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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen zweier Bauteile aus einem metallischen Werkstoff gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Aus der Massenfertigung von Kraftwagen ist es bekannt, zwei Bauteile, welche aus einem jeweiligen metallischen Werkstoff gebildet sind, miteinander zu verschweißen. Hierbei kommt beispielsweise das Widerstandspunktschweißen zum Einsatz, mittels welchem die Bauteile zeit- und kostengünstig miteinander verschweißt werden können. Das Widerstandspunktschweißen eignet sich jedoch nur dann, wenn die Bauteile gleiche oder ähnliche Wanddicken aufweisen. Weist eines der Bauteile jedoch eine sehr geringe Wanddicke und das andere Bauteil eine demgegenüber sehr große Wanddicke auf, so kann aufgrund der Dickendifferenz das Widerstandspunktschweißen nicht zum Einsatz kommen. Zu einer solchen Dickendifferenz kommt es beispielsweise dann, wenn ein dünnes Aluminiumblech als das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil verschweißt werden soll, wobei das zweite Bauteil aus einem metallischen Werkstoff gebildet ist und eine größere Wanddicke aufweist als das Aluminiumblech.
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Um jedoch auch Bauteile mit einer hohen Dickendifferenz miteinander verschweißen zu können, werden Verfahren eingesetzt, die eine schmelzflüssige Phase bilden. Bei solchen Verfahren handelt es sich beispielsweise um das MIG-Schweißen oder das Laserschweißen. Hierbei wird beispielsweise das aus einem metallischen Werkstoff gebildete und wenigstens einen ersten Teilbereich mit einer ersten Wanddicke aufweisende, erste Bauteil mit einem aus einem metallischen Werkstoff gebildeten und wenigstens einen zweiten Teilbereich mit einer gegenüber der ersten Wanddicke größeren, zweiten Wanddicke aufweisenden, zweiten Bauteil verschweißt, wobei die Bauteile über die jeweiligen Teilbereiche miteinander verschweißt werden. Diese Verfahren, die eine schmelzflüssige Phase bilden, sind jedoch aufwendig durchzuführen und führen zu Festigkeitsabfällen.
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Darüber hinaus ist das sogenannte Reibrührschweißen bekannt. Beim Reibrührschweißen werden die Bauteile in einer komplexen Bewegung mit einem rotierenden Stift durchdrungen. Ferner wird mittels eines weiteren Stempels Material der Bauteile verquetscht. Zum Durchführen des Reibrührschweißens ist eine komplexe Anlagentechnik erforderlich. Darüber hinaus ist das Reibrührschweißen nur sehr zeit- und kostenaufwendig durchzuführen.
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Die
WO 2013/087138 A1 offenbart ein Verfahren zum Fügen zweier im Wesentlichen blechartiger Werkstücke, bei welchem zu fügende Randbereiche der Werkstücke aus einer Ebene des jeweiligen Werkstücks um bis zu 90 Grad umgeformt werden. Bei dem Verfahren werden die umgeformten Randbereiche gegeneinander angelegt. Ferner werden die Randbereiche nachfolgend mittels zumindest eines ersten, eine Relativbewegung zu den Randbereichen aufweisenden Reibelements auf eine vorgegebene Fügetemperatur erwärmt, mit einem Anpressdruck beaufschlagt und unter Verformung gefügt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem Bauteile, insbesondere Bauteile mit unterschiedlichen Wanddicken, auf einfache und kostengünstige Weise miteinander verschweißt werden können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem Bauteile, insbesondere Bauteile mit unterschiedlichen Wanddicken, auf einfache und kostengünstige Weise miteinander verschweißt werden können, ist erfindungsgemäß ein erster Schritt des Verfahrens vorgesehen, bei welchem der erste Teilbereich in Überdeckung mit dem zweiten Teilbereich angeordnet wird. In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird wenigstens ein Reibelement in Kontakt mit dem ersten Teilbereich bewegt. Darüber hinaus wird auf den ersten Teilbereich mittels des Reibelements ein Druck ausgeübt. Mit anderen Worten wird das Reibelement gegen den ersten Teilbereich gedrückt und in Kontakt mit dem ersten Teilbereich gehalten. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst darüber hinaus einen dritten Schritt, bei welchem eine Kaltverschweißung des ersten Teilbereichs mit dem zweiten Teilbereich bewirkt wird, indem das Reibelement zu dem ersten Teilbereich bewegt, insbesondere um eine Drehachse rotiert wird, wobei das Reibelement in Kontakt mit dem ersten Teilbereich gehalten wird. Dabei unterbleibt ein Durchdringen des ersten Teilbereichs durch das Reibelement. Mit anderen Worten durchdringt das Reibelement den ersten Teilbereich und auch den zweiten Teilbereich nicht. Dies bedeutet, dass im Rahmen des dritten Schritts vermieden wird, dass das Reibelement den ersten Teilbereich durchdringt.
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Durch Bewegen, insbesondere Rotieren, des Reibelements relativ zum ersten Teilbereich, während das Reibelement den ersten Teilbereich berührt, entsteht in einer Fügezone, in welcher die Bauteile beziehungsweise die Teilbereiche miteinander gefügt werden, Reibung. Durch diese Reibung entsteht eine Temperatur in der Fügezone, die zu einer Plastifizierung zumindest des Werkstoffs des ersten Bauteils führt. Durch den Druck, welcher durch das Reibelement auf den ersten Teilbereich ausgeübt wird, fließt der plastifizierte Werkstoff, das heißt plastifiziertes Material, in der Fügezone.
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Handelt es sich bei dem metallischen Werkstoff, aus welchem das erste Bauteil gebildet ist, beispielsweise um einen Aluminiumwerkstoff, so brechen Oxidschichten der Aluminiumoberfläche zumindest in der Fügezone auf, und eine Kaltverschweißung des Aluminiumwerkstoffs setzt sein.
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Gegenüber thermischen Verfahren, insbesondere Schweißverfahren, wie beispielsweise MIG-, Laser- und Plasmaschweißen, kann der Wärmeeintrag in die Bauteile sowie eine thermisch induzierte Gefügeumwandlung zumindest gering gehalten werden. Die beschriebene Plastifizierung des Werkstoffs, das heißt die plastische Verformung des Werkstoffs in der Fügezone, kann zur Kornfeinung und somit zu einer Werkstoffverbesserung führen. Darüber hinaus kann eine höhere Toleranz gegenüber unterschiedlichen Oberflächenzuständen (Gusshaut, Oxidschichten) zugelassen werden. Mit anderen Worten können die Teilbereiche auch dann miteinander verschweißt werden, wenn zumindest einer der Teilbereiche eine Oberfläche beziehungsweise einen Oberflächenzustand aufweist, die beziehungsweise der üblicherweise zum Schweißen ungeeignet ist. Dadurch kann das Verfahren besonders einfach, zeit- und kostengünstig durchgeführt werden.
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Das Verfahren ermöglicht insbesondere das Verschweißen eines Aluminiumbauteils mit einem Stahlbauteil. Mit anderen Worten ist es möglich, dass der metallische Werkstoff des ersten Bauteils beispielsweise Aluminium beziehungsweise eine Aluminiumlegierung ist, wobei der metallische Werkstoff des zweiten Bauteils beispielsweise ein Stahl ist. Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere, dünnwandige Aluminiumbleche mit Bauteilen, insbesondere Stahlbauteilen, mit demgegenüber größerer Wanddicke zeit- und kostengünstig zu verschweißen.
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Im Vergleich zum Reibrührschweißen ist das erfindungsgemäße Verfahren mit einer wesentlich weniger komplexen Anlagentechnik durchführbar. Darüber hinaus eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für dünnwandige Bleche. Darüber hinaus weist das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber dem Reibrührschweißen einen einfacheren Prozessablauf auf und kann schneller durchgeführt werden.
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Im Vergleich zum Widerstandspunktschweißen kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine wesentlich größere Bandbreite an Material- und Dickenpaarungen miteinander verschweißt werden. Mit anderen Worten ist es im Gegensatz zum Widerstandsschweißen möglich, auch Bauteile mit hoher Dickendifferenz miteinander zu verschweißen. Ferner ist es mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, Bauteile aus Materialien miteinander zu verschweißen, welche mittels des Widerstandspunktschweißens nicht verschweißt werden können.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die erste Wanddicke in einem Bereich von einschließlich 1 Millimeter bis einschließlich 1,5 Millimeter liegt. Bei dem ersten Bauteil kann es sich dabei um ein Blech, insbesondere ein Aluminiumblech, handeln, welches beispielsweise als Außenhaut für ein Fahrzeug verwendet wird. Die zweite Wanddicke kann beispielsweise in einem Bereich von einschließlich 3 Millimeter bis einschließlich 6 Millimeter liegen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Rotations-Reibquetschschweißen, bei welchem das Material in ersten Teilbereich durch Reibung plastifiziert wird. Jedoch durchdringt das Reibelement den ersten Teilbereich nicht.
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Das Reibelement ist beispielsweise als Stabelement beziehungsweise als Stift ausgebildet, wobei die Geometrie des Stifts auf die Materialstärken beziehungsweise Wanddicken und auf angestrebte Verbindungseigenschaften anzupassen ist. Auf die Erzeugung einer ebenen Oberfläche in der Fügezone kann verzichtet werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht durch zwei Bauteile mit unterschiedlicher Wanddicke, welche mittels Rotations-Reibquetschweißen miteinander verschweißt werden, wobei anhand von 1 eine erste Ausführungsform des Rotations-Reibquetschschweißens veranschaulicht ist;
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2a–b jeweils ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht durch die Bauteile während des Rotations-Reibquetschschweißens;
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3 eine schematische Seitenansicht einer Schweißanlage, mittels welcher das Rotations-Reibquetschschweißen gemäß der ersten Ausführungsform durchführbar ist;
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4 eine schematische Seitenansicht einer Schweißanlage, mittels welcher das Rotations-Reibquetschschweißen gemäß einer zweiten Ausführungsform durchführbar ist; und
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5a–e jeweils ausschnittsweise eine schematische Seitenansicht eines Reibelements zum Durchführen des Rotations-Reibquetschschweißens.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht ein erstes Bauteil 10 und ein zweites Bauteil 12, welche im Rahmen eines entsprechenden Verfahrens miteinander verschweißt werden. Bei diesem Verfahren handelt es sich um ein Rotations-Reibquetschschweißen, welches gemäß einer ersten Ausführungsform anhand von 1 bis 3 veranschaulicht wird. Das erste Bauteil 10 wird beispielsweise als Außenhaut eines Fahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens, verwendet.
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Das erste Bauteil 10 ist aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise Aluminium beziehungsweise einer Aluminiumlegierung gebildet und weist einen ersten Teilbereich 14 mit einer ersten Wanddicke d1 auf. Das zweite Bauteil 12 ist ebenfalls aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise einem Stahl, gebildet und weist einen zweiten Teilbereich 16 mit einer zweiten Wanddicke d2 auf. Aus 1 ist erkennbar, dass die zweite Wanddicke d2 wesentlich größer als die erste Wanddicke d1 ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass die zweite Wanddicke mindestens dreimal so dick und höchstens sechsmal so dick wie die erste Wanddicke d1 ist. Vorzugsweise ist die erste Wanddicke d1 kleiner als 2 Millimeter. Bei dem ersten Bauteil 10 handelt es sich beispielsweise um ein dünnes Aluminiumblech.
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Im Zuge des Verfahrens (Rotations-Reibquetschschweißens) werden die Bauteile 10 und 12 über die jeweiligen Teilbereiche 14 und 16 miteinander verschweißt, das heißt miteinander gefügt. Bei dem Verfahren wird – wie aus 1 erkennbar ist – der erste Teilbereich 14 in Überdeckung mit dem zweiten Teilbereich 16 angeordnet. Bezogen auf die Bildebene von 1 wird somit der ersten Teilbereich 14 auf den zweiten Teilbereich 16 gelegt.
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In einem zweiten Schritt des Verfahrens wird ein Reibelement in Form eines Stifts 18 in Stützanlage, das heißt in Kontakt mit dem ersten Teilbereich 14 bewegt. Der Stift 18 kann in Form eines geraden Kreiszylinders ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Stift 18 eine außenumfangsseitige Mantelfläche aufweisen, die der Form einer außenumfangsseitigen Mantelfläche eines geraden Kreiszylinders entspricht. Der Stift 18 weist eine Stirnseite 20 auf, über die der Stift 18 in Kontakt mit dem ersten Teilbereich 14 bewegt wird. Mit anderen Worten wird die Stirnseite 20 in Kontakt mit einer Oberfläche 22 des ersten Teilbereichs 14 bewegt.
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Im Rahmen des zweiten Schritts wird mittels des Stifts 18 ein Druck auf den ersten Teilbereich 14 ausgeübt. Mit anderen Worten wird die Stirnseite 20 gegen den Teilbereich 14 gedrückt, und der Stift 18 beziehungsweise seine Stirnseite 20 wird in Kontakt der Oberfläche 22 (Teilbereich 14) gehalten.
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Damit die Bauteile 10 und 12 diesem Druck nicht ausweichen können, wird beispielsweise ein in 1 nicht dargestellter Gegenhalter verwendet, mittels welchem die Bauteile 10 und 12 auf einer dem Stift 18 abgewandten Seite des zweiten Bauteils 12 abgestützt werden. Ein solcher Gegenhalter ist beispielsweise aus 3 erkennbar, wobei der Gegenhalter als Werkbank oder Werktisch ausgebildet und mit 24 bezeichnet ist.
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Bei dem Gegenhalter 24 kann es sich auch um ein weiteres Bauteil des Fahrzeugs handeln. Bei der ersten Ausführungsform ist somit eine einseitige Zugänglichkeit vorgesehen. Dies bedeutet, dass die Bauteile 10 und 12 lediglich von Seiten des ersten Werkstücks des Bauteils 10 zugänglich sind.
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In einem dritten Schritt des Verfahrens wird eine Kaltverschweißung des ersten Teilbereichs 14 mit dem zweiten Teilbereich 16 bewirkt, indem der Stift 18 relativ zu dem ersten Teilbereich bewegt wird, während der Stift 18 gegen den ersten Teilbereich 14 gedrückt wird. Vorliegend wird der Stift 18 mittels einer Antriebsspindel 26 um eine Drehachse gedreht, wie in 1 durch einen Richtungspfeil 28 veranschaulicht ist. Während des Drehens wird der Stift 18 in Kontakt mit dem ersten Teilbereich 14 gehalten. Im Rahmen des Verfahrens wird somit als Reibelement der rotierende Stift 18 verwendet. Durch das Rotieren des Stifts 18 relativ zum Teilbereich 14, während der Stift 18 in Kontakt mit dem Teilbereich 14 gehalten wird, entsteht Reibung.
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Durch diese Reibung wiederum entsteht eine Temperatur in einer Fügezone, in welcher die Teilbereiche 14, 16 miteinander verschweißt werden. Aus 2a ist erkennbar, dass diese Temperatur zu einer Plastifizierung der Werkstoffe der Bauteile 10 und 12 führt. Durch den Druck, welcher durch den rotierenden Stift 18 ausgeübt wird, fließt der jeweilige Werkstoff in der Fügezone. Mit anderen Worten kommt es zu einem in 2a durch Richtungspfeile veranschaulichten Materialfluss unter Druck und Temperatur, welche mittels des rotierenden Stifts 18 bewirkt werden.
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Aus 2b ist erkennbar, dass die Oxidschichten der Aluminiumoberflächen des ersten Bauteils 10 im Teilbereich 14 aufbrechen, so dass eine Kaltverschweißung des Aluminiumwerkstoffs einsetzt. In 2b ist die Fügezone mit 30 bezeichnet.
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3 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine im Ganzen mit 32 bezeichnete Schweißanlage zum Durchführen des Verfahrens. Die Schweißanlage 32 umfasst einen Roboter 34, an dessen terminaler Achse 36 die Antriebsspindel 26 als Endeffektor angeordnet ist. Mittels des Roboters 34 kann der Stift 18 mit einer Kraft F gegen das erste Bauteil 10 gedrückt werden, insbesondere, während der Stift 18 mittels der Antriebsspindel 26 rotiert wird.
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Wie aus 1 bis 3 erkennbar ist, unterbleibt ein Durchdringen des ersten Teilbereichs 14 und des zweiten Teilbereichs 16 durch den Stift 18. Mit anderen Worten wird der Stift 18 zwar gegen den ersten Teilbereich 14 gedrückt, während der Stift 18 rotiert wird, jedoch durchdringt der Stift 18 weder den ersten Teilbereich 14 noch den zweiten Teilbereich 16.
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4 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine mit 38 bezeichnete Schweißanlage, mittels welcher das Verfahren (Rotations-Reibquetschschweißen) gemäß einer zweiten Ausführungsform durchgeführt werden kann. Auch die Schweißanlage 38 umfasst einen Roboter 40, welcher nun jedoch als Endeffektor eine Zange 42 aufweist. Aus 4 ist erkennbar, dass die Zange 42 zumindest im Wesentlichen C-förmig beziehungsweise als C-Bogen ausgebildet ist. Die Rotationseinheit umfassend die Antriebsspindel 26 und den Stift 18 ist dabei in die Zange 42 integriert. Aus 4 ist erkennbar, dass die Zange 42 als Gegenhalter zum Abstützen der Bauteile 10 und 12 auf einer dem Stift 18 abgewandten Seite des zweiten Bauteils 12 verwendet wird. Die Schweißanlage 38 kommt beispielsweise dann zum Einsatz, wenn eine zweiseitige Zugänglichkeit der Bauteile 10 und 12 vorliegt.
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Aus 5a–e ist erkennbar, dass die Geometrie des rotierenden Stifts variiert und dadurch beispielsweise auf die Materialstärke und angestrebten Verbindungseigenschaften angepasst werden kann. In 5a–c ist durch jeweilige Richtungspfeile der Materialfluss beim Durchführen des Verfahrens veranschaulicht.
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Aus 5a ist erkennbar, dass die Stirnseite 20 des Stifts konvex ausgebildet sein kann. Aus 5b ist erkennbar, dass die Stirnseite 20 des Stifts 18 in einem Teilbereich 44 konkav und in jeweiligen, sich an den Teilbereich 44 anschließenden Teilbereichen 46 konvex ausgebildet sein kann. Bei den Teilbereichen 46 handelt es sich dabei um Randbereiche der Stirnseite 20, wobei der Teilbereich 44 ein zwischen den Teilbereichen 46 angeordneter Mittenbereich ist. Aus 5c ist erkennbar, dass die Stirnseite 20 alternativ auch eben ausgebildet sein kann.
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Anhand von 5d ist veranschaulicht, dass der Stift 18 einen Grundkörper 48 aufweist, welcher stirnseitig mit einer Beschichtung 50 versehen ist. Durch die Beschichtung 50 ist die Stirnseite 20 gebildet, die im Rahmen des Verfahrens in Kontakt beziehungsweise Stützanlage mit dem ersten Teilbereich 14 bewegt und gehalten wird. Die Beschichtung 50 wirkt als Verschleißschutzschicht, welche nach einem entsprechenden Verschleiß auf einfache Weise erneuert werden kann. Hierdurch kann vermieden werden, den gesamten Stift 18 austauschen zu müssen.
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Gemäß 5e umfasst der Stift 18 den Grundkörper 48 und eine Beschichtung 50, mit welcher der Grundkörper 48 stirnseitig versehen ist. Die Beschichtung 50 wirkt als Verschleißschutzschicht und ist beispielsweise eine Panzerung, welche beispielsweise eine Hartlegierung auf Kobalt-Chrom-Basis ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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