DE102016218431A1

DE102016218431A1 - Verfahren zum Reparieren fehlerhafter Verbindungen

Info

Publication number: DE102016218431A1
Application number: DE102016218431.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Ölscher; Selahattin Türel Memili
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2016-09-26
Publication date: 2018-03-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reparieren einer fehlerhaften Verbindung zwischen artgleichen oder art-ungleichen Metallelementen, umfassend zumindest die Schritte: Herstellen der Verbindung, Untersuchung der Verbindung mittels zumindest einer zerstörungsfreien Prüfmethode, Feststellen, dass die untersuchte Verbindung fehlerhaft ist, Reparieren der fehlerhaften Verbindung mittels eines Reibschweißprozesses als Reparaturschweißverfahren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reparieren einer fehlerhaften Verbindung zwischen artgleichen oder artungleichen Metallelementen.
Metallelemente im Sinne der Erfindung sind Stahlbleche oder Leichtmetallbleche wie z.B. Aluminiumbleche oder Magnesiumbleche, sowie Extrusions- und Gussbauteile. Auch Sandwichelemente, bei welchem zwischen zwei Deckelementen ein Kunststoff, auch ein faserverstärkter Kunststoff angeordnet ist, sind Metallelemente im Sinne der Erfindung.
Diese Metallelemente können z.B. mittels des Widerstandsschweißens oder auch beispielsweise mittels des Stanznietens miteinander verbunden werden. Bekannt ist auch, ein Reibschweißverfahren, welches als wiederauffüllendes Reibrührschweißverfahren zum wiederauffüllenden Reibrührschweißen (RFSSW) mit der EP 1 230 062 B1 bekannt geworden ist, wobei sich auch die DE 10 2009 021 850 A1 mit diesem wiederauffüllenden Reibrührschweißverfahren beschäftigt. In der US 8,844,871 B2 wird die Verbindung von Verstärkungselementen mit Flugzeugrumpfsegmenten mittels des Reibschweißverfahrens thematisiert, wobei hier Punktverbindungen oder längliche Schweißverbindungen mittels des Reibschweißverfahrens offenbart werden.
Mit der Reparatur von fehlerhaften Verbindungen beschäftigt sich keine der genannten Schriften.
Zur Verbindung der Metallelemente werden diese an einem Überlappungsbereich übereinander gelegt. Die Verbindungsvorrichtung wird angesetzt, und der Verbindungsprozess gestartet. Lediglich beispielhaft wird im Folgenden auf das Widerstandsschweißen und auf das Stanznieten Bezug genommen. Dabei können selbstverständlich auch fehlerhafte Verbindungen entstehen. Da die hergestellten Verbindungen unter festgelegten Überprüfungsintervallen mit geeigneten Maßnahmen untersucht werden, werden auch fehlerhafte Verbindungen festgestellt. Dazu können die Verbindungen zerstörungsfrei visuell untersucht, Durchstrahlt (Röntgen), mittels Ultraschall und/oder mittels Farb-Eindring-Prüfungen untersucht werden, um nur einige zerstörungsfreie Untersuchungsmethoden beispielhaft zu nennen.
Fehlerhafte Verbindungen können entstehen, wenn bei der Herstellung Störfaktoren im Fügeprozess oder an den zu fügenden Bauteilen auftreten. So können beispielsweise Schmutz, Öl, oder andere Substanzen zu Imperfektionen in der Verbindung führen, die zu einem Verwerfen der Verbindung führen, da die geforderten Eigenschaften des so erzeugten Bauteils nicht eingehalten werden können. Solche Fehler können bei dem beispielhaften Widerstandsschweißen z.B. sein: unzureichende Einschweißtiefe, exzessiver Elektrodeneindruck, Poren, Risse oder Bindefehler. Dieses fehlerhafte Bauteil muss gegebenenfalls entsorgt werden, was zusammen mit einer Neuherstellung des Bauteils sehr kostenintensiv ist.
Von daher sind Möglichkeiten ins Auge gefasst worden, dieses Bauteil, also die fehlerhafte Verbindung zu reparieren, so dass das Bauteil eventuell doch noch mit den erforderlichen Eigenschaften bereitgestellt werden kann. Bei punktuellen Widerstandsschweißverbindungen können direkt neben der fehlerhaften Verbindung neue punktuelle Widerstandsschweißverbindungen angesetzt werden, um so eine einwandfreie Verbindung zu generieren. Jedoch ist dies aus geometrischen und prozesstechnischen Gründen nicht immer möglich. So können Nebenschlusseffekte eine einwandfreie Verbindung verhindern. Auch ist zu befürchten, dass die zu verbindenden Werkstücke immer noch nicht korrekt zueinander vorgerichtet oder entsprechende Sauberkeit aufweisen, so dass trotz der angesetzten Reparaturschweißung fehlerhafte Verbindungen erzeugt werden. Insofern ist der Einsatz sehr umständlicher und teurer Reparaturmethoden angezeigt, um das Bauteil doch noch der eigentlichen Aufgabe zuführen zu können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zum Reparieren fehlerhafter Verbindungen anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche geben jeweils vorteilhafte Ausführungsformen an.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Reparieren einer fehlerhaften Verbindung zwischen artgleichen oder artungleichen Metallelementen aufgezeigt. Das Herstellen der Verbindung selbst ist nicht Gegenstand der Erfindung. Die Verbindung wird mittels zumindest einer zerstörungsfreien Prüfmethode untersucht, so dass feststellbar ist, dass eine fehlerhafte Verbindung vorliegt. In einem weiteren Schritt wird die fehlerhafte Verbindung mittels eines Reibschweißprozesses repariert, in dem die Reibschweißvorrichtung angesetzt wird, so dass das Reparaturreibschweißverfahren nun begonnen werden kann, wobei die fehlerhafte Verbindung anschließend einwandfrei ist, was mittels geeigneter zerstörungsfreier Überprüfungsverfahren überprüfbar ist.
Die Metallelemente wurden zuvor in einem Überlappbereich aneinandergelegt. Anschließend wurden die Metallelemente miteinander verbunden. Dies ist beispielhaft mittels des Widerstandsschweißens, Reibschweißens oder mittels dem Stanznieten durchgeführt worden.
Metallelemente im Sinne der Erfindung sind Stahlbleche oder Leichtmetallbleche wie z.B. Aluminiumbleche oder Magnesiumbleche, sowie Extrusions- oder Gussbauteile. Bei der Verbindung artgleicher Werkstoffe werden auch immer Werkstoffe derselben Art miteinander verbunden also z.B. ein Aluminiumelement wird mit einem Aluminiumelement verbunden. Bei der Verbindung artungleicher Metallelemente kann z.B. ein Stahlelement mit einem Leichtmetallblech, also z.B. einem Aluminiumelement verbunden werden. Auch Sandwichelemente, welche eine zwischen zwei Deck- oder Metallelementen angeordnete Kunststoffschicht aufweisen, können mit artgleichen Sandwichelementen, artungleichen Sandwichelementen, artgleichen Metallelementen oder artungleichen Metallelementen verbunden werden, wobei sich die Artgleichheit oder Artungleichheit auf den Werkstoff der Deckelemente bezieht.
In bevorzugter Ausführung wird als Reibschweißprozess (FSpW) ein Reibrührschweißen, weiter bevorzugt ein wiederauffüllendes Reibrührschweißen (RFSSW; RFSEW) durchgeführt.
Wesentlich ist bei der Erfindung, dass das Reibschweißen (FSpW = Friction Spot Welding), also das bevorzugte wiederauffüllende Reibrührschweißen (RFSSW = Refill Friction Stir Spot Welding oder RFSEW = Refill Friction Stir Element Welding) so erfolgt, dass der Reparaturbereich plastifiziert wird, so dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den zu verbindenden Elementen entsteht.
Das Reparaturschweißverfahren ist idealer Weise an punktförmig hergestellten Verbindungen durchführbar. Dabei ist an eine punktförmige Schweißverbindung, insbesondere an eine punktförmige Widerstandsschweißverbindung gedacht, wobei auch die Reparatur einer punktförmigen Stanznietverbindung oder einer punktförmigen Reibschweißverbindung oder einer punktförmigen, wiederaufgefüllten Reibrührschweißverbindung denkbar ist, welche fehlerhaft sein kann. Denkbar ist auch, lasergeschweißte Überlappverbindungen partiell mit dem erfindungsgemäßen Reparaturschweißverfahren zu reparieren.
Ist die fehlerhafte Verbindung mittels des Widerstandsschweißens hergestellt, ist es günstig im Sinne der Erfindung, wenn die Reibrührschweißvorrichtung zum wiederauffüllenden Reibrührschweißen idealer Weise direkt auf die fehlerhafte Verbindung aufgesetzt wird.
Mit der wiederauffüllenden Reibrührschweißvorrichtung zum wiederauffüllenden Reibrührschweißen wird der fehlerhafte Verbindungsbereich aber auch angrenzende Bereiche plastifiziert. Je nach Wahl des Reibschweißwerkzeugs (z.B. Durchmesser) wird nicht nur der Schweißbereich, sondern auch die Wärmeeinflusszone plastifiziert. Vorteilhaft ist dabei, dass der ursprüngliche aufgeschmolzene Bereich, also die Schweißlinse und auch die Wärmeeinflusszone während des wiederauffüllenden Reibrührschweißprozesses quasi miteinander vermengt, also verrührt werden. So entsteht ein besonders feinkörniges Gefüge innerhalb des Reparaturbereiches, so dass die ursprünglich vorhandenen Unregelmäßigkeiten oder Imperfektionen eliminiert werden. Natürlich kann die wiederauffüllende Reibrührschweißvorrichtung auch so angesetzt werden, dass nur ein Teilbereich des ursprünglichen Verbindungsbereiches mit der wiederauffüllenden Reibrührschweißvorrichtung überlappt, wobei auch eine Anordnung direkt neben der ursprünglichen Verbindung denkbar ist. Die Wahl des Ansatzpunktes ist abhängig von dem vorhandenen Platzbedingungen und geometrischen Verhältnissen. Auch mit den alternativen Ansatzpunkten versetzt oder neben der eigentlichen Schweißlinse wird eine Verbindung geschaffen, mit welcher das herzustellende Bauteil, die gewünschten Erfordernisse erfüllt. Gleichwohl müssen Nebenschlusseffekte, wie diese zum Beispiel bei dem Ansetzten einer Widerstandsschweißvorrichtung auftreten können, selbstverständlich nicht beachtet werden.
Bemerkenswert ist, dass die mechanischen Eigenschaften solcher reparaturgeschweißten, ursprünglich fehlerhaften Verbindungen vergleichbar sind mit solchen mechanischen Eigenschaften von Verbindungen welche mit der wiederauffüllenden Reibrührschweißvorrichtung erzeugt wurden. Die mechanischen Eigenschaften solcher Reparaturverbindungen sind sogar gleichwertig oder sogar noch besser als solche Verbindungen, welche fehlerfrei mit dem Widerstandsschweißen hergestellt wurden. Insofern bietet sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Reparieren fehlerhafter Verbindungen dann an, wenn geometrische Merkmale oder Nebenschlusseffekte den Einsatz des Widerstandsschweißens zum Erstellen weiterer Verbindungen ausschließen.
Ist die fehlerhafte Verbindung mittels des Stanznietens hergestellt, ist es zielführend die Reibrührschweißvorrichtung zum wiederauffüllenden Reibrührschweißen direkt neben der fehlerhaften Verbindung anzusetzen. Das wiederauffüllende Reibrührschweißverfahren (RFSSW; RFSEW) ist dabei unabhängig von der Stapeldicke der aufeinander gestapelten und miteinander zu verbindenden Metallelemente anwendbar. Dies ist dadurch bedingt, dass die Eindringtiefe zum Plastifizieren so einstellbar ist, dass das in Fügerichtung jeweils letzte Metallelement nicht vollständig durchquert wird.
Die wiederauffüllende Reibrührschweißvorrichtung (RFSSW) weist einen nicht-rotierbaren äußeren Klemmring, eine rotierbare Hülse und einen rotierbaren Stift auf.
Die rotierbare Hülse und der rotierbare Stift sind in Axialrichtung relativ zueinander bewegbar. Der Reparaturbereich wird durch die entstehende Reibwärme unter Druck plastifiziert, wobei nach dem Reparaturschweißen an beiden Seiten eine ebene Oberfläche erzeugt wird. Gegebenenfalls kann noch an der gegenüberliegenden Seite angesetzt werden, wenn dies notwendig und sinnvoll ist. Dabei wird die betreffende Seite nicht unbedingt vollständig in Richtung zur ersten Ansatzseite durchquert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Reparatur von fehlerhaften Verbindungen insbesondere an Aluminiumbauteilen von Kraftfahrzeugen geeignet. Dabei ist an einer Reparatur direkt vor Ort, also bei dem Hersteller gedacht. Denkbar ist aber auch eine Reparatur der fehlerhaften Verbindung im Servicebereich, also außerhalb der Herstellungsflächen der Automobilhersteller, z.B. in Werkstätten des Herstellers.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1230062 B1 [0003]
DE 102009021850 A1 [0003]
US 8844871 B2 [0003]

Claims

Verfahren zum Reparieren einer fehlerhaften Verbindung zwischen artgleichen oder artungleichen Metallelementen, umfassend zumindest die Schritte: Herstellen der Verbindung, Untersuchung der Verbindung mittels zumindest einer zerstörungsfreien Prüfmethode, Feststellen, dass die untersuchte Verbindung fehlerhaft ist, Reparieren der fehlerhaften Verbindung mittels eines Reibschweißprozesses als Reparaturschweißverfahren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Reparaturschweißverfahren ein Reibrührschweißen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Reparaturschweißverfahren ein wiederauffüllender Reibrührschweißprozess mit einer wiederauffüllenden Reibrührschweißvorrichtung zum wiederauffüllenden Reibrührschweißen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reparaturschweißverfahren an punktförmig hergestellten, fehlerhaften Verbindungen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reparaturschweißverfahren an mittels eines Widerstandsschweißverfahrens punktförmig hergestellten, fehlerhaften Verbindungen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reparaturschweißverfahren an mittels eines Stanznietens punktförmig hergestellten, fehlerhaften Verbindungen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reparaturschweißverfahren an mittels eines wiederauffüllenden Reibrührschweißprozesses punktförmig hergestellten, fehlerhaften Verbindungen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wird eine Reibrührschweißvorrichtung zum Reparaturschweißen, bevorzugt eine wiederauffüllende Reibrührschweißvorrichtung zum wiederauffüllenden Reibrührschweißen (RFSSW), welche direkt auf der fehlerhaften Verbindung aufgesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Reibrührschweißvorrichtung zum Reparaturschweißen, bevorzugt eine wiederauffüllende Reibrührschweißvorrichtung zum wiederauffüllenden Reibrührschweißen (RFSSW) welche neben der fehlerhaften Verbindung angesetzt wird, oder welche die fehlerhafte Verbindung zumindest teilweise überlappend angesetzt wird.