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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rührreibschweißmethode zum Längsschweißen von gegeneinander liegenden Metallwerkstücken mit ihnen innewohnenden komplizierten Querschnitt-Formstrukturen an den Endbereichen, insbesondere betrifft sie ein Rührreibschweißverfahren und einen Metall-Schweißkörper, der mit Hilfe des Verfahrens gefertigt wurde.
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Beschreibung des Standes der Technik
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In jüngerer Zeit wurde eine Rührreibschweißmethode (FSW = friction stir welding) entwickelt und in der Praxis umgesetzt als neue Methode zum Fügen von Schweißpartnern aus Metall als Ersatz für eine Schweiß- und Lötmethode.
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Die Rührreibschweißung ist eine Festphasen-Fügetechnik, bei der die Schweißpartner ohne Schmelzen gerührt, erweicht und plastifiziert werden. Bei der Rührreibschweißung lassen sich die Schweißpartner mit geringerer thermischer Spannung und weniger Festigkeitseinbuße im Grundmaterial verbinden als beim eigentlichen Schweißen (Schmelzfügen) und Löten (Flüssigphasen-Festphasen-Reaktionsverbindung). Damit lassen sich in vorteilhafter Weise Schweißfehler verringern, die verursacht werden durch eine thermische Verformung beim Schweißen oder durch Oxidation eines geschweißten Bereichs.
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Die Rührreibschweißung ist eine Fügetechnik, bei der ein das FSW-Werkzeug (im folgenden: Schweißwerkzeug) bezeichnetes säulenförmiges oder zylindrisches Fügewerkzeug gegen die Schweißpartner gepresst wird, während es mit hoher Geschwindigkeit gedreht wird, so dass die Schweißpartner gerührt, erweicht und plastifiziert werden, um unter Nutzung der zwischen dem Schweißwerkzeug und den Schweißpartnern hervorgerufenen Reibungswärme verbunden zu werden.
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Bei der normalen Rührreibschweißung ist eine schweißbare Form des Werkstücks beschränkt auf eine Flachseite oder eine geringfügig gekrümmte Oberfläche, bedingt durch das Schweißprinzip, wobei die Form des Schweißwerkzeugs in der Patentschrift 1 (
Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2011-101891 ) und der Patentschrift 2 (
Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2011-101890 ) beschrieben ist. Wenn die Schweißpartner komplizierte Formbereiche, beispielsweise eine abgewinkelte Form, eine stark gerundete Form und eine abgestufte Form aufweisen, so lassen sich die Schweißpartner nur schwierig gegeneinander legen und in Längsrichtung verschweißen, wenn man von der normalen Rührreibschweißtechnik Gebrauch macht.
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Wenn außerdem gemäß 1 (1A, 1B) und 2 bei dem an Schweißpartnern mit komplizierten Formbereichen, beispielsweise einem Außenrohrbereich, ausgeführte Rührreibschweißungen vorgenommen werden, so werden die Schweißflächen (Stoßflächen) 2 der Schweißpartner 1 (1a und 1b) mit Hilfe mehrerer Schweißschritte verschweißt, die abhängig von einem Bereich komplizierter Form (einem abgewinkelten Bereich) 3 der Schweißpartner unterteilt werden.
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Allerdings wird bei der Rührreibschweißtechnik ein durch Rühren, Schmelzen, Erweichen und Verschmelzen der Schweißpartner 1 (1a und 1b) erhaltener Rührreibschweißbereich 4 nicht über die gesamten Stoßflächen 2 der Schweißpartner 1 hinweg gebildet, sondern es verbleibt ein ungeschweißter Bereich (ein nicht geschweißter Bereich) 5 in dem Bereich komplizierter Form 3. Außerdem verbleibt in den Schweißpartnern 1 (1a und 1b) ein Rührstiftloch 7 eines Schweißwerkzeugs 6 innerhalb eines Schweißende-Kantenbereichs, oder es wird der ungeschweißte Bereich 5 gebildet und verbleibt in dem Bereich komplizierter Form (dem Winkelbereich) 3, nachdem die Schweißschritte ausgeführt wurden, wie dies in 3 gezeigt ist. Bei einem solchen Schweißvorgang wird zwar ein Metall-Schweißkörper 8 rechteckiger Form durch Stumpfschweißen der Schweißpartner 1 (1a und 1b) erreicht, jedoch bleibt das Rührstiftloch oder der nicht geschweißte Bereich in einer Werkstückoberfläche mit einem Spannungskonzentrationsbereich, an welchem sich die Spannung in dem geschweißten Körper 8 konzentriert.
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Patentschrift 3 (
Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2006-239720 ) offenbart außerdem ein Schweißverfahren unter Verwendung einer doppelt wirkenden Reibrührschweißapparatur
9, wie sie in den
4a und
4b gezeigt ist, wobei dieses Verfahren dazu dient, das Rührstiftloch
7 in dem Metall-Schweißkörper
8 bei der Rührreibschweißtechnik zu beseitigen. Dieses Schweißverfahren läuft folgendermaßen ab: die doppelt wirkende Rührreibschweißapparatur
9 macht Gebrauch von einer Hubvorrichtung, die einen Schulterbereich
9a und einen Rührstiftbereich
9b separat absenkt und anhebt. Der Rührstiftbereich
9b wird aus dem Rührstiftloch
7 herausgehoben, und der Schulterbereich
9a wird gleichzeitig nach unten in die Schweißpartner
1 (
1a und
1b) als Werkstücke nach dem Schweißvorgang niedergedrückt. Hierdurch wird Material des Werkstücks veranlasst, plastisch in das Rührstiftloch
7 zu fließen, um das Rührstiftloch
7 aufzufüllen.
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Außerdem zeigt die Patentschrift 4 (
Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2011-121090 ) eine Rührreibschweißtechnik für eine Fügestruktur, bei der hohle Schweißpartner aus Metall stumpf gegeneinander gelegt werden, um eine Verformung aufgrund einer Werkzeuglast oder dergleichen zu verhindern. Dies ist ein Beispiel für die Schweißung von Metallteilen mit Bereichen komplizierter Form.
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Bei der Reibrührschweißtechnik nach der Patentschrift 3 allerdings muss, wenn die Schweißpartner 1a und 1b eine große Schweißtiefe besitzen, der Schulterbereich 9a entsprechend tiefer eingedrückt werden, um das Rührstiftloch 7 aufzufüllen. Im Ergebnis verbleibt ein Schulterloch 7a großen Durchmessers, obschon das Rührstiftloch 7 nur flach ist. Das Rührstiftloch kann eine höhere Festigkeitsminderung zur Folge haben. Außerdem ist es bei der Rührreibschweißtechnik nach Patentschrift 4 notwendig, an einem der Schweißpartner einen Vorsprung vorzusehen und separat eine Halterung zu schaffen, die den Vorsprung abstützt, indem der Vorsprung an dem anderen Schweißpartner aufgenommen wird, um eine Formbarkeit der Metall-Schweißpartner zu erhalten.
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Wie oben erläutert, wird bei der herkömmliche Rührreibschweißtechnik das Rührstiftloch oder das Schulterloch mit großem Durchmesser bleibend in dem Schweißende-Kantenbereich erzeugt, und der ungeschweißte Bereich wird ausgebildet und bleibt in dem Bereich komplizierter Form (im abgewinkelten Bereich), wenn die Schweißpartner gegeneinander gelegt und in Längsrichtung mit Hilfe eines Schweißwerkzeugs geschweißt werden, so dass nur eine geringe Schweißfestigkeit erzielt wird, nur unzureichende mechanische und physikalische Festigkeit erreicht wird, und das äußere Erscheinungsbild beeinträchtigt wird, was von Nachteil ist.
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Folglich ist es auch nötig, vorab separat und zusätzlich einen Vorsprung an einem der Schweißpartner und an dem anderen Schweißpartner eine Halterung zum Aufnehmen des Vorsprungs vorzusehen, um eine Verformung zu vermeiden und die Formbarkeit zu erhalten, wenn die Schweißpartner einer Stoßschweißung unterzogen werden. Bei dem herkömmlichen Verfahren ist es folglich schwierig und zeitraubend, die stumpf geschweißten Bereiche (Fügebereiche) der Schweißpartner abzuspanen, da die stoßgeschweißten Bereiche eine komplexe (komplizierte) Form besitzen.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben beschriebenen Umstände gemacht, und es ist ein Ziel der Erfindung, ein Rührreibschweißverfahren für einen dadurch gefertigten Metall-Schweißkörper anzugeben, bei dem die Schweißfestigkeit und die Schweißqualität der Stoßschweißung verbessert sind durch Beseitigen eines Rührstiftlochs und eines ungeschweißten Bereichs in der Nähe eines Abschnitts komplizierter Form bei dem Rührreibschweißverfahren, bei dem Schweißpartner gegeneinander gelegt und in Längsrichtung zusammengeschweißt werden.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Rührreibschweißverfahrens für einen Metallwerkstoff und einen Metall-Schweißkörper, die eine Fügestruktur vereinfachen können, bei denen Schweißpartner durch Stumpfschweißen bearbeitet werden, während die mechanische und physikalische Schweißfestigkeit ebenso wie das äußere Erscheinungsbild verbessert sind, indem ein Rührstiftloch und ein ungeschweißter Bereich in der Nähe eines Abschnitts komplizierter Form beseitigt werden.
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Das obige Ziel und weitere Ziele lassen sich dadurch erreichen, dass gemäß einem Aspekt geschaffen wird:
Ein Rührreibschweißverfahren für einen Metallwerkstoff, bei dem Schweißpartner in Längsrichtung zusammengelegt und anschließend an im Querschnitt komplizierten Formbereichen in Endzonen verschweißt werden, umfassend folgende Schritte:
Vorbereiten von Schweißpartnern, die mit Verdickungen ausgestattet sind, und eines Schweißwerkzeugs mit einem Rührstift zum Verschweißen der Schweißpartner, während das Schweißwerkzeug gedreht wird und an den Schweißpartnern anliegt, wobei die Verdickungen so ausgebildet sind, dass sie an Verlängerungsflächen von zumindest an einer Seite vorgesehenen Schweißendbereichen der Stoßflächen der Schweißpartner vorstehen;
Ausführen einer ersten Schweißung an den Schweißpartnern, um die Stoßflächen der Schweißpartner entlang einer Seite zu verschweißen, und Abschließen der Stoßschweißung unter Verwendung des Schweißwerkzeugs entlang der einen Seitenflächen und Beenden der ersten Schweißung unmittelbar vor den Verdickungen;
Einsenken des Schweißwerkzeugs von der Verdickung her, um ein plastisches Fließen des metallischen Werkstoffs im Anschluss an die Stoßschweißung entlang der einen Seite zu bewirken und dadurch ein Rührstiftloch aufzufüllen, welches bei dem ersten Schweißschritt verbleibt, nachdem das Schweißwerkzeug aus den Schweißpartnern abgezogen wurde; und
Ausführen einer zweiten Schweißung kontinuierlich anschließend an den Auffüllschritt entlang einer weiteren Seite, die von der einen, zuvor in Verbindung mit dem Vorbereitungsschritt der Schweißpartner erwähnten Seite wegführt.
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Bei diesem Aspekt kann es wünschenswert sein, wenn der Auffüllschritt mit einer Presslehre in Anlage mit dem Schweißendebereich an der einen, in Verbindung mit dem ersten Schweißschritt erwähnten Seite durchgeführt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird geschaffen:
Ein Rührreibschweißverfahren für einen Metallwerkstoff, um stumpf aneinander liegende und anschließend zu verschweißende Schweißpartner in Längsrichtung zu verschweißen, wobei jeder der Schweißpartner eine rechteckige zu schweißende Querschnittsform aufweist, umfassend folgende Schritte:
Vorbereiten der eine rechteckige Querschnittsform aufweisenden Schweißpartner mit jeweils vier Seitenflächen und ausgebildet mit Verdickungen, und eines Schweißwerkzeugs mit einem Rührstift zum Schweißen der Schweißpartner, während das Schweißwerkzeug unter Anlage an den Schweißpartnern gedreht wird, wobei die Verdickungen derart ausgebildet sind, dass sie auf Verlängerungsflächen von Seitenflächen des rechteckigen Schweißpartners abstehen, und mindestens eine Verdickung aufweisen, die an mindestens einer Seitenfläche einer Verlängerungsfläche einer ersten Seite der vier Seitenflächen der rechteckigen Schweißpartner ausgebildet ist, an welcher ersten Seite das Schweißen der vier Seitenflächen aufweisenden rechteckigen Schweißpartnern erfolgt, wobei an die Abschlussseite einer Verlängerungsfläche eine weitere Fläche anschließt, anschließend an die Schweißung der ersten Seitenfläche;
Ausführen einer ersten Schweißung an den Schweißpartnern, um die vier Stoßflächen der Schweißpartner entlang einer Seite zu schweißen, und Abschließen der Stoßschweißung mit Hilfe des Schweißwerkzeugs entlang der einen Seitenfläche sowie Beendigen der ersten Schweißung unmittelbar vor den Verdickungen;
Einsenken des Schweißwerkzeugs über die Verdickung, um ein plastisches Fließen des metallischen Werkstoffs im Anschluss an die Stoßschweißung entlang der einen Seite zu erreichen und dadurch ein in dem ersten Schweißschritt nach Herausziehen des Rührstifts aus der ersten Schweißfläche der Schweißpartner verbleibendes Rührstiftloch aufzufüllen;
Ausführen einer zweiten Schweißung kontinuierlich anschließend an den Auffüllschritt entlang einer Seitenfläche, die sich an die eine zuvor in Verbindung mit dem Vorbereitungsschritt erwähnte Seite der Schweißpartner anschließt, nachdem der Rührstift aus der nächsten Schweißfläche der Schweißpartner entfernt wurde;
Ausführen einer weiteren ersten Schweißung als erste Schweißung eines zweiten Schweißschritts, bei der die Stoßflächen der Schweißpartner entlang einer weiteren Seite abgewandt zu der zuvor erwähnten einen Seite, nachdem die zweite Schweißung abgeschlossen ist, und Beendigen der Stoßschweißung entlang der weiteren Seite unmittelbar vor einer nächsten Verdickung;
Einsenken des Schweißwerkzeugs über eine nächste Verdickung, um ein plastisches Fließen eines Werkstoffs im Anschluss an die Stoßschweißung entlang der weiteren Seite abgewandt zu der zuvor erwähnten einen Seite zu veranlassen und dadurch ein Rührstiftloch aufzufüllen, welches nach der weiteren ersten Schweißung als erste Schweißung des zweiten Schweißschritts verbleibt; und
Ausführen einer weiteren zweiten Schweißung als zweite Schweißung des zweiten Schweißschritts zum Stoßschweißen kontinuierlich anschließend an den weiteren Auffüllschritt entlang einer weiteren Seitenfläche, die sich an die weitere Seite anschließt,
wobei in dem zweiten Schweißschritt und dem weiteren zweiten Schweißschritt die Stoßschweißung entlang der Seitenfläche an einem Mittelbereich der Seitenfläche abgeschlossen wird, indem das Schweißwerkzeug auf dem Mittelweg angehalten wird oder das Schweißwerkzeug angehalten wird, nachdem das Schweißwerkzeug von einer Seitenkante zurückgeführt wurde.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird geschaffen:
Ein Rührreibschweißverfahren für einen Metallwerkstoff zum Schweißen von gegeneinander anliegenden Schweißpartnern rechteckigen Querschnitts in Längsrichtung, umfassend folgende Schritte:
Vorbereiten von Schweißpartnern mit rechteckiger Querschnittsform, die jeweils vier Seiten aufweisen und mit Verdickungen ausgestattet sind, und eines Schweißwerkzeugs mit einem Rührstift zum Schweißen der Schweißpartner, während das Schweißwerkzeug unter Anlage an den Schweißpartnern gedreht wird, wobei die Verdickungen derart ausgebildet sind, dass sie an Verlängerungsflächen der seitlichen Schweißendebereiche der vier aneinander liegenden Seitenflächen der Schweißpartner vorstehen;
Ausführen einer ersten Schweißung an den Schweißpartnern, um die vier aneinander liegenden Seitenflächen der Schweißpartner entlang einer Seite zu schweißen, und Beenden der Stoßschweißung unter Verwendung des Schweißwerkzeugs entlang der einen Seitenfläche der Schweißpartner und Beenden der ersten Schweißung unmittelbar vor ersten Verdickungen;
Einsenken des Schweißwerkzeugs über die Verdickung, um ein plastisches Fließen des Metallwerkstoffs im Anschluss an die Stoßschweißung entlang der einen Seite zu veranlassen und dadurch ein Rührstiftloch aufzufüllen, welches bei dem ersten Schweißschritt verbleibt, nachdem der Rührstift aus den Partnern herausgezogen wurde;
Ausführen einer zweiten Schweißung kontinuierlich anschließend an den Auffüllschritt entlang einer Seitenfläche, die an die eine, zuvor bei dem Vorbereitungsschritt der Schweißpartner erwähnte Seite anschließt, und Beenden der Stoßschweißung an der anschließenden Seitenfläche unmittelbar vor einer zweiten Verdickung;
Einsenken des Schweißwerkzeugs über die zweite Verdickung, um ein plastisches Fließen eines Werkstoffs im Anschluss an die Stoßschweißung entlang der weiteren Seite abgewandt von der zuvor erwähnten einen Seite zu veranlassen und dadurch ein Rührstiftloch aufzufüllen, welches nach der weiteren ersten Schweißung verbleibt;
Ausführen einer dritten Schweißung zum Schweißen der Stoßflächen der Schweißpartner entlang einer weiteren Seite abgewandt der zuvor erwähnten ersten Seite, nachdem das Auffüllen des beim zweiten Schweißen verbliebenen Rührstiftlochs abgeschlossen ist und Beenden der Stumpfschweißung entlang der weiteren Seite unmittelbar vor einer dritten Verdickung;
Einsenken des Schweißwerkzeugs über die dritte Verdickung, um ein plastisches Fließen eines Werkstoffs im Anschluss an die Stoßschweißung entlang der weiteren Seite zu veranlassen und dadurch ein Rührstiftloch aufzufüllen, welches in der Fläche der weiteren Seite nach dem dritten Schweißschritt verbleibt; und
Schweißen der Stoßflächen der Schweißpartner entlang einer weiteren Seitenfläche abgewandt zu der zuvor erwähnten Seitenfläche, kontinuierlich fortgesetzt an den Rührstift-Auffüllschritt der weiteren Seite, und Beenden der Stoßschweißung entlang der weiteren Seitenfläche in einem Mittelbereich der weiteren Seitenfläche, indem das Schweißwerkzeug auf mittlerem Weg angehalten wird, oder indem das Schweißwerkzeug angehalten wird, nachdem es von einer Seitenkante weg zurückgeführt wurde.
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Bei den obigen Aspekten kann es wünschenswert sein, wenn die Verdickung durch zerspanende Bearbeitung entfernt wird, nachdem das Schweißen des Rührreibschweißvorgangs abgeschlossen ist, bei dem die Schweißpartner entlang der Längsrichtung einer Stumpfschweißung unterzogen wurden.
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Die vorliegende Erfindung schafft außerdem Metall-Schweißkörper, erhalten durch Längsschweißen von aneinander liegenden Schweißpartnern aus Metallwerkstoff, und ausgestattet mit im Querschnitt komplizierten Formstrukturen an Endbereichen unter Einsatz eines Rührreibschweißverfahrens,
wobei jeder der Schweißpartner integriert mit einer Verdickung ausgestattet ist, die als Verlängerung eines Schweißende-Kantenbereichs an mindestens einer Seite einer Stoßfläche vorsteht, wobei eine Stoßschweißung entlang mindestens einer Seite der Schweißpartner mit Hilfe eines Schweißwerkzeugs mit einem Rührstift ausgeführt wurde, indem das Schweißwerkzeug bei Anlage an den Schweißpartnern gedreht wurde, der Schweißvorgang unmittelbar vor der Verdickung abgeschlossen wurde, nachdem die Stoßflächen der Schweißpartner zusammengeschweißt wurden, ein in dem Schweißende-Kantenbereich durch Herausziehen des Rührstifts aus den Schweißpartnern während der Rührreibschweißung verbliebenes Rührstiftloch auf der einen Seite ausgefüllt ist durch plastisches Fließen eines Materials, hervorgerufen durch Einsenken des Schweißwerkzeugs über die Verdickung im Anschluss an die Stoßschweißung entlang der einen Seite, und die Verdickung durch Zerspanung beseitigt wurde nach Beendigung der Rührreibschweißung.
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Bei dem obigen Aspekt kann es wünschenswert sein, dass die Schweißpartner jeweils einen rechteckigen Querschnitt aufweisen und Schweißflächen der Schweißpartner sequentiell entlang vier Seiten der Schweißpartner mit Hilfe des Schweißwerkzeugs einer Stumpfschweißung unterzogen wurden.
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Wirkungsweisen der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung mit den oben angegebenen Merkmalen lässt sich bei dem Rührreibschweißen, bei dem die Schweißpartner aus metallischem Werkstück aneinandergelegt und in Längsrichtung der Teile aneinandergeschweißt werden, kann die Stoß- oder Stumpfschweißung ausgeführt werden, ohne dass ein Rührstiftloch oder ein ungeschweißter Bereich in der Nähe des Bereichs komplizierter Form der Teile verbleibt. Dementsprechend lassen sich die Schweißfestigkeit und die Schweißqualität der Stumpfschweißung zwischen den Schweißpartnern verbessern.
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Außerdem lässt sich in einfacher Weise ohne Einsatz üblichen Schweißens oder Lötens eine Fügestruktur herstellen, bei der die Schweißpartner in Längsrichtung einer Stumpfschweißung unterzogen sind. Der Metall-Schweißkörper kann erhalten werden durch Rührreibschweißung, ohne dass irgendein Rührstiftloch oder ein ungeschweißter Bereich in der Nähe des Bereichs komplizierter Form verbleibt. Damit lässt sich die mechanische ebenso wie die physikalische Schweißfestigkeit verbessern, und man kann eine hervorragende Erscheinungsform des Schweißprodukts realisieren.
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Die Eigentümlichkeit und weitere besondere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen.
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WIRKUNGSWEISEN DER ERFINDUNG
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Gemäß den oben erläuterten Besonderheiten der Erfindung kann bei dem Rührreibschweißen, bei dem die Schweißpartner aus einem Metallwerkstoff gegeneinander gelegt und entlang der Längsrichtung der Werkstücke zusammengeschweißt werden, das Stoßschweißen vorgenommen werden, ohne dass ein Rührstiftloch oder ein ungeschweißter Bereich in der Nähe der komplizierten Form der Schweißpartner verbleibt. Demzufolge lassen sich die Schweißfestigkeit und die Schweißqualität der Stoßschweißung zwischen den Schweißpartnern verbessern.
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Außerdem lässt sich erfindungsgemäß eine Fügestruktur, bei dem die Schweißpartner in Längsrichtung einer Stumpfschweißung (Stoßschweißung) unterzogen werden, in einfacher Weise gefertigt werden, ohne dass ein eigentliches Schweißen oder Löten erfolgt. Das metallische Schweißprodukt kann erhalten werden durch Rührreibschweißung, ohne dass irgendein Rührstiftloch oder ein ungeschweißter Bereich in der Nähe der komplizierten Formstruktur verbleibt. Damit lässt sich die mechanische ebenso wie die physikalische Schweißfestigkeit verbessern, und man kann ein hervorragendes Erscheinungsbild des Schweißprodukts erzielen.
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Die Besonderheiten und weiteren Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1, welche die 1A und 1B beinhaltet, veranschaulicht ein herkömmliches Rührreibschweißverfahren für Schweißpartner, wobei 1A eine Schnittansicht ist, die einen Schweißzustand zwischen metallischen Schweißpartnern mit komplizierten Formstrukturen (Winkelabschnitten) veranschaulicht, und 1B eine Draufsicht (eine Ansicht von der Oberseite) ist, die den Schweißzustand zwischen den Schweißpartnern veranschaulicht;
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2 ist eine Teil-Schnittansicht nach der Schweißung mit Hilfe des in 1 dargestellten herkömmlichen Rührreibschweißverfahrens;
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3 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel einer Fügestruktur zeigt, in der Bereiche mit komplizierter Form durch eine Rührreibschweißung einer Stumpfschweißung unterzogen werden;
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4, die die 4A und 4B enthält, veranschaulicht in 4A eine Schnittansicht, die durch ein Rührreibschweißverfahren zu verschweißende Schweißpartner veranschaulicht, wobei eine herkömmliche, doppelt wirkende Rührreibschweiß-Vorrichtung zum Einsatz gelangt, während 4B eine Draufsicht (Ansicht von der Oberseite) ist, die Schweißpartner veranschaulicht, um einen Rührstiftloch-Ausfüllschritt des Rührreibschweißens zu erläutern;
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5, die die 5A und 5B enthält, veranschaulicht Werkzeugformen eines für das Rührreibschweißen (FSW = friction stir welding) verwendeten Schweißwerkzeugs veranschaulicht;
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6 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil eines Werkstücks als Beispiel für Metall-Schweißpartner veranschaulicht, die bei dem Rührreibschweißen eingesetzt werden;
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7 ist ein Flussdiagramm, welches die Grund-Fertigungsschritte zum Ausführen einer Rührreibschweißung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
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8, welche die 8A und 8B enthält, veranschaulicht den Rührreibschweiß-Prozess gemäß der ersten Ausführungsform, wobei 8A eine Ansicht ist, welche teilweise eine Werkstück-Oberseite zeigt, während die aus einem Metallwerkstoff bestehenden Schweißpartner durch Stumpfschweißen zusammengefügt werden, und 8B eine Schnittansicht ist, welche einen Schweiß-Querschnitt des Werkstücks veranschaulicht;
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9 ist eine obere Seitenansicht eines zu schweißenden Werkstücks gemäß einer ersten Modifizierung der ersten Ausführungsform;
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10 ist eine Teil-Schnittansicht eines Schweißwerkstücks gemäß einer zweiten Modifizierung der ersten Ausführungsform;
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11, welche die 11A und 11B enthält, ist eine Darstellung zum Erläutern eines ersten Schweißschritts beim Rührreibschweißen der ersten Ausführungsform, wobei 11A eine Teilansicht von oben der Schweißpartner ist und 11B eine Teil-Schnittansicht der Schweißpartner ist;
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12 ist eine Schnittansicht der Schweißpartner zur Veranschaulichung eines Ausfüllschritts des Rührreibschweißverfahrens der ersten Ausführungsform;
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13 ist eine Schnittansicht der Schweißpartner, um einen zweiten Schweißschritt des Rührreibschweißens nach der ersten Ausführungsform zu veranschaulichen;
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14, die die 14A und 14B enthält, veranschaulicht eine erste Modifizierung zum Erläutern des Ausfüllschritts des Rührreibschweißens nach der ersten Ausführungsform, wobei 14A eine Teil-Seitenansicht der Schweißpartner ist und 14B eine Teil-Schnittansicht der Schweißpartner ist;
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15 ist eine Darstellung einer Struktur für eine Reibrührschweißung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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16 ist eine perspektivische Ansicht, die eine äußere Konfiguration eines aus Metall bestehenden geschweißten Werkstücks unter Anwendung der zweiten Ausführungsform veranschaulicht;
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17 ist ein Flussdiagramm, welches die Schritte der Ausführung des Rührreibschweiß-Prozesses gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
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18 ist eine Darstellung, die eine Struktur für eine Rührreibschweißung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
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19 ist eine Photographie, die eine perspektivische Struktur von Werkstücken als Schweißpartner in einem Rührreibschweiß-Verfahren gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
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20 ist eine Tabelle, die Parameter zur Verwendung eines Schweißwerkzeugs sowie Parameter einer Rührreibschweißung oder dergleichen gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung erläutert;
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21 ist eine anschauliche Schnittansicht eines beispielhaften Produkts (eines geschweißten Metallkörpers), der gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung gefertigt wurde;
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22 ist eine anschauliche Schnittansicht eines herkömmlichen Produkts, dargestellt zum Vergleich mit dem in 21 dargestellten Beispielprodukt;
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23 ist eine Photographie, die eine perspektivische Struktur eines Schweißzustands nach Ausführen des ersten Schweißschritts zur Stumpfschweißung der Schweißpartner gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
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24 ist eine Photographie, die eine perspektivische Struktur eines Beispielprodukts eines Schweißzustands nach Ausführen des zweiten Schweißschritts bei der vierten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
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25 ist eine Photographie, die eine Schnittansicht des Beispielprodukts zeigt, wobei ein Schweißabschnitt nach Ausführung des zweiten Schweißschritts ähnlich 24 veranschaulicht ist;
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26 ist eine Photographie, die eine Struktur eines Zustands vor einer Biegeprüfung an dem Beispielprodukt unter Verwendung einer Prüfmaschine zeigt; und
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27 ist eine graphische Darstellung, die ein Biegeprüfungs-Ergebnis des Beispielprodukts nach 26 und des herkömmlichen Produkts veranschaulicht.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen erläutert.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rührreibschweiß-Methode zum Stumpf- oder Stoßschweißen von Schweißpartnern aus einem metallischen Werkstoff in Längsrichtung, wobei die Schweißpartner komplizierte Formstrukturen aufweisen. Ein Rührreibschweiß-Werkzeug (im folgenden als Schweißwerkzeug bezeichnet) 10, das in 5 gezeigt ist, wird als Fügewerkzeug (Verbindungswerkzeug) für das Rührreibschweißen (FSW = friction stir welding) verwendet.
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Bezugnehmend auf 5, enthält das Schweißwerkzeug 10 einen säulenförmigen Schulterteil 11 und einen Sondenteil oder Rührstift 12, der einstückig mit dem Schulterteil 11 an einer distalen Stirnfläche (Schulterfläche) 11a ausgebildet ist. Der Rührstift 12 ist mit einem Durchmesser ausgebildet, der kleiner ist als der Schulterteil 11, und er wird zusammen mit dem Schulterteil 11 gedreht. Das Schweißwerkzeug 10 wird von einer nicht dargestellten Antriebswelle drehend angetrieben, wenn der Rührreibschweißvorgang ausgeführt wird.
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Wie in 5 gezeigt ist, besteht das Schweißwerkzeug 10 aus einem Werkzeugstahl wie zum Beispiel SKD61 mit Werkzeugabmessungen wie folgt: Schulterdurchmesser ϕA, Rührstiftdurchmesser ϕB und Rührstiftlänge L. Das Werkzeug kann eine Struktur aufweisen, die einen zylindrischen (säulenförmigen) Rührstift 12a gemäß 5A aufweist, eine Struktur mit einem konischen Rührstift 12b, wie in 5B gezeigt ist, oder kann andere Rührstift-Formen besitzen.
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Wie in 6 gezeigt ist, wird jeweils ein quadratisches oder quadratisch-rohrförmiges Werkstück aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung als Schweißpartner 13 für eine Stoßschweißung mittels Reibrührschweißung verwendet. Beispielsweise werden als Metallwerkstücke 13 paarweise Schweißpartner 14 und 15 verwendet, bei denen es sich um quadratische Bauteile mit einem winkligen Querschnitt handelt.
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Weiterhin sei angemerkt, dass die Bezugszeichen 14 und 15 hier Schweißpartner 14 und 15 bezeichnen, bei denen es sich um die Teile vor der Schweißung handelt, wobei aber gleiche Bezugszeichen 14 und 15 in ähnlicher Weise verwendet werden für diese Teile nach der Schweißung, so zum Beispiel für die geschweißten Werkstücke (Schweißwerkstücke) 14 und 15, um Missverständnisse bei der Bezeichnung der Teile zu vermeiden.
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Die Rührreibschweißung erfolgt durch Rühren der paarweisen Schweißpartner 14 und 15 mit Hilfe eines drehenden Schweißwerkzeugs 10 (5), Erweichen der Bauteile durch Reibungswärme, die durch Rühren erhalten wird, um dadurch das Material der Teile zu plastifizieren und die Teile integral miteinander zu verbinden. Die Rührreibschweißung ist eine Methode zum Verbinden oder Fügen der Schweißpartner 14 und 15 in einer Feststoffphase, wobei die Schweißpartner stumpf gegeneinander liegen, wozu das Phänomen eines plastischen Fließens genutzt wird, zu dem es in Verbindung mit der Drehung des Schweißwerkzeugs 10 kommt.
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An den Metallwerkstücken 13 befinden sich Verdickungen 14a und 14b; 15a und 15b als Schweiß-Tabs an einander abgewandten Kantenbereichen der Schweißpartner 14 und 15, die aneinander gelegt und zusammengeschweißt werden. Die Verdickungen 14a und 14b; 15a und 15b stehen in Kontakt mit den komplizierten Strukturbereichen, beispielsweise Winkelbereichen der Schweißpartner 14 und 15, und sie ragen (als Verlängerung oder Vorsprung) von diesen weg. Die Verdickungen 14a und 14b; 15a und 15B ragen auch in der Weise vor, dass sie bündig sind mit einer Schweißpartner-Oberseite und einer geschweißten Oberfläche, die aus 6 hervorgeht. Die Verdickungen 14a und 14b; 15a und 15b stehen seitlich nach außen als Verlängerungen eines Schweißbeginn-Kantenbereichs und eines Schweißende-Kantenbereichs auf einer Seite (einer Fläche) ab, beispielsweise auf einer Oberseite der insgesamt vier Seiten (vier Flächen) entlang jeder der Stumpfschweißflächen der Schweißpartner 14 und 15.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Rührreibschweißung in Längsrichtung, indem die Metallwerkstoffe 13 mit den komplizierten Formstrukturen, beispielsweise einer Winkelstruktur, einer abgestuften Form oder einer kleinen runden Form mit einem Radius von etwa 20 mm oder weniger als Querschnittsform, an den Stoßbereichen zusammengelegt werden. Es werden mehrere Schweißschritte und Auffüllschritte kombiniert, um die Rührreibschweißung durchzuführen. Da die mehreren Schweißschritte und Auffüllschritte kombiniert werden, um die Rührreibschweißung auszuführen, können geschweißte Bereiche effizient und effektiv unter Verwendung des plastischen Fließens des Materials, hervorgerufen in Verbindung mit der Reibrührschweißung, zusammengeschweißt werden.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Rührreibschweißverfahren für einen metallischen Werkstoff und einen durch Rührreibschweißen gefertigten Körper, wodurch es möglich ist, die Schweißfestigkeit (mechanische und physikalische Festigkeit) und die Steifigkeit der stumpf geschweißten Bereiche zu steigern und außerdem die Schweißqualität zu verbessern, während in zuverlässiger Weise verhindert wird, dass an den komplizierten Strukturbereichen und in einer dazu benachbarten Zone ein Rührstiftloch sowie ein nicht geschweißter Bereich verbleiben.
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[Erste Ausführungsform] (Fig. 6 bis Fig. 14)
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Im folgenden wird anhand der 6 bis 14 eine erste Ausführungsform beschrieben, bei der Metallwerkstoffe mit komplizierter Strukturform durch Rührreibschweißung zusammengefügt werden.
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7 ist ein Flussdiagramm, welches die grundlegenden Schritte der ersten Ausführungsform zum Ausführen einer Rührreibschweißung eines metallischen Werkstoffs erläutert. Für die Rührreibschweißung an dem metallischen Werkstoff werden in einem Vorbereitungsschritt das in 5 gezeigte Schweißwerkzeug 10, bei dem es sich um ein Fügewerkzeug oder Verbindungswerkzeug handelt, und die in 6 dargestellten metallischen Werkstücke 13 verwendet. Die einzelnen Schritte für die Rührreibschweißung werden anschließend gestartet (Schritt S20 (START DES SCHWEISSVORGANGS)).
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Das Rührreibschweißen wird hier unter Verwendung eines Beispiels erläutert, bei dem sich an einer Werkstückoberseite A der Schweißpartner 14 und 15 Spannung konzentriert und die Schweißpartner 14 und 15 in deren Längsrichtung einer Stumpfschweißung unterzogen werden, wie in 6 gezeigt ist.
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In dem in 7 gezeigten Flussdiagramm schließen sich nach dem Starten des Rührreibschweißvorgangs drei grundlegende Schritte an, nämlich ein erster Schweißschritt (S21), ein Auffüllschritt (S22) und ein zweiter Schweißschritt (S23), die sequentiell durchgeführt werden, um auf diese Weise einen metallischen geschweißten Körper herzustellen oder bereitzustellen. Anschließend wird der Rührreibschweißvorgang abgeschlossen (Schritt S24) (ENDE DES SCHWEISSVORGANGS)).
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In dem ersten Schweißschritt S21 wird das Schweißwerkzeug 10 bei gleichzeitiger Drehung zwischen den Schweißflächen 25 ausgehend von den Verdickungen 14a und 15a auf einer Seite, das heißt den Schweißstart-Kantenbereichen der zusammengelegten Schweißpartner 14 und 15 der metallischen Werkstücke 13 nach 6 eingesenkt. Die Schulterfläche 11a der Schulter 11 des Schweißwerkzeugs 10 wird gegen die Werkstückoberseite A gepresst. Die Schweißpartner 14 und 15 werden hierdurch gerührt und durch Reibungswärme erweicht. Die Schweißpartner 14 und 15 werden in einem Zustand der festen Phase gehalten, um das plastische Fließen des Werkstoffs zu begünstigen.
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Der Rührstift 12 (12a oder 12b) wird zwischen die Schweißbereiche (Stoßflächen) 25 der Schweißpartner 14 und 15 eingetaucht, während das Schweißwerkzeug 10 gedreht wird, um die Schweißpartner 14 und 15 durch Reibungswärme zu erweichen und die Schweißpartner 14 und 15 im Zustand einer Festphase zu halten und so das plastische Fließen des Materials zu begünstigen. Die Schweißpartner 14 und 15 werden hierdurch zusammengeschweißt.
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Weiterhin wird, wie in 8A gezeigt ist, das Schweißwerkzeug 10 bei gleichzeitiger Drehung zu den Schweißende-Kantenbereichen in Form der Verdickungen 14b und 15b an der entgegengesetzten Seite entlang den Schweißbereichen 25 der Schweißpartner 14 und 15 bewegt, wobei ein Bewegungsort zu einem durch Rührreibschweißung geschweißten Bereich 26 gebildet wird.
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In dem ersten Schweißschritt 21 hält das Schweißwerkzeug 10 an den Schweißende-Kantenbereichen unmittelbar vor den Verdickungen 14b und 15b an, die sich entlang der Oberseite A des Schweißbereichs 25 erstrecken, wenn die Rührreibschweißung zwischen den Schweißpartnern 14 und 15 stattfindet. Der erste Schweißschritt 21 wird hierdurch beendet (abgeschlossen). Die Verdickungen 14a und 14b; 15a und 15b befinden sich außerhalb des Produktbereichs 27, der einen aus Metallwerkstoff geschweißten Körper (Werkstück) bildet.
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Da der Rührstift 12 des Schweißwerkzeugs 10 sich innerhalb des Produktbereichs 27 ausgehend von den Schweißstart-Kantenbereichen hin zu dem Schweißend-Kantenbereich während des ersten Schweißschritts 21 bewegt, nimmt der Produktbereich 27 den größten Teil der Last oder Drehkraft von dem Schweißwerkzeug 10 auf. Folglich ist es für die Verdickungen 14a und 14b; 15a und 15b erforderlich, dass diese Bereiche klein sind und dementsprechend Verdickungen sich nicht so leicht verformen lassen.
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Jede der Verdickungen 14b und 15b ist beispielsweise in Form einer Halbsäule mit einer Verdickungslänge C, einer Verdickungstiefe(-höhe) D und einem Radius R ausgebildet, wie in den 8A und 8B gezeigt ist. Eine Beziehung zwischen den Abmessungen der Verdickungen 14b, 15b und den Abmessungen des Schweißwerkzeugs 10 erfüllt die nachfolgende „Gleichung 1”: Verdickungs-Länge C > A – B/2
Verdickungs-Tiefe D ≥ A
Radius R ≥ A/2 [Gleichung 1]
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Die Verdickungen 14a und 15a der Schweißstart-Kantenseite der Metallwerkstücke 13 haben die gleiche Form wie die Verdickungen 14b und 15b auf der Schweißende-Kantenseite.
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Obschon in den 8A und 8B als Beispiel der Fall dargestellt ist, dass die Verdickungen der Metallwerkstoffe 13 eine Halbsäulenform aufweisen, können modifizierte Beispiele der Verdickungen die in den 9 und 10 dargestellten Strukturen besitzen. In einer ersten Modifikation gemäß 9 sind Verdickungen 14b1 und 15b1 der Metallwerkstücke 13 (14 und 15) in einer Rechteckform ausgebildet. In einer zweiten Modifikation nach 10 besitzen Verdickungen 14b2 und 15b2 der Metallwerkstücke 13 (14 und 15) an ihren unteren Bereichen eine abgerundete R-Form.
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In jedem Fall werden die Verdickungen der Metallwerkstücke 13 entlang gestrichelten Linien a, a1 und a2 durch Zerspanung abgeschnitten, nachdem die einzelnen Schritte der Rührreibschweißung abgeschlossen sind, und da hier die Verdickungen klein sind, lassen sich die Verdickungen nach dem Schweißen leicht abschneiden (entfernen).
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Die Schweißpartner 14 und 15 der Metallwerkstücke 13 werden an dem geschweißten Bereich 26 an der Oberseite (Werkstück-Oberseite) A durch das Rührreibschweißen im Rahmen des ersten Schweißschritts 21 verschweißt, wie in 11A gezeigt wird. Der erste Schweißschritt 21 wird an den Schweißende-Kantenbereichen beendet, und zwar vor den Verdickungen 14b und 15b, die einen Endpunkt darstellen. Wie in 11B gezeigt ist, wird der erste Schweißschritt 21 an einer Stelle abgeschlossen, an der ein vorderes Ende des Rührstifts 12 des Schweißwerkzeugs 10 bei Betrachtung in deren Bewegungsrichtung einer Grenze zwischen den Verdickungen 14b und 15b und dem Produktbereich 27 benachbart ist.
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Das Schweißwerkzeug 10 wird aus den Schweißbereichen 25 der Schweißpartner 14 und 15 an dem Ort des Schweißendes herausgezogen. Hierdurch bildet sich durch das Schweißwerkzeug 10 ein Rührstiftloch 28, welches an der Werkstückoberseite A an einer Stelle nahe den Verdickungen 14b und 15b der Schweißpartner 14 und 15 verbleibt.
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Da der erste Schweißschritt 21 an den Schweißende-Kanten (Punkten) gemäß den 11A und 11B abgeschlossen wird, befindet sich das Rührstiftloch 28 näher an den Verdickungen 14b und 15b. Dementsprechend lässt sich das Rührstiftloch in einfacher Weise auffüllen unter Ausnutzung der Natur des plastischen Fließens bei dem nachfolgenden Auffüllschritt 22. Wenn der erst Schweißschritt 21 an dem Schweißende-Kantenbereich nahe den Verdickungen 14b und 15b abgeschlossen wird, so werden die Last und die Drehkraft, die durch die Reibrührschweißung erzeugt werden, zum größten Teil von dem Produktbereich 27 aufgenommen. Selbst wenn also die Verdickungen 14b und 15b nur klein sind, werden die Verdickungen 14b und 15b nur geringfügig verformt (geöffnet), so dass das Auftreten von Defekten aufgrund der Verformung (Öffnung) unterbunden werden kann.
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Nachdem die Schweißpartner 14 und 15 entlang der Werkstückoberseite A im Rahmen des ersten Schweißschritts 21 zusammengeschweißt sind, bewegt sich das Schweißwerkzeug 10 in der Weise, dass der Auffüllschritt 22 ausgeführt wird, demzufolge das Rührstiftloch 28 in der Werkstückoberseite A aufgefüllt wird. Anstelle des bei dem ersten Schweißschritt 21 verwendeten Werkzeug kann ein neues, separates Werkzeug als Schweißwerkzeug 10 eingesetzt werden. In diesem Fall ist die Tiefe D der Verdickung vorzugsweise gleich oder größer als der Schulterdurchmesser A des Werkzeugs, wenn in dem Auffüllschritt 22 das Schweißwerkzeug eingesetzt wird.
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Bei dem Auffüllschritt 22 wird das Schweißwerkzeug 10 bei gleichzeitiger Drehung in eine Werkstück-Seitenfläche B, an der die Verdickungen 14b und 15b vorhanden sind, aus einer externen Richtung unter im wesentlichen rechtem Winkel eingeführt, wie in 12 zu sehen ist.
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Die Verdickungen 14b und 15b werden vor Einführen des Schweißwerkzeugs 10 vorab durch eine Anpresslehre 30 angepresst, und folglich lässt sich die Verformung der Verdickungen 14b und 15b in Aufwärtsrichtung unterdrücken.
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Wenn das Schweißwerkzeug 10 bei seiner gleichzeitigen Drehung eingeführt wird in die Werkstück-Seitenfläche B von der Seite der Verdickungen 14b und 15b her, während der Auffüllschritt 22 ausgeführt wird, erweicht der Rührstift 12 den Werkstoff der Schweißpartner 14 und 15 und bewirkt dadurch, dass das Material plastisch in Richtung eines Pfeils M (12) fließt, während das Material in das Rührstiftloch 28 gedrückt wird. Das heißt, durch Einführen des Schweißwerkzeugs 10 fließt ein Teil des Werkstoffs der Verdickungen 14a und 14b, 15a und 15b, die von dem Schulterteil 11 gedrückt werden, sowie des Materials der Schweißpartner 14 und 15 um den eingeführten Rührstift 12 herum plastisch in das Rührstiftloch 28, welches sich in der Werkstückoberseite A befindet, wie durch den Pfeil M veranschaulicht ist. Damit kann das Rührstiftloch 28 aufgefüllt werden.
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Die Anpresslehre 30 drückt die Oberseite der Verdickungen 14b und 15b, um das Fließen des Materials zu unterbinden. Folglich wird das Material daran gehindert, in andere Bereiche zu fließen als in das Rührstiftloch 28 innerhalb der Werkstückoberseite A.
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Der zweite Schweißschritt 23 erfolgt im Anschluss an den Auffüllschritt 22. Im Rahmen des zweiten Schweißschritts bleibt das Schweißwerkzeug 10 bei seiner gleichzeitigen Drehung innerhalb der Werkstückseitenfläche B und wird parallel zu dieser bewegt, entlang der die Schweißpartner 14 und 15 zusammengeschweißt werden. Der durch Rührreibschweißung geschweißte Bereich 26 verlängert sich entlang der Werkstückseitenfläche B der Schweißpartner 14 und 15, indem das Schweißwerkzeug 10 bewegt wird. Die Schweißpartner 14 und 15 der Metallwerkstücke 13 werden in Längsrichtung mit Hilfe des durch Rührreibschweißen gebildeten geschweißten Bereichs 26 verschweißt, wobei der Schweißbereich 26 sich über die gesamte Werkstückoberseite A und Werkstückseitenfläche B erstreckt, indem der zweite Schweißschritt 23 im Anschluss an den ersten Schweißschritt 21 und den Auffüllschritt 22 durchgeführt wird. Die Schweißpartner 14 und 15 können zusammengeschweißt werden, ohne dass das Rührstiftloch 28 und der ungeschweißte Bereich in der Nähe der komplizierten Formbereiche verbleiben, wo sich die Verdickungen 14b und 15b befinden, das heißt in der Nähe der abgewinkelten Bereiche. Folglich wird die Schweißfestigkeit der Stoßschweißung verbessert, und man erreicht eine bevorzugte Schweißqualität.
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Nach Beendigung der Rührreibschweißung, bei der die Schweißpartner 14 und 15 in Längsrichtung durch Stoßschweißung zusammengefügt werden, werden die Verdickungen 14a und 14b, 15a und 15b von den Metallwerkstücken 13 durch Zerspanung wie beispielsweise Schleifen oder Schneiden entfernt, wie durch eine gestrichelte Linie E angedeutet ist. Da das Rührstiftloch und der nicht geschweißte Bereich in der Nähe der komplizierten Strukturbereiche (die Winkelbereiche) in dem durch Stumpfschweißen der Schweißpartner 14 und 15 erhaltenen metallischen geschweißten Körper nicht mehr vorhanden sind, erhält man ein bevorzugtes äußeres Erscheinungsbild, und die mechanische und die physikalische Festigkeit lassen sich verbessern.
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Das Rührreibschweißen gemäß der Ausführungsform ist eine Festphasen-fügemethode zum Erweichen der metallischen Werkstücke als Schweißpartner 14 und 15 mit komplizierten Strukturformen durch Drehreibung des Schweißwerkzeugs 10, um dadurch die Werkstücke zu plastifizieren. Dadurch lässt sich eine Fügestruktur des geschweißten Werkstücks durch Stoßschweißen erhalten, die weniger Schweißdefekte aufgrund thermischer Deformation oder Oxidation beim Schweißvorgang aufweist. Darüber hinaus werden die Schweißpartner 14 und 15 in günstiger Weise ohne Zurücklassen des Rührstiftlochs 28 verschweißt, und auch gibt es auf der Bauteiloberfläche in der Nähe der komplizierten Strukturformen keinen ungeschweißten Bereich, so dass insgesamt die Schweißfestigkeit verbessert wird und man ein Schweißprodukt guter Qualität (gutes Erscheinungsbild) erhalten kann.
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Das in den Schweißende-Kantenbereichen der Werkstückoberseite A verbliebene Rührstiftloch 28, resultierend an dem einen Seitenbereich aufgrund der Ausführung der Rührreibschweißung beim ersten Schweißschritt 21, lässt sich auffüllen durch das plastische Fließen des Werkstoffs in anschließendem Auffüllschritt 22, bei dem der Schweißvorgang ausgehend von den Verdickungen 14b und 15b gestartet wird. Dementsprechend lässt sich das äußere Erscheinungsbild des durch Rührreibschweißen erhaltenen Werkstück nach der Stoß- oder Stumpffügung m Rahmen der Rührreibschweißung nach der ersten Ausführungsform verbessern, so dass man ein Produkt guter Qualität erhält.
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[Erste Modifizierung des Auffüllschritts]
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Eine erste Modifizierung 22A, das heißt ein modifiziertes Beispiel, des Auffüllschritts 22 zum Auffüllen des Rührstiftlochs wird im folgenden anhand der 14A und 14B erläutert. Elemente mit der gleichen Konfiguration wie Elemente, die bei dem in 12 gezeigten Auffüllschritt 22 zum Einsatz gelangen, besitzen hier gleiche Bezugszeichen, die Beschreibung überlappt sich zum Teil.
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In dem Auffüllschritt 22A der ersten Modifizierung werden Verformungs-Beschränkungslehren 31 und 32 an beiden Seiten der Verdickungen 14b und 15b der Schweißpartner 14 und 15 zusätzlich zu der Anpresslehre 30 angeordnet. Durch Anordnen der Anpresslehre 30 und der Verformungs-Beschränkungslehren lässt sich der Werkstoff der Schweißpartner 14 und 15 und der Verdickungen 14b und 15b in noch wirksamerer Weise vor einem Fließen in andere Bereiche als das Rührstiftloch 28 bei Ausführung des Auffüllschritts 22A bewahren. Das Material wird noch effektiver dazu gebracht, plastisch in Richtung des Pfeils M zu fließen, um das Rührstiftloch 28 aufzufüllen. Die Schweißfestigkeit zwischen den Schweißpartnern 14 und 15 (Schweißelementen 14 und 15) mit komplizierten Strukturformen lässt sich zusätzlich verbessern.
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[Zweite Ausführungsform] (Fig. 15 und Fig. 16)
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Im folgenden wird anhand der 15 und 16 eine zweite Ausführungsform der Erfindung erläutert.
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Die zweite Ausführungsform stellt ein Beispiel einer Fügestruktur dar, bei der die Schweißpartner 14 und 15 der Metallwerkstücke 13 mit Rechteckquerschnitten durch Stoßschweißen zusammengefügt werden, während sich Spannung an der Bauteiloberseite A und einer Bauteilunterseite C konzentrieren.
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Um die Rührreibschweißung entlang den vier Flächen des Rechteckquerschnitts auszuführen, werden Rührreibschweißprozesse gemäß der ersten Ausführungsform separat in zwei Folgen von Stufen ausgeführt. Elemente mit gleicher Konfiguration wie bei der ersten Ausführungsform tragen gleiche Bezugszeichen, wodurch eine überlappende Beschreibung vermieden wird.
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Bei der in 15 dargestellten zweiten Ausführungsform gibt es Spannungs-Konzentrationsbereiche 37 und 38 an der Bauelementoberseite A und der Bauelementunterseite C. Bei der zweiten Ausführungsform wird eine erste Folge von Rührreibschweißungen für den ersten halben Prozess (Schweißung des ersten Halbumfangs) ausgehend von der Bauelementoberseite A zu einer der Bauelementseitenflächen B ausgeführt. Eine zweite Folge des Rührreibschweißens für den zweiten Halbprozess (Schweißen des zweiten Halbumfangs) wird anschließend ausgehend von der Bauelementunterseite C zu der anderen der Bauelementseitenflächen B hin ausgeführt. Hierdurch werden die Schweißpartner 14 und 15 gemäß Rechteckquerschnitt durch Stumpfschweißen in Längsrichtung über die gesamte Peripherie zusammengefügt mit Hilfe von zwei Folgen von Rührreibschweißungen (erster Halbprozess und zweiter Halbprozess).
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Die Schweißpartner 14 und 15 werden in passender Weise mit den Verdickungen 14b und 15b ausgestattet, die als Verlängerungen der Schweißende-Kantenbereiche an vier zusammenzufügenden Seitenflächen vorstehen.
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Insbesondere bei der Rührreibschweißung nach der zweiten Ausführungsform gemäß 15 erfolgt die Stoßschweißung für den ersten Halbumfang in folgender Weise: der erste Schweißschritt 21 zum Schweißen der Stoßflächen der Schweißpartner 14 und 15 entlang der Bauelementoberseite A als einer Seitenfläche mit Hilfe des Schweißwerkzeugs 10 wird durchgeführt und abgeschlossen an der einen Seitenfläche unmittelbar vor den Verdickungen 14b und 15b; der Auffüllschritt 22, bei dem das Schweißwerkzeug 10 von den Verdickungen 14b und 15b her eingesenkt wird, um das plastische Fließen des Materials im Anschluss an die Stoßschweißung entlang der Bauelementoberseite A (der einen Seitenfläche) zu veranlassen und das Rührstiftloch 28 aufzufüllen, das nach dem ersten Schweißschritt 21 verbleibt; und der zweite Schweißschritt 23 an der Bauelementseitenfläche B zum Ausführen der Stumpfschweißung, kontinuierlich anschließend an den Auffüllschritt 22 und fortschreitend entlang der Bauelementseitenfläche B als seitliche Oberfläche, ausgehend von der vorherigen Bauelementoberseite A. Darüber hinaus wird der zweite Schweißschritt 23 abgeschlossen in der Nähe des Mittelbereichs der Bauelementseitenfläche B, indem die Schweißrichtung umgekehrt wird, nachdem der Schweißvorgang nach unten entlang der Bauelementseitenfläche B durchgeführt wurde, um dadurch das Schweißwerkzeug 10 zurückzuführen.
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Die Rührreibschweißung für den verbleibenden halben Umfang ausgehend von der Bauelementunterseite C zu der anderen der Bauelementseitenflächen B hin wird abgeschlossen, indem folgende Schritte ausgeführt werden: der erste Schweißschritt 21 auf der anderen Seitenfläche (der Bauelementunterseite) zum Schweißen der Stoßflächen der Schweißpartner 14 und 15 entlang der anderen Seitenfläche, die der zuvor erwähnten einen Seitenfläche abgewandt ist, das heißt der Bauelementunterseite C, nachdem der zweiten Schweißschritt 23 auf der Bauelementseitenfläche abgeschlossen ist, wobei dieser Stoßschweißvorgang entlang der anderen Seitenfläche abgeschlossen wird unmittelbar vor den nächsten Verdickungen 14b und 15b; ein auf die andere Seite bezogener Auffüllschritt 226, bei dem das Schweißwerkzeug 10 von den nächsten Verdickungen 14b und 15b her eingesenkt wird, um das plastische Fließen des Werkstoffs anschließend an die Stumpfschweißung entlang der anderen Seitenfläche zu veranlassen, um dadurch das Rührstiftloch 28 aufzufüllen, welches im Anschluss an den ersten Schweißschritt 21 auf der anderen Seite verbleibt; und ein zweiter Schweißschritt 23A des Ausführens einer Stoßschweißung kontinuierlich ausgehend von dem auf der anderen Seite stattfindenden Auffüllschritts 226 entlang der anderen Seitenfläche der Bauelementseitenflächen B (der anderen seitlichen Fläche), die von der anderen Seitenfläche ausgeht.
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Bei dem zweiten Schweißschritt 23A wird der Schweißvorgang in der Nähe des Mittelbereichs der anderen der Werkstückseitenflächen B abgeschlossen, indem eine Schweißrichtung umgekehrt wird, nachdem die Schweißung nach oben entlang der anderen der Werkstückseitenflächen B erfolgt ist, wobei das Schweißwerkzeug 10 zurückgeführt wird. Die Verdickungen werden entfernt durch Zerspanung nach Abschluss des Rührreibschweißvorgangs. Bei dem zweiten Schweißschritt 23 und dem zweiten Schweißschritt 23A kann der Stoßschweißvorgang entlang den Werkstückseitenflächen C an dem seitlichen Mittelbereich abgeschlossen werden, indem das Schweißwerkzeug 10 auf der Mitte seines Weges angehalten wird.
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Bei dem Rührreibschweißverfahren gemäß der zweiten Ausführungsform wird der Schweißvorgang im Mittelbereich der Werkstückseitenfläche B bei den jeweiligen zweiten Schweißschritten 23 und 23A abgeschlossen, so dass schließlich das Rührstiftloch 28 des Schweißwerkzeugs 10 verbleibt. Allerdings bleibt das Rührstiftloch nur in der Nähe des Mittelbereichs der Werkstückseitenfläche B, wo weniger Spannung vorhanden ist, hingegen verbleibt kein Rührstiftloch und auch kein nicht geschweißter Bereich in den Spannungs-Konzentrationsbereichen 37 und 38 auf der Werkstückoberseite A und der Werkstückunterseite C, nachdem der Rührreibschweißvorgang über die gesamte Peripherie hin abgeschlossen ist.
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Aus diesem Grund gibt es in dem Metall-Schweißkörper 40 rechteckigen Querschnitts, hergestellt durch Stoßschweißung der Schweißpartner unter Einsatz des Rührreibschweißverfharens gemäß der zweiten Ausführungsform, weder das Rührstiftloch noch den ungeschweißten Bereich innerhalb der Spannungs-Konzentrationsbereiche 37 und 38, so dass eine hohe Schweißfestigkeit erzielt wird. Da außerdem das Rührstiftloch und der ungeschweißte Bereich in den Spannungs-Konzentrationsbereichen des Metall-Schweißkörpers 40 nicht vorhanden sind, kann die Fügestruktur eine Verbesserung der mechanischen und physikalischen Festigkeit erreichen und ein gutes Schweißbild liefern.
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[Dritte Ausführungsform] (Fig. 17 und Fig. 18)
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Im folgenden wird anhand der 17 und 18 eine dritte Ausführungsform der Erfindung erläutert.
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Die dritte Ausführungsform stellt ein Beispiel einer Fügestruktur dar, in der die Schweißpartner 14 und 15 der Metallwerkstücke 13 rechteckigen Querschnitts, an denen sich Spannung an den drei von vier Oberflächen eines Werkstücks konzentriert, einer Stoßschweißung unterzogen werden.
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In diesem Beispiel einer Fügestruktur erfolgt die Rührreibschweißung im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn ausgehend von einer Fläche benachbart zu der übrigen Fläche, an der sich keine Spannung konzentriert, beispielsweise ausgehend von der Oberseite A des Werkstücks. Ferner sind Elemente, die Elementen der Ausführungsform entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Teile wird verzichtet.
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Wenn insbesondere die Schweißpartner 14 und 15 der Metallwerkstücke 13 mit den rechteckigen Querschnitten durch Rührreibschweißen einer Stoßschweißung unterzogen werden, werden sequentiell ausgehend von der Oberfläche benachbart zu derjenigen Fläche, wo es keine Spannungskonzentration gibt, beispielsweise ausgehend von der Bauelementoberseite A, wie in 17 und 18 dargestellt ist, folgende Schritte ausgeführt: erster Schweißschritt (S21), zweiter Schweißschritt (S23), dritter Schweißschritt (S42) und vierter Schweißschritt (S43). Außerdem werden Auffüllschritte (Loch-Auffüllschritte) (S22, S45 und S46) jeweils zwischen dem ersten Schweißschritt S21 und dem zweiten Schweißschritt S23, zwischen dem zweiten Schweißschritt S23 und dem dritten Schweißschritt S42 und zwischen dem dritten Schweißschritt S42 und dem vierten Schweißschritt S43 ausgeführt, um Rührstiftlöcher 28a, 28b und 28c aufzufüllen, die verbleiben im Anschluss an die Ausführung des ersten Schweißschritts S21, des zweiten Schweißschritts S23 und des dritten Schweißschritts S42.
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In den jeweiligen Ausfüllschritten S22, S45 und S46 werden die nach den jeweils vorausgehenden Schweißschritten verbleibenden Rührstiftlöcher 28a, 28b und 28c aufgefüllt durch das plastische Fließen des Werkstoffs beim Einsenken des Schweißwerkzeugs 10 aus den Verdickungen 48a, 48b und 48c.
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Bei dem letzten, vierten Schweißschritt 43 des Rührreibschweißvorgangs erfolgt das Schweißen aufwärts von der unteren Seite entlang der Werkstückseitenfläche B, wie in 18 gezeigt ist. Abgeschlossen wird der Schweißvorgang in der Nähe der Mitte der Werkstückseitenfläche B, indem eine Schweißrichtung an einer Stelle nahe der Werkstückoberseite A umgekehrt wird, um dadurch das Schweißwerkzeug 10 zurückzuführen. Das Rührstiftloch 28 verbleibt schließlich nach Abschluss des Schweißvorgangs des vierten Schweißschritts S43.
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Da das Sondenloch 28 sich in der Werkstückseitenfläche B befindet, wo es keine Spannungskonzentration gibt, wird das Auftreten abträglicher Wirkungen auf die Schweißfestigkeit verhindert. Die Verdickungen 48a, 48b und 48c werden abgeschnitten und entfernt durch Zerspanung, nachdem der Rührreibschweißvorgang abgeschlossen wird.
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Das Rührreibschweißen nach der dritten Ausführungsform ist ein Rührreibschweißverfahren für einen Metallwerkstoff, bei dem die rechteckigen Schweißpartner 14 und 15 aus Metallwerkstoff mit rechteckigem Querschnitt einer Stoßschweißung entlang der Längsrichtung unterzogen werden. Bei der Rührreibschweißmethode ist jeder der Schweißpartner 14 und 15 mit den Verdickungen 48a, 48b und 48c ausgestattet, die als Verlängerungen der Schweißende-Kantenbereiche an vier Seiten jeder der Stoßflächen vorstehen.
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Abgeschlossen wird der Rührreibschweißvorgang folgendermaßen:
Der erste Schweißschritt S21 zum Schweißen der Stoßflächen der Schweißpartner 14 und 15 entlang einer Seite mit Hilfe des Schweißwerkzeugs 10 wird unter Beendigung der Stoßschweißung entlang einer Seite unmittelbar vor den Verdickungen 48a beendet;
der Auffüllschritt S22 des Einsenkens des Schweißwerkzeugs 10 aus der Verdickung 48a veranlasst das plastische Fließen des Materials im Anschluss an die Stoßschweißung entlang der einen Seite, um dadurch das Rührstiftloch 28a aufzufüllen, welches nach dem ersten Schweißschritt 21 verbleibt;
der zweite Schweißschritt S23 schließt sich kontinuierlich an den Auffüllschritt S22 an und führt eine Schweißung entlang einer seitlichen Fläche (einer der Werkstückseitenflächen B) ausgehend von der einen Seite und abschließend unter Beendigung der Stoßschweißung entlang der seitlichen Fläche unmittelbar vor der zweiten Verdickung 48b;
der seitliche Auffüllschritt S45 des Einsenkens des Schweißwerkzeugs 10 über die zweiten Verdickungen 48b, um das plastische Fließen des Materials im Anschluss an die Stoßschweißung entlang der seitlichen Fläche zu veranlassen und dadurch das Rührstiftloch 28b aufzufüllen, welches im Anschluss an den zweiten Schweißschritt S23 verbleibt;
der dritte Schweißschritt S42 führt eine Stoßschweißung der Schweißpartner 14 und 15 entlang einer weiteren Seite (der Werkstückunterseite C) entgegen der vorgenannten einen Seite durch, kontinuierlich anschließend an den seitlichen Auffüllschritt S45 und abschließend unter Beendigung der Stoßschweißung entlang der weiteren Seite unmittelbar vor der dritten Verdickung 48c;
der die weitere Seite betreffende Auffüllschritt S46 des Einsenkens des Schweißwerkzeugs 10 über die dritten Verdickungen 48c, um das plastische Fließen des Materials im Anschluss an die Stoßschweißung entlang der weiteren Seite als Werkstückunterseite C zu veranlassen und damit das Rührstiftloch 28c aufzufüllen, welches im Anschluss an den dritten Schweißschritt S42 verbleibt;
unmittelbar anschließend an den die andere Seite betreffenden Auffüllschritt S46, Schweißen der Stoßflächen der Schweißpartner 14 und 15 entlang der weiteren Seite entgegengesetzt zu der zuvor erwähnten Seitenfläche, und Beendigen der Stoßschweißung entlang der weiteren seitlichen Fläche im Mittelbereich der anderen seitlichen Fläche durch Anhalten des Schweißwerkzeugs 10 auf der Wegmitte oder durch Anhalten des Schweißwerkzeugs 10, nachdem das Schweißwerkzeug 10 von der seitlichen Kante zurückgekehrt ist.
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Wie oben erläutert, kann durch die Rührreibschweißung gemäß der dritten Ausführungsform eine Fügestruktur erreicht werden, bei der die Metallwerkstücke 13 mit komplizierter Formstruktur (Winkelbereiche) in den rechteckigen Querschnitten über die gesamte Peripherie durch Stoßschweißung der Schweißpartner 14 und 15 zusammengeschweißt werden. Auf diese Weise kann ein Metall-Schweißkörper 40A mit einer Fügestruktur gebildet werden, die sich über die gesamte Peripherie erstreckt. In den Schweißkörper 40A verbleiben die Rohrstiftlöcher 28a, 28b und 28c und der ungeschweißte Bereich nicht in den drei Oberflächen mit den Bereichen der Spannungskonzentration, an denen sich die Spannung konzentriert, mit Ausnahme einer der Werkstückseitenflächen C, an der es keine Spannungskonzentration gibt. Dementsprechend lässt sich die Schweißstärke verbessern, außerdem kann man die mechanische und physikalische Festigkeit steigern und dadurch ein günstiges Erscheinungsbild (Schweißqualität) schaffen.
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Bei der dritten Ausführungsform verbleibt nur das Rührstiftloch 28 an einer Stelle in der Fläche, auf die weniger Spannung einwirkt, beispielsweise der Werkstückseitenfläche B der Metallwerkstücke 13 rechteckigen Querschnitts, nachdem die Schweißpartner 14 und 15 über die gesamte Peripherie hinweg einer Rührreibschweißung unterzogen wurden. Damit kann eine hohe Schweißfestigkeit erzielt werden, ohne dass ein Spannungskonzentrationsbereich verbleibt.
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[Vierte Ausführungsform] (Fig. 19 bis Fig. 27)
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Im folgenden wird anhand der 19 bis 27 eine vierte Ausführungsform der Erfindung erläutert.
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Die vierte Ausführungsform stellt ein Beispiel für einen Metallschweißkörper 55 dar, bei dem die Schweißpartner 51 und 52 der Metallwerkstücke 50 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt sind, ausgestattet mit komplizierten Formstrukturen rechteckiger Querschnittsform, wobei die Schweißpartner unter Bedingungen der Rührreibschweißung einer Stoßschweißung unterzogen werden, wie sie in 20 dargestellt sind.
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Bei der Rührreibschweißung der vierten Ausführungsform werden Metallwerkstücke 50 verwendet, die beispielsweise aus expandiertem A6061-T60-Werkstoff bestehen. Durch Gegeneinander-Legen und Schweißen der Schweißpartner 51 und 52 wird der Metall-Schweißkörper 55 geschaffen, in welchem kein Rührstiftloch 28 in der Werkstückoberseite A verbleibt, in der sich Spannung konzentriert.
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Das vorbereitete und eingesetzte Schweißwerkzeug 10 ist ein Werkzeug mit einer Form eines säulenförmigen Rührstifts, wie sie in 5A dargestellt ist, wobei das Werkstück folgende Parameter besitzt: ein Schulterdurchmesser ϕA von 12 mm, ein Rührstiftdurchmesser ϕB von 6 mm und eine Rührstiftlänge L von 6 mm, wie dies in 20 dargestellt ist. Die Metallwerkstücke 50 sind mit halbsäulenförmigen Verdickungen 51a und 51b; 52a und 52b an den Werkstückseitenflächen B beiderseitig der Werkstückoberseite A ausgestattet, wie dies in 19 gezeigt ist. Als Verdickungen 51a und 51b; 52a und 52b wird jeweils eine Verdickung mit folgenden Parametern verwendet: ein Krümmungsradius R von 6 mm, eine Verdickungslänge Dc von 4 mm und eine Verdickungstiefe D von 12 mm.
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Bei der Rührreibschweißung nach der vierten Ausführungsform werden in ähnlicher Weise wie bei der Rührreibschweißung, wie sie für die erste Ausführungsform beschrieben wurde, zum Ausführen einer Stoßschweißung der erste Rührschritt S21, der Auffüllschritt S22 und der zweite Schweißschritt S23 ausgeführt. Im Anschluss daran wird der dritte Schweißschritt S42 ausgeführt, um die Werkstückseitenfläche B abgewandt von der Fläche zu schweißen, die bei dem zweiten Schweißschritt S23 geschweißt wurde, und zwar verläuft der dritte Schweißschritt ausgehend von der Oberseite nach unten, wie dies in 21 gezeigt ist, um dadurch den Rührreibschweißvorgang zu beenden.
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Rührstiftlöcher 28 und 28 verbleiben in den unteren Bereichen der beiden Werkstückseitenflächen B nach Beendigung der Rührreibschweißung. Die verbliebenen Verdickungen 51a und 51b; 52a und 52b werden durch spanende Bearbeitung entfernt.
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Die Rührreibschweißung gemäß der vierten Ausführungsform wurde durchgeführt unter Verwendung des Schweißwerkzeugs 10 aus SKD61 unter den in 20 dargestellten Rührreibschweiß-Parametern, gemäß denen das Schweißwerkzeug 10 mit einer Drehzahl von 1500 UpM angetrieben wurde, die Werkzeugeinführgeschwindigkeit 20 mm/min während des Auffüllschritts S23 betrug, und die Vorschubgeschwindigkeit 100 mm/min betrug. Auf diese Weise wurde der Metall-Schweißkörper 55 erhalten.
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Der in der oben beschriebenen Weise erhaltene Metall-Schweißkörper 55 besitzt die in 21 dargestellte Schweiß-Querschnittstruktur. Das Rührstiftloch 28 in der Werkstückoberseite A, welches im Anschluss an den ersten Schweißschritt S21 verblieb, wurde aufgefüllt und verschwand durch das plastische Fließen des Werkstoffs der Verdickungen 21b und 22b, als der Auffüllschritt S22 und der zweite Schweißschritt S23 durchgeführt wurden.
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In dem oben erläuterten Prozess erhält man eine Fügestruktur des Metall-Schweißkörpers 55 durch Stoßschweißen mittels Reibrührschweißung gemäß der vierten Ausführungsform. Bei einer derartigen Verbindungsstruktur existieren die Rührstiftlöcher 28 und 28 lediglich in den unteren Bereichen der Werkstückseitenflächen B auf den beiden Seiten, auf denen sich keine Spannung konzentriert, während das Rührstiftloch oder der nicht geschweißte Bereich in der Werkstückoberseite A, wo sich der Spannungs-Konzentrationsbereich konzentrierter Spannung befindet, nicht verbleibt.
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Beim Vergleich des Metall-Schweißkörpers 55 mit einem durch herkömmliches Rührreibschweißen erhaltenen herkömmlichen Produkt zeigt sich in 22, dass es bei dem herkömmlichen Produkt keine Verdickung in dem zu schweißenden Werkstück gibt. Wenn also das herkömmliche Produkt einer Stoßschweißung unter den gleichen Rührreibschweiß-Parametern unterzogen wird, wenn das Schweißwerkzeug 10 nach der vierten Ausführungsform eingesetzt wird, erhält man das Produkt mit der in 22 dargestellten Schweiß-Querschnittstruktur. Bei dem herkömmlichen Produkt verbleibt das in dem ersten Schweißschritt S21 gebildete Rührstiftloch 28 in der Werkstückoberseite A als Spannungs-Konzentrationsbereich, in welchem sich Spannungen konzentrieren, und es verbleiben ungeschweißte Bereiche 58 und 58 in den komplizierten Formstrukturen (Winkelbereichen) der Werkstückoberseite A. Damit ist die Schweißfestigkeit zwischen den Schweißpartnern beeinträchtigt, und es kann keine gute Schweißqualität erwartet werden.
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Wenn außerdem die Schweißpartner 51 und 52 der Metallwerkstücke 50 aneinandergelegt werden und entlang der Werkstückoberseite A im Verlauf des ersten Schweißschritts S21 der vierten Ausführungsform einer Rührreibschweißung unterzogen werden, bleibt das Rührstiftloch 28 in der Werkstückoberseite A der Stoßfläche aufgrund des Schweißwerkzeugs 10, wie dies in 23 dargestellt ist.
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Wenn allerdings das Schweißwerkzeug 10 über die Verdickungen 51b und 52b im Verlauf des Auffüllschritts S22 eingesenkt wird, so wird, wie in den 23 und 24 gezeigt ist, das Rührstiftloch 28 in der Werkstückoberseite A, welches bei der Ausführung des ersten Schweißschritts S21 verbleibt, mit dem Werkstoff der Verdickungen 51b und 52b aufgefüllt, und das Material in der Werkstückseitenfläche gelangt durch plastisches Fließen in das Rührstiftloch 28. Das Rührstiftloch 28 in der Werkstückoberseite A wird auf diese Weise aufgefüllt, und demzufolge verschwindet das Rührstiftloch durch plastisches Fließen des Werkstoffs in dem Auffüllschritt S22 und dem anschließenden zweiten Schweißschritt S23.
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Wenn außerdem das Rührstiftloch 28 in der Werkstückoberseite A aufgefüllt wird und damit das Rührstiftloch verschwindet, kann die Stoßschweißung ohne Schweißdefekte wie zum Beispiel das Rührstiftloch und den ungeschweißten Bereich in der Werkstückoberseite A, wo sich Spannungen konzentrieren, ausgeführt werden.
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Nach Schaffung des Metall-Schweißkörpers 55 durch Stoßschweißung der Schweißpartner 51 und 52 der Metallwerkstücke 50 mit Hilfe des zweiten Schweißschritts S23 und des dritten Schweißschritts 542, und nach dem Abschneiden der Verdickungen 51a und 51b; 52a und 52b, die an dem Metall-Schweißkörper 55 nach dem Rührreibschweißen verbleiben, wurde das Metall-Schweißwerkstück 55 in einem in 26 dargestellten Zustand einer Biegeprüfung unterzogen.
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Bei der Biegeprüfung wurde der Metall-Schweißkörper 55 an beiden Enden mit einem freien Abstand von beispielsweise 120 mm gelagert, wobei die Werkstückoberseite A nach unten wies. Ein Prüfstück 56 wurde gegen einen Mittelbereich des Metall-Schweißkörpers 55 gepresst, und von der Oberseite her wurde eine Biegelast aufgebracht. Das Prüfstück 56 besaß einen Krümmungsradius R (R = 20 mm), und es wurde angehoben und niedergefahren. Das Ergebnis der obigen Biegeprüfung an dem Metall-Schweißkörper 55 als Beispielprodukt ist in 27 dargestellt.
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Bei dem in 27 dargestellten Ergebnis der Biegeprüfung bestätigt sich, dass die Biegefestigkeit bei dem Metall-Schweißkörper 55 als Beispielprodukt um 23% verbessert wurde im Vergleich zu dem in 22 dargestellten herkömmlichen Produkt. Damit ist die Erfindung im Vergleich zu dem herkömmlichen Produkt überlegen.
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Wie oben beschrieben und erläutert wurde, wird erfindungsgemäß ein Rührreibschweißverfahren für einen metallischen Werkstoff geschaffen, um gegeneinander zu legende und anschließend zu schweißende Schweißpartner mit komplizierten Querschnitts-Formbereichen an den Endbereichen in Längsrichtung zu schweißen, wobei das Rührreibschweißverfahren grundsätzlich folgende Schritte beinhaltet: Vorbereiten von Schweißpartnern, die mit Verdickungen ausgestattet sind, und eines Schweißwerkzeugs mit einem Rührstift zum Schweißen der Schweißpartner bei drehendem Schweißwerkzeug in der Weise, dass die Schweißpartner miteinander zur Anlage gebracht werden, wobei die Verdickungen derart ausgebildet sind, dass sie an Verlängerungsflächen von Schweißendebereichen der Stoßflächen der Schweißpartner mindestens auf einer Seite vorstehen; Ausführen einer ersten Schweißung an den Schweißpartnern, um die Stoßflächen der Schweißpartner entlang einer Seite zu verschweißen, und Abschließen der Stoßschweißung unter Verwendung des Schweißwerkzeugs entlang der einen Seitenfläche und Beenden der ersten Schweißung unmittelbar vor den Verdickungen; Einsenken des Schweißwerkzeugs über die Verdickung, um ein plastisches Fließen des metallischen Werkstoffs im Anschluss an die Stoßschweißung entlang der einen Seite zu veranlassen und dadurch ein Rührstiftloch aufzufüllen, welches bei dem ersten Schweißschritt verbleibt, nachdem das Schweißwerkzeug aus den Schweißpartnern herausgezogen wurde; und kontinuierlich anschließend an den Auffüllschritt, Ausführen einer zweiten Schweißung entlang einer weiteren Seite ausgehend von der bei dem Vorbereitungsschritt der Schweißpartner erwähnten einen Seite.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Rührreibverfahren ausgeführt werden bei Schweißpartnern mit rechteckiger Gestalt in Form von vier Seitenflächen. In diesem Fall erfolgt die Rührreibschweißung einfach gesagt in einzelnen wiederholten Schritten der nach dem obigen Verfahren ablaufenden Rührreibschweißung an den jeweiligen vier Seitenflächen, jedoch selektiv in den Seitenflächen, die mit Verlängerungsflächen ausgestattet sind.
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In jedem Fall erfolgt der Schweißvorgang durch Einsenken eines mit einem Rührstift versehenen Schweißwerkzeugs zwischen Flächen der gegeneinander anliegenden und zu verschweißenden Schweißpartner, während das Schweißwerkzeug gedreht wird. Nachdem diese Schweißung beendet ist, wird ein durch Herausziehen des Rührstifts verbleibendes Rührstiftloch aufgefüllt. Dieser Schritt erfolgt bezüglich der Seitenbereiche der Werkstücke, an denen Erweiterungsbereiche vorgesehen sind.
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Erfindungsgemäß wird mit Hilfe des oben erläuterten Reibrührschweißverfahrens ein Metall-Schweißkörper gefertigt.
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Es sei weiterhin angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass zahlreiche Änderungen und Modifikationen oder Abwandlungen möglich sind, ohne von den beigefügten Ansprüchen abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2011-101891 [0005]
- JP 2011-101890 [0005]
- JP 2006-239720 [0008]
- JP 2011-121090 [0009]
