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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden einer Reibschweißverbindung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Bauteileverbund aus zwei Bauteilen, der nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
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Ein Verfahren zum Ausbilden einer Reibschweißverbindung zwischen zwei Bauteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der
DE 10 2007 043 600 A1 bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ausbilden einer Reibschweißverbindung zwischen zwei Bauteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass beim Ausbilden der Reibschweißverbindung die Eintauchbewegung eines ersten Bauteils in ein zweites Bauteil mit geringem Aufwand sehr genau gesteuert bzw. beeinflusst werden kann, vorzugsweise ohne aufwändige Messeinrichtungen bzw. Messverfahren, sowie ohne eine entsprechende Steuerung der Axialbewegung beispielsweise eines mit dem ersten Bauteil verbundenen Werkzeugkopfs.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zum Ausbilden einer Reibschweißverbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass beim Fügen der Bauteile die in Richtung der Drehachse verlaufende Vorschubbewegung der Bauteile durch wenigstens einen zwischen den beiden Bauteilen durch die beiden Bauteile ausgebildeten Anschlag begrenzt wird. Ein derartiger Anschlag bewirkt erfindungsgemäß, dass trotz der auf die Bauteile einwirkenden Axialkraft eine Relativverschiebung zwischen den beiden Bauteilen in der Fügezone lediglich solange möglich ist, bis der zwischen den beiden Bauteilen ausgebildete Anschlag seine Wirkung entfaltet. Insbesondere bewirkt der Anschlag ein Verhindern eines Eintauchens eines ersten Bauteils in ein zweites Bauteil über eine bestimmte Eintauchtiefe hinaus.
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Beim Reibschweißen wird ein erstes, um eine Drehachse rotierendes Bauteil während der Drehung mit einer Axialkraft gegen die Oberfläche eines zweiten Bauteils gepresst. Durch die Relativbewegung zwischen den beiden Bauteilen an den Bauteiloberflächen wird das Material wenigstens eines der beiden Bauteile erwärmt, bis dieses plastifiziert bzw. aufgeweicht wird. Wesentlich dabei ist, dass die Erwärmung des Materials der beiden Bauteile lediglich bis zu einer Temperatur erfolgt, die unterhalb des Schmelzpunktes des Materials der beiden Bauteile liegt. Durch die axiale Anpresskraft und die Plastifizierung des Materials dringt der dem plastifizierten Bauteil zugewandte Endbereich des einen höheren Schmelzpunkt aufweisenden Bauteils in das plastifizierte Material ein. Nach dem Beenden der Relativbewegung zwischen den beiden Bauteilen kühlt sich das Material im Bereich der Verbindungszone unter Erstarrung ab, so dass die beiden Bauteile miteinander verbunden sind und einen starren Bauteileverbund ausbilden. Vorteilhaft bei Reibschweißverfahren ist es, dass damit Bauteile oder Materialen miteinander verbunden werden können, die beispielsweise mittels eines Schmelzschweißverfahrens nicht miteinander verbunden werden können.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ausbilden einer Reibschweißverbindung sind in den Unteransprüchen angeführt. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die beim Ausbilden einer Reibschweißverbindung auftretenden Schweißwülste, die dadurch entstehen, dass plastifiziertes Material aus dem Bereich der Fügezone durch das in das plastifizierte Material eintauchende Bauteil verdrängt wird und sich in Art einer Schweißraupe nach dem Erstarren oberhalb der ursprünglichen Bauteiloberfläche des plasifizierten Bauteils ansammelt. Derartige Schweißwülste sind nicht nur aus optischer Sicht als nachteilhaft einzustufen, sondern haben darüber hinaus den Nachteil, dass sie hinsichtlich ihrer Geometrie ggf. die Funktionseigenschaften eines mit einer Reibschweißverbindung versehenen Bauteileverbunds negativ beeinflussen, da beispielsweise die Schweißwulst eine Verbindung bzw. Anordnung des Bauteileverbunds an/mit anderen Bauteilen erschwert oder verhindert.
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Daher ist es in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass während des Ausbildens der Reibschweißverbindung Material wenigstens eines der Bauteile eine Schweißwulst ausbildet, wobei das die Schweißwulst ausbildende Material in einen Freiraum verdrängt wird, der zwischen den beiden Bauteilen ausgebildet ist, derart, dass das Material der Schweißwulst innerhalb der Außenkontur der beiden Bauteile ist. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass zwar eine Schweißwulst ausgebildet wird, das Material der Schweißwulst jedoch dadurch, dass es innerhalb der Außenkontur der beiden Bauteile in einen Freiraum verdrängt wird, die äußere Geometrie des Bauteileverbunds nicht beeinflusst.
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Darüber hinaus ist es für die erfindungsgemäße Ausbildung des Anschlags zwischen den beiden Bauteilen wesentlich bzw. vorteilhaft, dass zunächst das Material der beiden Bauteile im Fügebereich erwärmt wird, und dass anschließend die beiden Bauteile den Anschlag ausbilden. Dadurch ist sichergestellt, dass nach dem Erwärmen der beiden Bauteile im Fügebereich eine Relativbewegung in Axialrichtung zwischen den beiden Bauteilen bzw. ein Eintauchen eines Bauteils in das plastifizierte Material des anderen Bauteils durch Aufbringen der Axialkraft ermöglicht wird.
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Ein weitere Problematik beim Reibschweißen besteht darin, dass je nach Anordnung bzw. Ausbildung der Bauteile eine Zentrierung der beiden Bauteile in Richtung der Drehachse nur relativ schwierig möglich ist, insbesondere wenn das in Rotation versetzte Bauteil eine relativ geringe Festigkeit bzw. Steifigkeit aufweist.
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Daher kann es in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen sein, dass die beiden Baueile durch das Material der sich bildenden Schweißwulst in der Drehachse zueinander zentriert werden. Dies findet erfindungsgemäß dadurch statt, dass das Material, welches die Schweißwulst bildet, in den Freiraum verdrängt wird und durch die Gestaltung des Freiraums es ermöglicht wird, auf die beiden Bauteile eine Kraft auszuüben, die ein Zentrieren der beiden Bauteile zueinander bewirkt.
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Besonders bevorzugt ist der Einsatz des Verfahrens bei Bauteilen, bei denen diese zumindest im Fügebereich aus unterschiedlichen Materialen bestehen. Derartige unterschiedliche Materialen weisen typischerweise unterschiedliche Schmelztemperaturen auf, wobei das die niedrigere Schmelztemperatur aufweisende Bauteil im Fügebereich plastifiziert wird.
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Die Erfindung umfasst auch ein Bauteileverbund aus zwei Bauteilen, der nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Erfindungsgemäß weist dieser Bauteileverbund zwischen den beiden Bauteilen einen durch die Bauteile ausgebildeten Axialanschlag auf.
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In einer ersten konstruktiven Umsetzung dieses Axialanschlags ist es vorgesehen, dass der Axialanschlag durch eine zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer Fügerichtung angeordnete Anschlagfläche an einem Bauteil gebildet ist, die mit einer Gegenfläche des anderen Bauteils zusammenwirkt. Ein derartiger Axialanschlag an den beiden Bauteilen lässt sich insofern besonders einfach und genau herstellen, als dass die beiden miteinander in Wirkverbindung angeordneten, den Axialanschlag ausbildenden Flächen zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der angesprochenen Fügerichtung zwischen den beiden Bauteilen angeordnet bzw. ausgebildet werden müssen. Derartige Geometrien lassen sich herstellungstechnisch besonders einfach an den Bauteilen herstellen.
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In alternativer Ausgestaltung des Axialanschlags kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass der Axialanschlag durch zwei kegelförmige, vorzugsweise gegengleiche Flächen an den beiden Bauteilen ausgebildet ist, deren Durchmesser in Richtung der Drehachse des einen Bauteils zu- bzw. abnimmt, wobei die beiden Flächen konzentrisch zur Drehachse des sich drehenden Bauteils angeordnet sind. Eine derartige Ausbildung des Axialanschlags hat insbesondere den Vorteil, dass die entsprechenden Flächen beispielsweise im Bereich einer Ausnehmung bzw. eines in die Ausnehmung eintauchenden Fortsatzes ausgebildet werden können, so dass ein Übergang zwischen den beiden Bauteilen im Bereich der Fügezone erzielbar ist, der im Wesentlichen ohne stufen- bzw. treppenartige Absätze auskommt.
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Zur Ausbildung der angesprochenen Axialanschläge ist es insbesondere vorgesehen, dass an einem Bauteil eine vorzugsweise sacklochförmige Ausnehmung ausgebildet ist, in die ein Teilabschnitt des anderen Bauteils hineinragt. Dadurch wird insbesondere, wie oben im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Verfahren erläutert, der Vorteil erzielt, dass zwischen den beiden Bauteilen ein Freiraum ausgebildet werden kann, der das Material der Schweißwulst aufnimmt und gleichzeitig der Zentrierung der beiden Bauteile dient.
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Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn der in die sacklochförmige Ausnehmung des Bauteils hineinragende Teilabschnitt des anderen Bauteils zumindest bereichsweise in Bezug zur Fügerichtung radial im Spiel in der Ausnehmung aufgenommen ist. Weiterhin ist zur Erzielung der angesprochenen Selbstzentrierung zwischen den beiden Bauteilen von besonderem Vorteil, wenn das radiale Spiel in Umfangsrichtung betrachtet gleich groß ausgebildet ist, d.h. ein ringförmiger Freiraum konstanter Breite (bezogen jeweils auf eine senkrecht zur Drehachse verlaufende Ebene) zwischen den beiden Bauteilen ausgebildet wird. Dadurch werden auf die beiden Bauteile Kräfte beim Reibschweißen erzeugt, die senkrecht zur Drehachse ausgerichtet sind und somit die gewünschte Selbstzentrierung in der Drehachse ermöglichen.
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Weiterhin ist es zur Erfüllung bzw. Ausbildung der angesprochenen Axialanschläge von Vorteil, wenn der in die Ausnehmung hineinragende Teilabschnitt im nichtgefügten Zustand der beiden Bauteile in Fügerichtung bzw. in Richtung der Drehachse eine Länge aufweist, die größer ist als ein axialer Abstand zwischen dem Anschlag und einem Bereich der Ausnehmung, der beim Fügen der Bauteile zunächst in Anlage mit dem Teilabschnitt gelangt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung:
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Diese zeigt in:
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1 und 2 jeweils im vereinfachten Längsschnitt, einen ersten erfindungsgemäßen Bauteileverbund vor und nach dem Ausbilden einer Reibschweißverbindung zwischen den Bauteilen und
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3 und 4 einen gegenüber den 1 und 2 abgewandelten Bauteileverbund vor und nach dem Verbinden der beiden Bauteile, ebenfalls jeweils im Längsschnitt.
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Gleiche Bauteile bzw. Bauteile mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In den 1 und 2 sind zwei Bauteile 1, 2 dargestellt, die im gefügten bzw. miteinander verbundenen Zustand einen Bauteileverbund 10 ausbilden. Der Bauteileverbund 10, bei dem die beiden Bauteile 1, 2 starr miteinander verbunden sind, wird durch eine zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 ausgebildete Reibschweißverbindung 11 ermöglicht, die in der 2 erkennbar ist. Das erste Bauteil 1 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine sacklochförmige Ausnehmung 12 mit einer Tiefe t und konstantem Durchmesser D auf. Die dem zweiten Bauteil 2 zugewandte Stirnseite 13 des Bauteils 1 bildet darüber hinaus eine Anschlagfläche 14 als Bestandteil eines Axialanschlags 15 aus.
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Das zweite Bauteil 12 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel rotationssymmetrisch bzw. zylindrisch ausgebildet und weist eine Längsachse 17 auf, die zum Fügen der beiden Bauteile 1, 2 fluchtend zur Längsachse 18 der Ausnehmung 12 angeordnet ist. Das zweite Bauteil 2 weist auf der dem ersten Bauteil 1 zugewandten Seite einen zylindrischen Fortsatz 19 mit einem Durchmesser d auf, wobei der Durchmesser d des Fortsatzes 19 kleiner ist als der Durchmesser D der Ausnehmung 12. Weiterhin weist der Fortsatz 19 eine Länge l auf, wobei die Länge l größer ist als die Tiefe t der Ausnehmung 12. An den Fortsatz 19 schließt sich auf der dem ersten Bauteil 1 abgewandten Seite ein Abschnitt 21 des Bauteils 2 an, der im dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls zylindrisch mit konstantem (größerem) Durchmesser ausgebildet ist. Die dem ersten Bauteil 1 zugewandte Stirnfläche 22 des zweiten Bauteils 2 bildet im Bereich des Abschnitts 21 eine Gegenfläche 23 für die Anschlagfläche 14 aus, so dass durch die Gegenfläche 23 und die Anschlagfläche 14 der erwähnte Axialanschlag 15 ausbildbar ist.
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Zum Fügen der beiden Bauteile 1, 2 ist es beispielhaft vorgesehen, dass das zweite Bauteil 2 um die Längsachse 17 entsprechend der Drehrichtung des Pfeils 24, beispielsweise mittels eines in Wirkverbindung mit dem zweiten Bauteil 2 angeordneten Werkzeugkopfes, drehbar verbunden ist. Weiterhin ist es zum Fügen der Bauteile 1, 2 vorgesehen, dass das zweite Bauteil 2 mit einer Axialkraft F, welche fluchtend zur Längsachse 17 ausgerichtet ist, in Richtung des ersten Bauteils 1 kraftbeaufschlagt ist. Das zweite Bauteil 2 ist auf der dem ersten Bauteil 1 gegenüberliegenden Seite durch eine entsprechende Auflage abgestützt (nicht dargestellt).
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Ergänzend wird erwähnt, dass es im Rahmen der Erfindung liegt, anstelle des zweiten Bauteils 2 das erste Bauteil 1 um die Längsachse 18 entsprechend zu drehen bzw. in Richtung des zweiten Bauteils 2 mit einer Axialkraft F zu beaufschlagen. Ebenso kann es vorgesehen sein, dass das erste und/oder zweite Bauteil 1, 2 um die entsprechende Längsachse 17, 18 gedreht wird, während das andere Bauteil 2, 1 mit der entsprechenden Axialkraft F kraftbeaufschlagt ist. Darüber hinaus ist es selbstverständlich denkbar, das zweite Bauteil 2 nicht nur in einer Richtung zu drehen, sondern oszillierend hin- und herdrehend.
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Die beiden Bauteile 1, 2 bestehen zumindest in dem in der 2 erkennbaren Fügebereich 25 aus unterschiedlichen Materialen, d.h., dass diese unterschiedliche Schmelztemperaturen aufweisen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass das Material des Bauteils 2, zumindest im Bereich des Fortsatzes 19, aus einem Material besteht, das eine niedrigere Schmelztemperatur aufweist als das Material des Bauteils 1 im Bereich der Ausnehmung 12.
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Beim Gegeneinanderbewegen der beiden Bauteile 1, 2 gelangt zunächst der Fortsatz 19 in Kontakt mit dem Grund 26 der Ausnehmung 12, wobei sich sowohl das erste Bauteil 1 als auch das zweite Bauteil 2, verursacht durch die Relativbewegung der beiden Bauteile 1, 2, erwärmt. Die Erwärmung erfolgt bis zu einer Temperatur, bei der das Material des zweiten Bauteils 2 im Bereich des Fortsatzes 19 plastifiziert wird. Daraufhin bewegt sich das zweite Bauteil 2 mit seinem Fortsatz 19 solange in Richtung des ersten Bauteils 1, bis die Gegenfläche 23 des Bauteils 2 in Wirkverbindung mit der Anschlagfläche 14 des ersten Bauteils 1 gelangt, wodurch der dadurch entstehende Axialanschlag 15 zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 ausgebildet wird.
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Das bei der Eintauchbewegung des Fortsatzes 19 in die Ausnehmung 12 plastifizierte und verdrängte Material sammelt sich in einem Ringspalt 27 zwischen der Ausnehmung 12 und dem Fortsatz 19 in Form einer Schweißwulst 28 an. Wesentlich dabei ist, dass durch die konzentrische Anordnung der Ausnehmung 12 zum Fortsatz 19 bei der Eintauchbewegung durch das Material der Schweißwulst 28 (solange das Material plastifiziert ist) eine Selbstzentrierung der beiden Bauteile 1, 2 in den beiden Längsachsen 17, 18 erfolgt. In der 2 ist der Zustand nach dem Erstarren des Materials der Schweißwulst 28 dargestellt. Insbesondere ist erkennbar, dass das Material der Schweißwulst 28 vollständig innerhalb des Ringraums 27 angeordnet ist, d.h. innerhalb der Außenkontur der Bauteile 1, 2 bzw. des Bauteileverbunds 10.
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Der in der 4 dargestellte Bauteileverbund 10a unterscheidet sich von dem Bauteileverbund 10 gemäß der 1 und 2 dadurch, dass im Bereich der Ausnehmung 12a des Bauteils 1a die innere Umfangsfläche 31 der Ausnehmung 12a auf der dem zweiten Bauteil 2a zugewandte Seite zumindest bereichsweise kegelförmig mit einem Winkel α versehen ist. Dadurch bildet die Umfangsfläche 31 der Ausnehmung 12a im kegelförmigen Bereich eine Zentrierfläche aus. Weiterhin weist das zweite Bauteil 2a an der Außenfläche 32 des Abschnitts 21a ebenfalls eine (gegengleiche) kegelförmige Fläche bzw. Form auf. Die Durchmesser der Ausnehmung 12a bzw. des Abschnitts 21a sind in den jeweils kegelförmig ausgebildeten Bereichen derart aufeinander abgestimmt, dass entsprechend der Darstellung der 4 beim Eintauchen des zweiten Bauteils 2a in die Ausnehmung 12a des ersten Bauteils 1a die beiden kegelförmigen Bereiche der beiden Bauteile 1a, 2a in Wirkverbindung miteinander gelangen und dadurch eine weitere Axialbewegung des Bauteils 2a in der Ausnehmung des Bauteils 1a durch den durch die Umfangsfläche 31 und die Außenfläche 32 ausgebildeten Axialanschlag 15a begrenzt wird.
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Ergänzend wird erwähnt, dass der Fortsatz 19a am Bauteil 2a eine Länge l aufweist, die geringer ist als die Tiefe t der Ausnehmung 12a. Nichtsdestotrotz gelangt auch bei dieser Ausführungsform zunächst der Fortsatz 19a in Wirkverbindung mit dem Grund der Ausnehmung 12a, bevor die beiden kegelförmig ausgebildeten Zentrier- bzw. Anschlagflächen an beiden Bauteilen 1a, 2a in Wirkverbindung miteinander gelangen.
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Die soweit beschriebenen Bauteileverbunde 10, 10a können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Insbesondere ist es nicht zwingend erforderlich, dass das zweite Bauteil 2a zylindrisch ausgebildet ist. Es ist lediglich erforderlich, das Bauteil 2a um eine entsprechende Drehachse drehen zu können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007043600 A1 [0002]
