 On the underside of the seam it is possible to weld with two friction elements 5 from top and bottom to edit. This results in an even better connection of the filler material with the sheets 1 . 2 , The material is plasticized by both friction elements and welded to the sheet edges in a crimping seam, as in the 10 and 11 is shown. For simplicity, the flange is not shown. The second friction element has both a support function and a friction and forming function.

Bei einer weiteren Variante der Erfindung für überlappende Bleche mit Durchschweißung durch ein oberes Blech (s. 12 und 13) werden zwei überlappende Bleche 1, 2 dadurch verschweißt, dass ein Reibelement 5 das obere Blech 1 und einen kleinen Teil des unteren Blechs 2 durch Reibung plastifiziert und in das obere 1 und etwas in das untere 2 Blech eindringt und das plastifizierte Material der beiden Bleche 1, 2 durch das Reibelement 5 ineinander gequetscht wird. Es entsteht dadurch eine Schweißverbindung, die als Stepnaht oder Punktnaht oder durchlaufende Naht ausgeführt sein kann. Dabei kann es günstig sein, die Kanten des Reibelementes 5 mit einem Radius zu versehen, da dadurch der Übergang des verschweißten Bereiches gleichmäßiger wird. Auch eine V-förmige Ausbildung des Reibelementes 5 ist möglich, um eine schmale Naht zu erhalten.In a further variant of the invention for overlapping sheets with through-welding by an upper sheet (s. 12 and 13 ) become two overlapping sheets 1 . 2 welded by a friction element 5 the upper sheet 1 and a small part of the lower sheet 2 plasticized by friction and in the upper 1 and something in the bottom 2 Sheet penetrates and the plasticized material of the two sheets 1 . 2 through the friction element 5 is squeezed into each other. This results in a welded joint, which can be designed as a step seam or point seam or continuous seam. It may be convenient, the edges of the friction element 5 provided with a radius, as a result, the transition of the welded area is uniform. Also a V-shaped design of the friction element 5 is possible to get a narrow seam.

Die 14 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem ein walzenförmiges oder radförmiges Reibelement 5 verwendet wird, welches um seine Drehachse 14 in Rotation versetzt wird. Der mittlere Bereich des Reibelements 5 ist konkav ausgebildet und weist somit einen ringförmigen Bereich auf, welcher einen geringeren Durchmesser hat. Bei dem vorstehend beschriebenen Fügevorgang ergibt sich somit die Möglichkeit, die Fügenaht 10 dicker auszubilden und somit eine Nahtüberhöhung zu realisieren. Diese kann durch eine verstärkte Bördelung unterstützt werden. Die in 14 gezeigte Ansicht ist eine Schnittansicht in Analogie zur 5, so dass die 14 lediglich die fertige Fügenaht 10 zeigt.The 14 shows an embodiment in which a roller-shaped or wheel-shaped friction element 5 which is used around its axis of rotation 14 is set in rotation. The middle area of the friction element 5 is concave and thus has an annular portion which has a smaller diameter. In the case of the joining process described above, there is thus the possibility of the joining seam 10 form thicker and thus to realize a seam exaggeration. This can be supported by a reinforced flange. In the 14 The view shown is a sectional view analogous to 5 , So that the 14 only the finished joint seam 10 shows.

Die 15 zeigt eine Situation analog 14 beim Aufsetzen des Reibelements 5 auf die umgebogenen oder gebördelten Randbereiche 3, 4, um die in 14 gezeigte Fügenaht 10 zu erzeugen.The 15 shows a situation analog 14 when putting on the friction element 5 on the bent or beaded edge areas 3 . 4 to the in 14 shown seam 10 to create.

Erfindungsgemäß werden somit die zwei zu verschweißende Bleche an Ihrer Fügestelle aufgebördelt, mit der Bördelstelle zusammengestoßen und mit einem rotierenden oder oszillierenden Reibelement, das in Stab- oder Scheibenform ausgeführt ist, durch Reibung und optional zusätzliche Wärmequellen erweicht und durch eine Anpresskraft zu einer Quetschnaht verbunden.According to the invention, the two sheets to be welded are crimped at their joint, collided with the hemming and softened by friction and optionally additional heat sources with a rotating or oscillating friction element, which is designed in rod or disc shape and connected by a contact force to a squeeze.

Das stabförmige Reibelement ist bevorzugt an seiner Stirnfläche angefast oder mit einem Radius versehen, wodurch das umzuformende Material leichter erfasst wird.The rod-shaped friction element is preferably chamfered on its end face or provided with a radius, whereby the material to be formed is more easily detected.

Das scheibenförmige Reibelement wird bevorzugt im Gleichlauf drehend in Vorschubrichtung bewegt, kann jedoch auch gegenläufig drehen.The disk-shaped friction element is preferably moved in synchronism rotating in the feed direction, but can also rotate in opposite directions.

Die Bördelung an der Fügestelle und deren Größe erfolgt bevorzugt so, dass das im anschließenden Reib- und Quetschvorgang verformte Material den Fügespalt so auffüllt, dass eine ebene Oberfläche entsteht.The curl at the joint and its size is preferably carried out so that the deformed in the subsequent friction and squeezing process material fills the joint gap so that a flat surface is formed.

Die Erwärmung kann über die Relativgeschwindigkeit des Reibelements gegenüber den Werkstücken beeinflusst werden.The heating can be influenced by the relative speed of the friction element against the workpieces.

Für eine Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit als auch für das Schweißen dickerer Materialien kann es vorteilhaft sein, wenn das Material vor der Schweißstelle zusätzlich durch weitere externe Wärmequellen vorgewärmt wird.For an increase in the welding speed as well as for the welding of thicker materials, it may be advantageous if the material is additionally preheated before the welding point by further external heat sources.

Dafür kommen folgende Wärmequellen in Betracht: ein zusätzlich eingesetztes vorlaufendes Reibelement und/oder Widerstandserwärmung, induktive Erwärmung, Gasflamme, Heißgas, Laser, Lichtbogen, Elektronenstrahl, Plasmastrahl, Schmorkontakte wie beim Abbrennstumpfschweißen etc.For this, the following heat sources come into consideration: an additionally used leading friction element and / or resistance heating, inductive heating, gas flame, hot gas, laser, arc, electron beam, plasma jet, Schmorkontakte as in flash butt welding etc.

Es kann vorteilhaft sein, wenn die Naht durch ein zweites Reibelement oder einen Walzvorgang bevorzugt im noch warmen Zustand anschließend geglättet wird. Dies erfolgt beim stabförmigen zweiten Reibelement mit einer gegenläufigen Drehrichtung zum ersten Reibelement.It can be advantageous if the seam is subsequently smoothed by a second friction element or a rolling process, preferably while still warm. This is done in the rod-shaped second friction element with an opposite direction of rotation to the first friction element.

Bei einem zweiten scheibenförmigen Reibelement kann der Glättvorgang sowohl im Gleich- als auch im Gegenlauf relativ zur Vorschubrichtung erfolgen.In a second disk-shaped friction element, the smoothing process can take place both in the same direction and in the opposite direction relative to the feed direction.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1, 21, 2
Werkstückworkpiece
3, 43, 4
Randbereichborder area
55
erstes Reibelementfirst friction element
66
Anpressdruck/AnpresskraftPressure / pressure force
77
Längsbewegung/VorschubrichtungLongitudinal movement / feed direction
88th
Wärmequelleheat source
99
Glättungselementsmoothing element
1010
Fügenahtjoint seam
11 11
Zusatzwerkstoff/DrahtFiller / wire
1212
Mittelebenemidplane
1313
Rotationsachseaxis of rotation
1414
Drehachseaxis of rotation

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 3802300 C1 [0007] DE 3802300 C1 [0007]
  • EP 1236533 A1 [0007] EP 1236533 A1 [0007]

Claims (10)

Verfahren zum Fügen zweier im Wesentlichen blechartiger Werkstücke (1, 2), bei welchem zu fügende Randbereiche (3, 4) der Werkstücke aus einer Ebene des jeweiligen Werkstücks (1, 2) um bis zu 90° umgeformt werden, wobei die umgeformten Randbereiche (3, 4) gegeneinander angelegt werden und bei welchem die Randbereiche (3, 4) nachfolgend mittels zumindest eines ersten, eine Relativbewegung zu den Randbereichen (3, 4) aufweisen Reibelements (5) auf eine vorgegebene Fügetemperatur erwärmt und mit einem Anpressdruck (6) beaufschlagt und unter Verformung gefügt werden.Method for joining two substantially sheet-like workpieces ( 1 . 2 ), in which edge areas to be joined ( 3 . 4 ) of the workpieces from a plane of the respective workpiece ( 1 . 2 ) are formed by up to 90 °, wherein the reshaped edge regions ( 3 . 4 ) are placed against each other and in which the edge areas ( 3 . 4 ) subsequently by means of at least a first, a relative movement to the edge regions ( 3 . 4 ) have friction elements ( 5 ) heated to a predetermined joining temperature and with a contact pressure ( 6 ) are applied and added under deformation. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung des ersten Reibelements (5) durch eine Rotation und/oder Drehung und/oder Schwingung und/oder Längsbewegung (7) längs der Randbereiche (3, 4) aufgebracht wird.A method according to claim 1, characterized in that the relative movement of the first friction element ( 5 ) by rotation and / or rotation and / or oscillation and / or longitudinal movement ( 7 ) along the edge regions ( 3 . 4 ) is applied. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erwärmung der zu fügenden Randbereiche (3, 4) auf die Fügetemperatur vor dem ersten Reibelement (5) ein zusätzliches Reibelement auf die Randbereiche aufgebracht und relativ zu diesen bewegt wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that for heating the edge areas to be joined ( 3 . 4 ) to the joining temperature before the first friction element ( 5 ) An additional friction element is applied to the edge regions and moved relative to these. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erwärmung der zu fügenden Randbereiche (3, 4) auf die Fügetemperatur die Randbereiche (3, 4) mittels einer externen Wärmequelle (8) erwärmt werden, insbesondere mittels Widerstandserwärmung, induktiver Erwärmung, Gasflamme, Heißgas, Laser, Lichtbogen, Elektronenstrahl, Plasmastrahl und/oder Schmorkontakt.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that for heating the edge regions to be joined ( 3 . 4 ) on the joining temperature the edge areas ( 3 . 4 ) by means of an external heat source ( 8th ), in particular by resistance heating, inductive heating, gas flame, hot gas, laser, arc, electron beam, plasma jet and / or Schmorkontakt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gefügten Randbereiche (3, 4) im erwärmten Zustand mittels eines Glättungselements (9), welches eine Relativbewegung zu den Randbereichen (3, 4) ausführt, geglättet werden.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the joined edge regions ( 3 . 4 ) in the heated state by means of a smoothing element ( 9 ), which has a relative movement to the edge regions ( 3 . 4 ), be smoothed. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Reibelement (5) und/oder als zusätzliches Reibelement und/oder als Glättungselement (9) ein stabförmiges Element, bevorzugt mit einer angefasten oder mit einem Radius versehenen Stirnfläche, welche gegen die Randbereiche (3, 4) angelegt wird oder ein rollenförmiges oder walzenförmiges Element verwendet wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that as the first friction element ( 5 ) and / or as an additional friction element and / or as a smoothing element ( 9 ) a rod-shaped element, preferably with a chamfered or radiused end face, which against the edge regions ( 3 . 4 ) or a roll-shaped or cylindrical element is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Reibelement (5) in einer rotierenden oder oszillierenden Relativbewegung zu den Randbereichen (3, 4) und in einer Längsbewegung (7) längs der Randbereiche (3, 4) bewegt wird.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the first friction element ( 5 ) in a rotating or oscillating relative movement to the edge regions ( 3 . 4 ) and in a longitudinal movement ( 7 ) along the edge regions ( 3 . 4 ) is moved. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Randbereiche (3, 4) geradlinig oder gebogen ausgebildet werden.Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the edge regions ( 3 . 4 ) are formed straight or curved. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Randbereiche (3, 4) vor oder während des Fügevorgangs zumindest ein Zusatzwerkstoff (11), bevorzugt in Form eines Drahts, angeordnet wird.Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that in the region of the edge regions ( 3 . 4 ) before or during the joining process at least one filler material ( 11 ), preferably in the form of a wire. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Reibelement auf der Rückseite der Werkstücke (1, 2) durch ein weiteres Reibelement abgestützt wird.Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that the friction element on the back of the workpieces ( 1 . 2 ) is supported by a further friction element.
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