DE102016214400B4

DE102016214400B4 - Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen wenigstens zweier Fügepartner mittels Rührreibschweißen

Info

Publication number: DE102016214400B4
Application number: DE102016214400.6A
Authority: DE
Inventors: Manuel Schuster
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-08-04
Filing date: 2016-08-04
Publication date: 2019-12-24
Anticipated expiration: 2036-08-05
Also published as: DE102016214400A1

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen wenigstens zweier Fügepartner mittels Rührreibschweißen, bei dem die Fügepartner jeweils wenigstens eine Fügekontur aufweisen, längs der die beiden Fügepartner kraftbeaufschlagt unter Ausbildung eines Fügestoßes in Wirkverbindung treten, in den ein rotierendes Werkzeugteil zumindest teilweise eindringt und längs dessen unter Ausbildung einer Stoffschlussverbindung, in die wenigstens ein separat zu beiden Fügepartnern bereitgestellter Zusatzstoff eingebracht wird, verfahren wird.Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass längs des Fügestoßes zwischen beiden Fügepartnern wenigstens abschnittweise eine strangprofilartig ausgebildete Fügekomponente eingebracht wird, in der der wenigstens eine Zusatzstoff enthalten ist, und dass das rotierende Werkzeugteil zur Ausbildung der Stoffschlussverbindung zumindest teilweise in die strangprofilartig ausgebildete Fügekomponente derart eindringt und längs dieser verfahren wird, so dass sich eine Stoffschlussverbindung zwischen der Fügekomponente und beiden Fügepartnern längs des Fügestoßes ausbildet.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen wenigstens zweier Fügepartner mittels Rührreibschweißen, bei dem die Fügepartner jeweils wenigstens eine Fügekontur aufweisen, längs der die beiden Fügepartner kraftbeaufschlagt unter Ausbildung eines Fügestoßes in Wirkverbindung treten. Zur Ausbildung einer Stoffschlussverbindung zwischen beiden Fügepartnern dringt ein rotierendes Werkzeugteil zumindest teilweise in den Fügestoß ein und wird längs diesem verfahren. Hierbei bildet sich eine Schweißverbindung aus, in die zusätzlich wenigstens ein separat zu beiden Fügepartner bereitgestellter Zusatzstoff eingebracht wird.
Stand der Technik
Die Fügetechnik des Rührreibschweißens ist ein Fügeverfahren, bei dem ein rotierendes, stiftförmiges Werkzeug zwischen zwei miteinander zu verbindenden Werkstücken bzw. Fügepartnern, die kraftbeaufschlagt längs eines gemeinsamen Fügestoßes gegenseitig eingespannt sind, entlanggeführt wird. Durch die Rotation des Werkzeuges bzw. Teilen des Werkzeuges und die unmittelbare Ineingriffnahme mit dem Material beider Fügepartner entsteht Reibungswärme, die zu einer Plastifizierung des Materials führt. Durch eine längs des Fügestoßes gerichtete Vorschubbewegung des Werkzeuges und dessen rotierende Bewegung wird das plastifizierte Material im Fügebereich vermischt, wodurch sich eine qualitativ hochwertige Schweißnaht ausbildet.
Das Rührreibschweißverfahren eignet sich insbesondere für das stoffschlüssige Fügen von Nichteisen-Metallen mit niedriger Schmelztemperatur, wie zum Beispiel Aluminium und Messing; aber auch Kupfer, Titan, Magnesium, Zink und Blei eignen sich als bevorzugte Materialien, aus denen die Fügepartner bestehen können.
Die industrielle Anwendung dieses Schweißverfahrens beschränkt sich bis heute fast ausschließlich auf metallische Werkstoffe. Aufgrund der sehr guten Schweißergebnisse und der branchenübergreifenden Anwendbarkeit konnte bei metallischen Werkstoffen deshalb eine hohe Akzeptanz in der Industrie erreicht werden.
Zwar gibt es weiterhin viele Forschungsvorhaben bezüglich des Rührreibschweißens von metallischen Werkstoffen, das Verfahren ist jedoch inzwischen soweit ausgereift, dass es bereits in automatisierten industriellen Prozessen erfolgreich eingesetzt wird. Das Rührreibschweißen von Kunststoffen wird hingegen kaum industriell eingesetzt, da der Prozess bisweilen noch nicht die notwendige Güte erreichen konnte und noch umfangreich erforscht werden muss.
Neben dem bloßen Verschweißen von Fügepartnern eignet sich das Rührreibschweißverfahren auch zum Einbringen von Zusatzstoffen in die Materialmatrix, der sich im Wege der Plastifizierung ausbildenden Stoffschlussverbindung zwischen beiden Fügepartnern. Auf diese Weise können die Eigenschaften des Werkstoffes im Fügebereich zwischen beiden Fügepartnern individuell konfektioniert werden.
In diesem Zusammenhang geht aus Druckschrift DE 10 2005 029 881 A1 eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Rührreibschweißen hervor, bei der über eine extra Zuführeinrichtung in unmittelbarer Nähe zum rotierenden Werkzeugteil des Rührreibschweißwerkzeuges ein Zugschlagstoff in den im Wege des Rührreibschweißverfahrens plastifizierten Materialbereich längs der Stoßkante beider Fügepartner eingebracht wird.
In einer weiteren Druckschrift DE 10 2014 115 535 B3 ist ein Rührreibschweißwerkzeug mit einem rotierenden Werkzeug beschrieben, das über eine axiale Förderschneckenstruktur verfügt, über die ein innerhalb des Rührreibschweißwerkzeuges zugeführter Zusatzwerkstoff, bspw. in Form eines Drahtes, Granulates oder eines teigigen oder flüssigen Werkstoffes, direkt in den plastifizierten Materialbereich längs des Fügestoßes zwischen beiden Fügepartnern zugeführt werden kann.
Aus JP 2004 - 261 859 A , JP 2000 - 094 159 A und JP 2000 - 317 652 A sind Rührreibschweißverfahren zum Fügen von Fügepartnern aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung bekannt, bei denen eine Fügekomponente mit beispelsweise T-förmigen Querschnitt in die Fügenaht eingelegt wird, um dem beim Rührreibschweißen auftretenden Materialschwund entgegenzuwirken.
Zum gleichen Zweck wird in US 7 455 212 B2 und in DE 10 2010 032 402 A2 vorgeschlagen, einen flachen Materialstreifen aus demselben Material wie die Fügepartner auf die Fügenaht zu legen.
In US 2011 / 0 076 419 A1 dient ein auf die Fügenaht gelegter Materialstreifen aus demselben Material wie die Fügepartner dazu, einen direkten Kontakt der Auflagefläche des Rührreibschweißwerkzeuges, und damit unerwünschte grobkörnige Kristallstrukturen, zu vermeiden.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen wenigstens zweier Fügepartner mittels Rührreibschweißen, bei dem die Fügepartner jeweils wenigstens eine Fügekontur aufweisen, längs der die beiden Fügepartner kraftbeaufschlagt unter Ausbildung eines Fügestoßes in Wirkverbindung treten, in den ein rotierendes Werkzeugteil zumindest teilweise eindringt und längs dessen unter Ausbildung einer Stoffschlussverbindung, in die wenigstens ein separat zu beiden Fügepartner bereitgestellter Zusatzstoff eingebracht wird, verfahren wird, derart weiterzubilden, so dass zum einen die Robustheit des Verfahrens verbessert werden soll, das heißt auftretende Störungen, die beispielsweise durch eine diskontinuierliche oder unterbrechungsbehaftete Zusatzstoffzuführung bedingt sein können, vollständig auszuschließen. Zum anderen gilt es den Grad der Automatisierung zur Durchführung des Rührreibschweißverfahrens zu verbessern und Voraussetzungen dafür zu schaffen, den Aufwand zur gegenseitig räumlichen Ausrichtung und Positionierung der jeweils miteinander zu fügenden Fügepartnern zu reduzieren. So soll es insbesondere möglich sein, dreidimensionale Fügepartner ohne aufwändige Positionier- und Haltevorrichtungen, vorzugsweise automatisiert, im Wege des Rührreibschweißverfahrens dauerhaft zu fügen. Die lösungsgemäßen Maßnahmen sollen insbesondere auch zur Verbesserung der Fügequalität der sich ausbildenden Stoffschlussverbindung zwischen beiden Fügepartnern beitragen.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken in vorteilhafter Weise ausbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Lösungsgemäß ist ein Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen wenigstens zweier Fügepartner mittels Rührreibschweißen gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 derart weitergebildet, so dass längs des Fügestoßes zwischen beiden Fügepartnern wenigstens abschnittsweise eine strangprofilartig ausgebildete Fügekomponente eingebracht wird, in der wenigstens ein Zusatzstoff enthalten ist. Die Fügepartner sowie die Fügekomponente bestehen jeweils aus einem Kunststoffmaterial, umfassend faser-, partikel- oder unverstärkte Kunststoffe. Als strangprofilartig ausgebildete Fügekomponente wird ein als Meterware hergestelltes Formteil oder ein ringförmiges Formteil verwendet, das aus einem gleichen oder unterschiedlichen Grundmaterial gefertigt wird aus dem wenigstens einer der beiden Fügepartner besteht. Der wenigstens eine Zusatzstoff ist in fester Form als integraler Bestandteil in einer aus dem Grundmaterial gebildeten Materialmatrix der Fügekomponente enthalten. Der wenigstens eine Zusatzstoff ist in Form von Partikeln, Fasern, Spänen, Stäuben in der Materialmatrix gleichverteilt oder räumlich konzentriert enthalten. Zur Ausbildung der Stoffschlussverbindung dringt zumindest teilweise das rotierende Werkzeugteil in die strangprofilartige ausgebildete Fügekomponente ein und wird derart längs dieser verfahren, so dass sich eine Stoffschlussverbindung zwischen der Fügekomponente und beiden Fügepartnern längs des Fügestoßes ausbildet.
Das lösungsgemäße Verfahren unterscheidet sich von der bisherigen, gattungsgemäßen bekannten Praxis einer kontinuierlichen, prozesssynchronen Zuführung wenigstens eines Zusatzstoffes parallel zur Bewegung des Rührreibschweißwerkzeuges relativ zu beiden Fügepartner dadurch, dass der wenigstens eine Zusatzstoff innerhalb der strangprofilartig ausgebildeten Fügekomponente fest gebunden ist, wobei die Fügekomponente vor der Durchführung des eigentlichen Rührreibschweißverfahrens fest und stationär zwischen beiden zu fügenden Fügepartnern angeordnet wird. In erster Linie dient die Fügekomponente somit als eine Art Träger für den wenigstens einen Zusatzstoff, wobei der Träger inklusiver Zusatzstoff zwischen beiden Fügepartnern fest angeordnet wird. Auf diese Weise ist es nicht mehr erforderlich, den Zusatzstoff während des Rührreibschweißprozesses in dynamisch nachführender Weise bereitzustellen, wodurch eine Vielzahl von prozesstechnischen Schwierigkeiten vermieden wird. Durch die Vorkonfektionierung der Fügekomponente im Vorfeld zum eigentlichen Reibschweißprozess können die Art, Verteilung und Konzentration des wenigstens einen Zusatzstoffes innerhalb der sich im Rahmen des Rührreibschweißprozesses ausbildenden Stoffschlussverbindung zwischen beiden Fügepartner exakt festgelegt werden.
Vorzugsweise besteht die Fügekomponente aus einem Grundmaterial, das einer Trägermatrix für den wenigstens einen Zusatzstoff entspricht, wobei das Grundmaterial mit dem Grundmaterial aus dem der wenigstens eine Fügepartner gefertigt ist, identisch ist. Häufig bestehen die zwei zu fügenden Fügepartner aus gleichem Material, so dass das Grundmaterial der Fügekomponente dem Material beider Fügepartner entspricht. Selbstverständlich können die Fügekomponente sowie auch die Fügepartner aus unterschiedlichen Grundmaterialien bestehen, die jedoch derart aufeinander abzustimmen sind, so dass sich im Wege des Rührreibschweißverfahrens eine belastbare Stoffschlussverbindung ausbildet.
Im Falle des Fügens zweier aus nicht erfindungsgemäßen metallischen Werkstoffen bestehenden Fügepartner kann der wenigstens eine geeignet ausgewählte Zusatzstoff dazu dienen, die sich durch den Rührreibschweißprozess ausbildende Stoffverbindung bezüglich bestimmter physikalischer und/oder chemischer Eigenschaften zu optimieren, wie beispielsweise eine verbesserte Korrosionsfestigkeit, höhere Dichte, bessere Materialhomogenität, gezielte lokale unterschiedliche Materialfestigkeiten bzw. Materialelastizitätseigenschaften etc.. Auch und vor allem im Falle des Fügens zweier aus thermoplastischem Kunststoffmaterial bestehenden Fügepartnern lassen sich die stofflichen Eigenschaften der sich im Rahmen des Rührreibschweißverfahrens ausbildenden Stoffschlussverbindung durch die Zugabe geeignet ausgewählter Zusatzstoffe zielgerichtet konfektionieren.
Handelt es sich beispielsweise um Fügepartner aus faserverstärktem Kunststoff, so eignet sich in besonders vorteilhafter Weise eine, gegenüber dem Faseranteil beider Fügepartnern mit erhöhtem Faseranteil versetzte, gleichsam aus faserverstärkten Kunststoff bestehende Fügekomponente dafür, um zwischen beiden Fügepartnern einen weitgehend homogenen oder erforderlichen erhöhten Faseranteil längs des Fügebereiches zu realisieren. Auf diese Weise lässt sich eine im Verhältnis zur Festigkeit beider Fügepartner zumindest weitgehend ungeschwächte Fügeverbindung zwischen beiden Fügepartnern herstellen.
Selbstverständlich gilt es, die Wahl des wenigstens einen Zusatzstoffes innerhalb der Fügekomponente derart vorzunehmen, so dass sich möglichst wunschgemäße physikalische und chemische Fügeverbindungs-Eigenschaften zwischen beiden Fügepartnern einstellen. Grundsätzlich lassen sich Zusatzstoffe in Form von Partikeln, Fasern, Spänen, Stäuben in die Materialmatrix bzw. das Grundmaterial der Fügekomponente gleich verteilt oder räumlich konzentriert einbringen.
Neben der vorstehend erläuterten Trägermatrixfunktion der Fügekomponente für wenigstens einen Zusatzstoff, durch den sich die stofflichen und damit verbunden physikalischen Eigenschaften der sich im Wege des Rührreibschweißprozesses ausbildenden Stoffschlussverbindung konfektionieren lassen, dient die Fügekomponente darüber hinaus auch als mechanische Positionier- und Haltervorrichtung für beide Fügepartner. Die strangprofilartig ausgebildete Fügekomponente weist hierzu in einer einfachsten Ausführungsform zwei voneinander räumlich getrennte Fügebereiche auf, auf die die jeweilige Fügekontur eines Fügepartners zur Anlage gebracht werden kann. In einem einfachsten Ausführungsbeispiel verfügen beide miteinander zu verbindende Fügepartner über eine rechteckig ausgebildete Fügekontur mit jeweils einer sich gegenüberliegend angeordneten Stirnseite, zwischen denen eine im Querschnitt rechteckförmige, strangprofilartig ausgebildete Fügekomponente platziert ist. Vor dem Durchführen des Rührreibschweißprozesses werden beide Fügepartner längs ihrer sich gegenüberliegenden Stirnkanten fest eingespannt, wobei sich die strangprofilartig ausgebildete Fügekomponente in Art eines Inserts zwischen beiden Stirnseiten befindet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Fügekomponente wenigstens einen Fügebereich, vorzugsweise zwei Fügebereiche auf, die mit der Fügekontur jeweils eines Fügepartners eine Formschlussverbindung ermöglicht. Hierzu umfasst die Fügekomponente die Fügekontur jeweils eines Fügepartners zumindest teilweise, beispielsweise in Art einer Feder-Nut-Verbindung, so dass die Fügekomponente eine stabile mechanische Verbindung zwischen beiden Fügepartnern auch vor dem Schweißprozess herzustellen vermag. Alternativ hierzu ist es möglich, die Fügekonturen beider Fügepartner entsprechend auszubilden, so dass diese die Fügekomponente beidseitig formschlüssig zu umfassen vermögen. Eine derartige aufeinander abgestimmte Formgebung zwischen den Fügepartnern und der Fügekomponente zur Ausbildung einer selbst tragenden Formschlussverbindung ermöglicht eine erhebliche Erleichterung in der Durchführung automatisierter Rührreibschweißprozesse, insbesondere beim Fügen dreidimensionaler Fügepartner.
Die Gestaltung sowie auch Herstellung einer lösungsgemäß ausgebildeten Fügekomponente sind vielfältig und in Abhängigkeit von Form und gewähltem Grundmaterial bzw. Matrixmaterial für die Fügekomponente beispielsweise im Wege einfacher Fertigungsmethoden wie beispielsweise Spritzguss-, Strangpress- oder Strangziehverfahren möglich. Auf diese Weise lassen sich individuell angepasste Querschnittskonturen für die Fügekomponente kostengünstig und in einem industriellen Maßstab fertigen. Darüber hinaus kann im Rahmen dieser Herstellungsprozesse die Zugabe einzelner oder einer Vielzahl bestimmt ausgewählter Zusatzstoffe in das Grundmaterial der Fügekomponente vorgenommen werden, die wiederum über den Rührreibschweißprozess ihren Weg in die vorgesehene Fügeverbindung zwischen beiden Fügepartnern finden. Dies alles trägt zu verbesserten Materialeigenschaften und Festigkeitswerten bei der Herstellung der im Rahmen des Rührreibschweißverfahrens gewonnenen Schweißnähte bei.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer lösungsgemäß ausgebildeten Fügekomponente sieht wenigstens einen Profilabschnitt an der Fügekomponente vor, der im Rahmen des Rührreibschweißprozesses unbehelligt bleibt, das heißt der Profilabschnitt ist derart angeordnet, dass er keine bzw. keine nennenswerte thermische Erweichung sowie auch stoffliche Durchmischung mit beiden Fügepartnern während des Schweißprozesses erfährt und somit nach Durchführung des Schweißprozesses als Profilabschnitt bestehen bleibt. Eben dieser wenigstens eine, einstückig mit der sich ausbildenden Stoffschlußverbindung verbundene und den Fügestoß vorzugsweise seitlich überragende, Profilabschnitt dient vorzugsweise als Führungsschulter zum Abstützen und Führen des Rührreibschweißwerkzeuges bei der Durchführung des Rührreibschweißprozesses. In einer vorteilhaften Prozessführung bietet es sich darüber hinaus an, das zur Durchführung des Rührreibschweißprozesses eingesetzte Rührreibschweißwerkzeug individuell zu dessen Abstützung bzw. maßhaltigen Führung längs des Profilabschnittes durch Vorsehen einer zum Profilabschnitt gegenkonturierten Ausnehmung auszugestalten, wie dies aus einigen der nachstehenden illustrierten Ausführungsbeispiele zu entnehmen ist.
Darüber hinaus eröffnet sich durch Vorsehen des wenigstens einen Fügestoßes die Möglichkeit der Integration in oder der oberflächigen Adaption an den überragenden Profilabschnitt wenigstens eines technischen Funktionselementes, beispielsweise in Form eines elektrischen Kabels, Aktor- und/oder Sensorsystems.
Das lösungsgemäße Verfahren zur Durchführung eines Rührreibschweißprozesses ermöglicht durch ein kontrolliertes Einbringen wenigstens eines festen Zusatzstoffes in die Bearbeitungszone des Rührreibschweißprozesses mittels der lösungsgemäß vorkonfektionierten Fügekomponente einen unmittelbaren Einfluss auf die Qualität der sich zwischen beiden Fügepartnern ausbildenden Stoffschlussverbindung zum Beispiel in Hinblick auf die elektrische Leitfähigkeit, Dichte, Festigkeitseigenschaften, Wärmeleitfähigkeit, chemische Beständigkeit, thermische Beständigkeit, ferromagnetische Charakteristik sowie weitere mechanische Eigenschaften. Alle genannten Vorteile sind zudem prozesstechnisch einfach, sicher und kostengünstig realisierbar, zumal die strangprofilartig ausgebildete Fügekomponente einfach herstellbar und aufgrund standardisierter Herstellungsverfahren auch bei großen Stückzahlen kostengünstig herzustellen ist. Für kleinere Stückzahlen können die Fügekomponenten mittels Drehen und Fräsen gleichsam wirtschaftlich hergestellt werden.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

1 Anordnung eines Rührreibschweißwerkzeuges zur Durchführung eines Rührreibschweißvorganges zwischen zwei plattenförmigen Fügepartnern und einer zwischenliegenden, oberflächenbündigen Fügekomponente,
2 Darstellung verschiedener Ausführungsformen für Fügekom ponenten,
3a, 3b, 4a, 4b, 5, 6 Darstellung eines Rührreibschweißwerkzeuges zur Durchführung eines Rührreibschweißvorganges zwischen zwei Fügepartnern mit unterschiedlich konfektionierten, zwischenliegenden Fügekomponenten sowie
7 Darstellung zur Vermeidung der Ausbildung so genannter Endkrater bei der Beendigung eines Rührreibschwei ßprozesses

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In 1 sind zwei plattenförmig ausgebildete Fügepartner 1, 2, jeweils in Querschnittsdarstellung illustriert. Die Fügepartner 1, 2 weisen jeweils eine rechteckförmig ausgebildete Fügekontur mit jeweils sich gegenüberliegend angeordneten Fügestirnseiten 1', 2' auf. Zwischen den Stirnseiten 1', 2' der Fügepartner 1, 2 ist eine im Querschnitt rechteckförmig ausgebildete, strangprofilartige Fügekomponente 3 eingebracht, die zwei räumlich voneinander getrennte Fügebereiche 31, 32 aufweist, auf die jeweils eine der beiden Fügestirnseiten 1', 2' der Fügepartner 1, 2 zur Anlage gebracht werden. Beide Fügepartner 1, 2 sowie die zwischen beiden Fügepartnern 1, 2 eingebrachte Fügekomponente 3 sind kraftbeaufschlagt gegeneinander eingespannt.
Zur Durchführung des Rührreibschweißverfahrens taucht ein rotierendes Werkzeugteil 4 in die zwischen beiden Fügepartnern 1, 2 eingebrachte Fügekomponente 3 ein. Das rotierende Werkzeugteil 4 wird längs der Fügekomponente 3 zwischen beiden Fügepartner 1, 2, d.h. im dargestellten Fall der 1 orthogonal zur Zeichenebene verfahren. Zum Schutz sowie zur Handhabung ist um das rotierende Werkzeugteil 4 ein stationäres, d.h. nicht rotierendes Rührreibschweißwerkzeuggehäuse G angeordnet, das an der planen Oberfläche beider Fügepartner 1, 2 im an den Fügebereich angrenzenden Bereich aufliegt.
Die Form, Größe und Anordnung der zwischen beiden Fügepartnern 1, 2 befindlichen Fügekomponente 3 sind derart gewählt, so dass die Fügekomponente 3 durch die rotierende, reibschlüssige Ineingriffnahme des Werkzeugteils 4 erhitzt und vollständig in einen plastifizierten Zustand überführt wird. Im Wege konvektiver Wärmeübertragung auf die unmittelbar beidseitig an der Fügekomponente 3 angrenzenden Fügepartner 1, 2 werden diese längs ihrer rechteckförmig ausgebildeten Fügekonturen 1', 2' ebenfalls erhitzt und erfahren eine Plastifizierung, so dass sich eine stoffschlüssige Schweißverbindung zwischen beiden Fügepartnern 1, 2 über die zwischenliegende, plastifizierte Fügekomponente 3 ausbildet.
Die strangprofilartig ausgebildete Fügekomponente 3 besteht vorzugsweise aus dem gleichen Grundmaterial, aus dem die Fügepartner 1, 2 gefertigt sind. In lösungsgemäßer Weise ist zusätzlich in das Grund- bzw. Matrixmaterial der Fügekomponente 3 wenigstens ein Zusatzstoff beigemischt, durch den die sich zwischen beiden Fügepartnern 1, 2 ausbildende Stoffschlussverbindung in ihren physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften beeinflussbar ist.
In 2 sind einige Ausführungsformen für mögliche strang- oder ringprofilartige Fügekomponenten 3 dargestellt. Die dargestellten Fügekomponenten 3 unterscheiden sich u.a. in ihrer Querschnittsform. Je nach Ausbildung der Fügepartner sind ringförmige, gerade oder gekrümmt verlaufende Fügekomponenten 3 möglich. Insbesondere zu Zwecken einer gegenseitigen Fixierung zweier Fügepartner (1, 2) vor und während der Durchführung des Rührreibschweißprozesses eignen sich Fügekomponenten (3) mit geeignet ausgebildeten Fügekonturen (31, 32, 33, 34, siehe 3a, 4a), in die die Fügepartner (1, 2) unter Ausbildung einer Formschlußverbindung, bspw. in Art einer Nut-Feder-Verbindung fügbar sind.
In 3a ist eine bevorzugte Variante für eine geometrische Ausbildung der Fügekomponente 3 illustriert, die zwischen beiden Fügepartner 1, 2 eingefügt ist. Die Fügekomponente 3 weist einen T-förmigen Querschnitt auf, und ermöglicht somit beiden Fügepartnern 1, 2 eine zusätzliche Auflage bzw. Unterstützung längs zweier Profilabschnitte 3', 3", die den Bereich des Fügestoßes 5 jeweils lateral überragen.
Auf diese Weise dient die in 3a illustrierte Fügekomponente 3 neben ihrer eigentlichen Funktion als Materialreservoir für den wenigstens einen Zusatzstoff auch als Trag- bzw. Unterstützungstruktur für beide Fügepartner 1, 2, deren Fügestirnseiten 1', 2' jeweils in den Fügekonturen 31, 32 der Fügekomponente 3 formschlüssig vor und während der Durchführung des Rührreibschweißprozesses anliegen.
Die den Fügestoß 5 seitlich bzw. lateral überragenden Profilabschnitte 3', 3" erfahren aufgrund ihrer räumlichen Entfernung zum Ort des Reibschweißprozesses keine oder keine wesentliche Plastifizierung und tragen somit auch nicht zur Ausbildung der sich zwischen beiden Fügepartnern 1, 2 ausbildenden Stoffschlußverbindung bei. Dies ermöglicht in einer bevorzugten Ausführungsform ein zusätzliches Vorsehen wenigstens eines technischen Funktionselementes 6 innerhalb wenigstens eines Profilabschnittes 3", wie dies in 3b illustriert ist. Es sei in Zusammenhang erwähnt, dass längs des Profilabschnittes 3" ein elektrisch leitender Draht 6 integriert ist. Selbstverständlich ist es möglich auch weitere technische Funktionselemente, beispielsweise in Form von Aktoren, Sensoren, etc. innerhalb der entsprechenden Bereiche der Profilabschnitte 3', 3" vorzusehen.
4a zeigt ein Ausführungsbeispiel betreffend eine Fügekomponente 3 mit einem doppel-T-förmigen Strangprofilquerschnitt, wobei die Fügekomponente 3 aufgrund ihrer Doppel-T-Struktur jeweils die Fügekonturen 1', 2' beider Fügepartner 1, 2 stirnseitig zu umfasst und somit mit beiden Fügepartnern 1, 2 eine Formschlussverbindung eingeht. Die Doppel-T-Struktur der Fügekomponente 3 ermöglicht eine raumstabile Positionierung sowie auch Befestigung beider Fügepartner 1, 2 im Vorfeld zur Durchführung des Rührreibschweißverfahrens und bietet sich insbesondere für das Fügen dreidimensional geformter Fügepartner 1, 2 an, die im Wege eines automatisierten Rührreibschweißverfahrens miteinander zu fügen sind.
Darüber hinaus weist das in 4a illustrierte Rührreibschweißwerkzeuggehäuse G eine an die obere Außenkontur der Fügekomponente 3 angepasste Ausnehmung 7 auf, durch die das Rührreibschweißwerkzeug 4 längs des oberen Bereiches der Fügekomponente 3 abgestützt und formschlüssig sicher geführt werden kann, wodurch eine exakte Schweißwerkzeugführung längs beider Fügepartner 1, 2 möglich wird.
In 4b ist ein weiteres Ausführungsbeispiel in einer perspektivischen Querschnittsdarstellung gezeigt. Wiederum weist die Fügekomponente 3 eine Doppel-T-Querschnittsstruktur auf, in deren Fügebereiche 33, 34 die Fügestirnseiten 1', 2' der Fügepartner 1, 2 seitlich einmünden. Das rotierende Werkzeugteil 4 weist einen in den Zwischenraum zwischen beiden Fügepartnern 1, 2 hineinreichenden Werkzeugstift 4' auf, der radial von einer ebenfalls rotierenden Werkzeugschulter 4" umgeben ist, die an der Oberfläche der Fügekomponente 3 reibkraftbeaufschlagt aufliegt. Das das rotierende Werkzeugteil 4 radial umgebende, stationäre Rührreibwerkzeuggehäuse G stützt sich an der Oberfläche der Fügekomponente 3 ab.
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Realisierung einer Stoffschlussverbindung zwischen zwei Fügepartnern 1 und 2 im Wege des Rührreibschweißverfahrens illustriert. In diesem Fall sind beide miteinander zu fügenden Fügepartner 1, 2 orthogonal zueinander angeordnet. Zum Fügen ist eine entsprechend an die Konstellation der Fügekonturen 1', 2' angepasste Fügekomponente 3 vorgesehen, die den horizontal orientierten Fügepartner 2 mittels eines lateral überragenden Profilabschnittes 3" abstützt. Der vertikal angeordnete Fügepartner 1 stößt seitlich an die Fügekomponente 3 an. In diesem Fall dient die Fügekomponente 3 lediglich als Träger für einen Zusatzstoff, hingegen vermag die Fügekomponente 3 beide Fügepartner 1, 2 nicht oder nur ungenügend fest relativ zueinander zu positionieren.
In 6 hingegen ist ein Ausführungsbeispiel für eine strangprofilartig ausgebildete Fügekomponente 3 dargestellt, die zwei orthogonal zueinander orientierte Fügepartner 1, 2 jeweils im Wege einer Federnutverbindung raumstabil zu positionieren vermag. Darüber hinaus weist das stationäre Rührreibwerkzeuggehäuse G eine an die obere Kontur der Fügekomponente 3 angepasste Ausnehmung 7 auf, durch die das Rührreibschweißwerkzeug exakt längs der Fügekomponente geführt werden kann.
Bei der Herstellung einer endlos umlaufenden Schweißnaht, wie sie beispielsweise beim Verbinden zweier ringförmiger Fügepartner 1, 2 auftritt, tritt das Problem auf, dass beim Vervollständigen der Schweißnaht das Rührreibschweißwerkzeug aus dem Fügebereich herausgeführt werden muß, wobei sich eine Art „Endkrater“ längs der Schweißnaht ausbildet. Ein derartiger Endkrater schwächt jedoch die Fügeverbindung und ist somit grundsätzlich unerwünscht. In 7 ist eine Maßnahme illustriert, mit der eine so genannte Endkraterbildung beim Fertigstellen einer Rührreibschweißfügung vermieden werden kann. Es sei angenommen, dass die zwei ringförmig ausgebildeten Fügepartner 1, 2 über eine Fügekomponente 3 verbunden sind, wie sie auch in vergleichender Form in 2 illustriert ist. Zusätzlich weist die Fügekomponente 3 einen seitlichen Abschnitt 8 auf, der sich in den Oberflächenbereich des Fügepartners 1 erstreckt und einen orthogonal zur Umfangsrichtung beider Fügepartner 1, 2 orientierten Überstand Ü aufweist. Zu Zwecken des Beendens des Rührreibschweißprozesses wird das rotierende Werkzeugteil 4 ohne Erzeugung eines Endkraters längs des Fügestoßes in den seitlichen Abschnitt 8 überführt. Hierbei wird das rotierende Werkzeugteil 4 gegenüber beiden Fügepartnern 1, 2 derart angehoben, so dass eine Beschädigung insbesondere des Fügepartners 1 bei einem seitlichen Wegführen des Werkzeugteils 4 über den seitlichen Abschnitt 8 unterbleibt. Auf diese Weise kann der Endkrater aus der eigentlichen Schweißzone entfernt bzw. vollständig vermieden werden, wodurch die mechanischen Eigenschaften des gesamten, gefügten Bauteils signifikant verbessert werden können.
Bezugszeichenliste

1,2: Fügepartner
1', 2': Fügekontur bzw. Fügestirnseite jeweils eines Fügepartners
3: Fügekomponente
3', 3": Profilabschnitt
31, 32: Fügebereich seitens der Fügekomponente
33, 34: Fügebereich seitens der Fügekomponente
4: rotierendes Werkzeugteil
5: Fügestoß
6: Funktionselement
7: Ausnehmung
8: Seitlicher Abschnitt
G: Rührreibschweißwerkzeuggehäuse
Ü: Überstand

Claims

Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen wenigstens zweier Fügepartner (1, 2) mittels Rührreibschweißen, bei dem die Fügepartner (1, 2) jeweils wenigstens eine Fügekontur (31, 32) aufweisen, längs der die beiden Fügepartner (1, 2) kraftbeaufschlagt unter Ausbildung eines Fügestoßes (5) in Wirkverbindung treten, in den ein rotierendes Werkzeugteil (4) zumindest teilweise eindringt und längs dessen unter Ausbildung einer Stoffschlussverbindung, in die wenigstens ein separat zu beiden Fügepartnern (1, 2) bereitgestellter Zusatzstoff eingebracht wird, verfahren wird, dadurch gekennzeichnet, dass längs des Fügestoßes (5) zwischen beiden Fügepartnern (1, 2) wenigstens abschnittweise eine strangprofilartig ausgebildete Fügekomponente (3) eingebracht wird, in der der wenigstens eine Zusatzstoff enthalten ist, dass die Fügepartner (1, 2) sowie die Fügekomponente (3) jeweils aus einem Kunststoffmaterial, umfassend faser-, partikel- oder unverstärkte Kunststoffe, bestehen, dass als strangprofilartig ausgebildete Fügekomponente (3) ein als Meterware hergestelltes Formteil oder ein ringförmiges Formteil verwendet wird, das aus einem gleichen oder unterschiedlichen Grundmaterial gefertigt wird aus dem wenigstens einer der beiden Fügepartner (1, 2) besteht, dass der wenigstens eine Zusatzstoff in fester Form als integraler Bestandteil in einer aus dem Grundmaterial gebildeten Materialmatrix der Fügekomponente (3) enthalten ist, dass der wenigstens eine Zusatzstoff in Form von Partikeln, Fasern, Spänen, Stäuben in der Materialmatrix gleichverteilt oder räumlich konzentriert enthalten ist, und dass das rotierende Werkzeugteil (4) zur Ausbildung der Stoffschlussverbindung zumindest teilweise in die strangprofilartig ausgebildete Fügekomponente (3) derart eindringt und längs dieser verfahren wird, so dass sich eine Stoffschlussverbindung zwischen der Fügekomponente (3) und beiden Fügepartnern (1, 2) längs des Fügestoßes (5) ausbildet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die strangprofilartig ausgebildete Fügekomponente (3) derart ausgebildet und zwischen beiden Fügepartnern (1, 2) angeordnet wird, so dass die Fügekomponente (3) wenigstens zwei räumlich getrennte und voneinander beabstandete Fügebereiche (31, 32) aufweist, auf die jeweils die Fügekontur (1', 2') eines Fügepartners (1, 2) zur Anlage gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Fügebereich (33, 34) der Fügekomponente (3) die Fügekontur (1', 2') eines Fügepartners (1, 2) wenigstens teilweise unter Ausbildung einer Formschlussverbindung umfasst, oder dass die Fügekontur (1', 2') wenigstens eines Fügepartners (1, 2) den Fügebereich (33, 34) der Fügekomponente (3) wenigstens teilweise unter Ausbildung einer Formschlussverbindung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Fügepartner (1, 2) über die wenigstens eine Fügekomponente (3) relativ zueinander positioniert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die strangprofilartig ausgebildete Fügekomponente (3) im Rahmen eines Spritzguss-, Strangpress- oder Strangziehverfahrens hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die längs des Fügestoßes (5) zwischen beiden Fügepartnern (1, 2) wenigstens abschnittweise eingebrachte, strangprofilartig ausgebildete Fügekomponente (3) wenigstens einen den Fügestoß (5) überragenden Profilabschnitt (3', 3") aufweist, und dass das Rührreibschweißen mittels des rotierenden Werkzeugteils (4) derart vorgenommen wird, dass der wenigstens eine den Fügestoß (5) überragende Profilabschnitt (3', 3") keine Stoffschlußverbindung mit beiden Fügepartnern (1, 2) ausbildet.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine, den Fügestoß (5) überragende, Profilabschnitt (3', 3") als Führungsschulter ausgebildet ist und als Abstütz- und Führungsmittel für ein das rotierende Werkzeugteil (4) umgebende Rührreibschweißwerkzeuggehäuse (G) bei der Durchführung des Rührreibschweißens dient.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in den oder an dem, den Fügestoß (5) überragenden, Profilabschnitt (3', 3") wenigstens ein technisches Funktionselement (6) integriert oder adaptiert ist oder wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die längs des Fügestoßes (5) zwischen beiden Fügepartnern (1, 2) wenigstens abschnittweise eingebrachte, strangprofilartig ausgebildete Fügekomponente (3) einen seitlichen Abschnitt (8) aufweist, der einen schräg oder orthogonal zu einer der Fügekomponente (3) zugeordneten Stranglängserstreckung orientierten Überstand (Ü) aufweist, und dass zu Zwecken eines Beendens oder Unterbrechens des Rührreibschweißens das rotierende Werkzeugteil (4) ohne Erzeugung eines Endkraters längs des Fügestoßes (5) in den seitlichen Abschnitt (8) überführt wird.