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Die Erfindung betrifft eine Rührreibschweißvorrichtung und ein Verfahren zum Verschweißen von wenigstens drei Fügepartnern gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verschweißen von wenigstens drei Fügepartnern durch Rührreibschweißen.
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Eine solche Rührreibschweißvorrichtung zum Verschweißen von wenigstens zwei Fügepartnern durch Rührreibschweißen ist beispielsweise bereits der
DE 10 2015 112 416 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Rührreibschweißvorrichtung umfasst ein Werkzeug, mittels welchem die Fügepartner durch Rührreibschweißen miteinander verschweißt werden können. Das Werkzeug weist wenigstens drei Stufen mit jeweiligen, stirnseitigen Schulterreibflächen auf und ist unter Druck- und Rotationsbeaufschlagung und unter Bildung einer Rührzone mit lokal plastifiziertem Werkstoff, insbesondere von wenigstens einem der Fügepartner, in zumindest einen der Fügepartner entlang einer Eintreibrichtung eintreibbar.
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Außerdem offenbart die
DE 10 2013 000 574 B4 eine Rührreibschweißvorrichtung zur Schweißverbindung von Fügepartnern.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Rührreibschweißvorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die Fügepartner besonders prozesssicher miteinander verschweißt werden können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Rührreibschweißvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Rührreibschweißvorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass die Fügepartner besonders prozesssicher miteinander verschweißt und dadurch miteinander verbunden werden können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Werkzeug entlang einer senkrecht zur Eintreibrichtung verlaufenden Ebene und somit entlang von wenigstens zwei in der Ebene und senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen beziehungsweise entlang allen in der Ebene verlaufenden Richtungen fest eingespannt und dadurch in der Ebene beziehungsweise entlang der Richtungen unbeweglich ist. Außerdem ist das Werkzeug lediglich um die Eintreibrichtung beziehungsweise lediglich um eine mit der Eintreibrichtung zusammenfallende Drehachse drehfrei gelagert. Dies bedeutet, dass das Werkzeug während des Rührreibschweißens um die Drehachse relativ zu den Fügepartnern gedreht und währenddessen entlang der Drehachse beziehungsweise entlang der Eintreibrichtung gegen wenigstens einen der Fügepartner gedrückt wird, um dadurch das Werkzeug und insbesondere die Stufen in dem zumindest einen Fügepartner einzutreiben und in der Folge die Fügepartner durch Rührreibschweißen miteinander zu verbinden, während jedoch eine in der Ebene und relativ zu den Fügepartnern erfolgende, translatorische Bewegung und somit ein Vorschub des Werkzeug relativ zu den Fügepartnern unterbleiben. Das Rührreibschweißen, welches mittels des Werkzeugs durchgeführt wird, ist somit erfindungsgemäß ein Rührreibpunktschweißen, wodurch die Fügepartner besonders prozesssicher miteinander verbunden werden können. Insbesondere können die Fügepartner mittels der erfindungsgemäßen Rührreibschweißvorrichtung besonders prozesssicher stoffschlüssig miteinander gefügt, das heißt stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
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Vorzugsweise sind die Fügepartner Folien und/oder aus einem metallischen Werkstoff gebildet, sodass die Fügepartner beispielsweise jeweilige Metallfolien sind. Die Fügepartner sind während des Rührreibschweißens übereinander beziehungsweise aufeinander angeordnet und bilden somit einen Stapel, insbesondere einen Folienstapel, welcher vorzugsweise in einer oder für eine Batterie, insbesondere Hochvolt-Batterie, verwendet wird. Somit gehört zur Erfindung vorzugsweise auch eine Verwendung eines mittels der erfindungsgemäßen Rührreibschweißvorrichtung hergestellten Folienstapels, wobei der Folienstapel in einer beziehungsweise für eine Batterie, insbesondere Hochvolt-Batterie, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, verwendet wird. Insbesondere ermöglicht die Erfindung ein stoffschlüssiges Fügen der beispielsweise als Folien, insbesondere als Metallfolien, ausgebildeten Fügepartner, welche gleiche oder aber voneinander unterschiedliche und vorzugsweise entlang der Eintreibrichtung verlaufende Dicken aufweisen können und/oder aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien gebildet sein können. Insbesondere ist es denkbar, dass zumindest einer der Fügepartner aus Aluminium gebildet ist, während der andere Fügepartner aus Kupfer gebildet ist. Ferner ist es denkbar, dass die drei Fügepartner sämtlich aus Aluminium oder sämtlich aus Kupfer gebildet sind. Insbesondere ist es denkbar, dass die Fügepartner zur Stromführung und/oder Stromübertragung verwendet werden, wobei beispielsweise die Fügepartner als elektrische Kontakte für eine oder in einer Batterie, insbesondere Hochvolt-Batterie, verwendet werden können.
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Der Erfindung liegen insbesondere die folgenden Erkenntnisse zugrunde: Üblicherweise werden Fügepartner wie die zuvor beschriebenen Fügepartner durch Laserstrahlschweißen oder Ultraschallschweißen miteinander verbunden. Bei dem Laserstrahlschweißen ist ein technischer Nullspalt erforderlich, und eine Qualitätsüberwachung ist äußerst schwierig. Außerdem können intermetallische Phasen mit negativen mechanischen und elektrischen Eigenschaften, insbesondere bei Mischverbindungen, entstehen. Außerdem geht das Laserstrahlschweißen mit großen Toleranzeinschränkungen einher. Bei dem Ultraschallschweißen kann es zu einer übermäßigen Schwingungsbelastung kommen, und es ist ein großer Bauraum erforderlich. Die zuvor genannten Probleme und Nachteile können mittels der Rührreibschweißvorrichtung vermieden werden.
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Da das Werkzeug die wenigstens drei Stufen aufweist, ist das Werkzeug ein mehrstufiges Werkzeug, welches relativ zu den Fügepartnern um die Drehachse gedreht und somit rotiert und zugleich entlang der beziehungsweise in die Eintreibrichtung gegen wenigstens einen der Fügepartner gepresst, das heißt angepresst wird. Hierdurch entsteht eine Reibung zwischen dem wenigstens einen Fügepartner und dem Werkzeug, wobei durch die Reibung Wärmeenergie erzeugt wird, mittels welcher die Fügepartner miteinander verschweißt werden. Dabei wird der durch die Fügepartner gebildete Stapel vorzugsweise nicht etwa vollständig, sondern nur teilweise von dem Werkzeug durchdrungen. Die stufige Gestalt des auch als Schweißwerkzeug bezeichneten Werkzeugs ermöglicht ein zusätzliches Erzeugen der Wärme an Grenzflächen des entlang der Eintreibrichtung oberstes Fügepartners. Aufgrund der starken Deformation des Materials im plastischen Bereich werden auch die nicht eingedrungenen beziehungsweise durchdrungenen, unteren Fügepartner beziehungsweise Folien thermomechanisch beeinflusst, sodass durch die Diffusionsvorgänge alle Fügepartner des gesamten Stapels in kurzer Zeit stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Die so entstandenen Verbindungen weisen gute mechanische und elektrische Eigenschaften auf. Insbesondere ermöglicht die Erfindung die folgenden Vorteile:
- - Hohe Anzahl an beispielsweise als Bleche ausgebildeten Fügepartnern ist möglich, und/oder
- - ein robuster Prozess mit guter Reproduzierbarkeit, und/oder
- - eine Minimierung von spröden intermetallischen Phasen bei Mischverbindungen und somit eine Verbesserung der Stromtrag- beziehungsweise -führungsmöglichkeit, und/oder
- - ein sanfteres Eintauchen des Rührreibschweißwerkzeuges während des Prozesses mit entsprechend besserem Beanspruchungsverlauf ist möglich.
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Da die Fügepartner beispielsweise Bleche sein können, ist der Stapel beispielsweise ein Blechstapel. Der verschweißte, beispielsweise als Blechstapel ausgebildete Stapel aus Kupfer- und/oder Aluminiumblechen kommt beispielsweise als sogenannter Zellableiter in einer Hochvolt-Batterie zur Anwendung. Der Zellableiter hat die Aufgabe, einzelne Zellmodule der Hochvolt-Batterie elektrisch, das heißt stromtragend zu verbinden, insbesondere für eine Reihen- oder Parallelschaltung der Zellmodule. Es können besonders vorteilhaft gemischte Blechstapel aus Kupfer- und Aluminiumblechen verwendet werden, da die Stromtragfähigkeit beziehungsweise -leitfähigkeit von Kupfer zwar höher ist, jedoch ist Kupfer kostenintensiver und gewichtsintensiver als Aluminium. Die Blechdicke von Kupfer ist daher geringer als die von Aluminium, insbesondere im Zehntelmillimeterbereich, mindestens zwei bis drei Zehntelmillimeter, als die Blechdicke der Aluminiumbleche (in etwa 0,4 bis 1,6 Millimeter). Im verbauten Zustand des Zellableiters ist der erste Stromanschluss beispielsweise auf dem obersten Blech oben links, der zweite Stromanschluss ist an dem untersten Blech unten rechts, sodass der Strom durch die Verschweißungen durchströmt und von der Stromtragfähigkeit der Verschweißung entscheidend beeinflusst wird.
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Laserschweißen hat ferner insbesondere den Nachteil, dass die eingetragene Energie zu hoch ist und es zu Mischverbindungen zwischen Aluminium und Kupfer kommen kann mit spröden intermetallischen Phasen, die die Stromtragfähigkeit negativ beeinflussen können.
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Da das Werkzeug lediglich um die Drehachse gedreht und dabei entlang der Eintreibrichtung gegen den wenigstens einen Fügepartner gedrückt wird, während jedoch eine relativ zu den Fügepartnern erfolgende, translatorische Bewegung des Werkzeugs in beziehungsweise entlang der Ebene unterbleibt, kann ein Schweißpunkt beziehungsweise ein punktförmiger Schweißbereich erzeugt werden, in welchem die Fügepartner miteinander verschweißt werden. Da ein Vorschub des Werkzeugs unterbleibt, wird nicht etwa wie herkömmlicherweise vorgesehen eine Schweißnaht, sondern vielmehr ein Schweißpunkt gebildet.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass eine jeweilige, entlang der Eintreibrichtung verlaufende Höhe der jeweiligen Stufe, zumindest in etwa, einer entlang der Eintreibrichtung verlaufenden Dicke zumindest eines der Fügepartner entspricht. In vorteilhafter Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass eine jeweilige, entlang der Eintreibrichtung verlaufende Höhe der jeweiligen Stufe im Rahmen einer möglichen Fertigungsgenauigkeit einer entlang der Eintreibrichtung verlaufenden Dicke zumindest eines der Fügepartner entspricht. Im Rahmen der Erfindung entspricht ein Vorgabewert für eine Fertigung einer jeweiligen, entlang der Eintreibrichtung verlaufende Höhe der jeweiligen Stufe eines Werkzeugs vorteilhaft einer entlang der Eintreibrichtung verlaufenden Dicke zumindest eines der Fügepartner. Jedoch führen selbst in diesem Fall mindestens auftretende Fertigungstoleranzen zu Abweichungen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass eine Gesamteintauchtiefe, um welche das Werkzeug in den zumindest einen Fügepartner eintreibbar ist, zumindest in etwa, einer entlang der Eintreibrichtung verlaufenden Gesamthöhe der Stufe, insbesondere aller Stufen, entspricht.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass das Werkzeug aus einem Stahl und/oder aus einem pulverförmigen Werkstoff hergestellt ist.
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Entspricht die Stufenhöhe der auch als Blechdicke oder Wanddicke bezeichneten Dicke, so ist beispielsweise die jeweilige, beispielsweise an einer Reibschulter vorgesehene und einfach auch als Reibfläche bezeichnete Schulterreibfläche auf Höhe der Grenzschicht zwischen zwei zu fügenden Fügepartnern, wodurch dort gezielt Energie eingebracht werden kann, wo die Energie gebraucht wird, nämlich in beziehungsweise an der Grenzschicht. Unter dem Merkmal, dass das Werkzeug aus einem Pulver hergestellt werden kann, ist insbesondere zu verstehen, dass das Werkzeug pulvermetallurgisch hergestellt sein kann. Mit anderen Worten kann das Werkzeug aus einem Stahl oder basierend auf einem Stahl und dabei beispielsweise pulvermetallurgisch hergestellt sein.
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Die Anzahl der Stufen kann insbesondere drei bis fünf betragen. Die auch als Absätze bezeichneten Stufen können mindestens in etwa 0,25 Millimeter oder 0,4 Millimeter hoch sein, insbesondere entlang der Eintreibrichtung. Vorzugsweise sind die Stufen, zumindest in etwa, so hoch wie die Dicken der beispielsweise als Bleche ausgebildeten Fügepartner, sodass an der Grenzschicht zusätzliche Energie durch die jeweilige Reibfläche eingebracht werden kann. Die Gesamthöhe der Stufen kann gezielt eingestellt werden, je nachdem, welche Grenzschicht direkt von dem Werkzeug gerieben werden muss. Die Eintauchtiefe kann der Gesamthöhe der Stufen entsprechen. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser der größten Stufe in etwa acht Millimeter, wobei beispielsweise das Werkzeug bei jeder Stufe einige Millimeter schmaler ist als bei der vorhergehenden Stufe. Insbesondere können folgende Vorteile realisiert sein:
- - Eine gezielte Wärmeinbringung in Grenzschichten wegen mehrerer Reibflächen ist möglich, und/oder
- - ein geringerer Verschleiß als bei mehrteiligen Werkzeugen tritt auf, da Relativbewegungen zwischen Werkzeugteilen vermieden werden können, und/oder
- - ein schneller und automatisierter Werkzeugwechsel, und/oder
- - ein sanfteres Eintauchen des Schweißwerkzeuges während des Prozesses und entsprechend besserer Beanspruchungsverlauf ist möglich, und/oder
- - es ist eine geringere Axialkraft wegen des aufsteigenden Durchmessers der Stufen nötig als bei einem flachen Werkzeug.
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Insbesondere ist es denkbar, dass das Werkzeug monolithisch beziehungsweise einstückig ausgebildet sein kann. Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von wenigstens drei Fügepartnern mittels einer erfindungsgemäßen Rührrei bschwei ßvorrichtung.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist mindestens einer der mindestens drei Fügepartner aus Aluminium ausgebildet ist und mindestens ein weiterer der mindestens drei Fügepartner aus Kupfer. Mit dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können Zellableiter hergestellt werden, welche aufgrund des mindestens einen aus Kupfer ausgebildeten Fügepartners eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen, andererseits aufgrund des mindestens einen aus Aluminium ausgebildeten Fügepartners vergleichsweise kostengünstig sind.
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Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Rührreibschweißvorrichtung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt.
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Beispielsweise werden wenigstens drei und höchstens acht Fügepartner miteinander verschweißt, wobei es insbesondere denkbar ist, dass sechs Fügepartner miteinander verschweißt werden. Die Prozesskraft, mit welcher beispielsweise das Werkzeug entlang der Eintreibrichtung gegen den wenigstens einen Fügepartner gedrückt wird, kann variieren, insbesondere je nach Werkzeuggeometrie, Prozessdauer, Gesamtblechdicke, Werkstoff usw.
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Drei der Fügepartner sind beispielsweise aus Aluminium gebildet und weisen eine Dicke, insbesondere eine Blechdicke, von je in etwa 0,4 Millimeter auf. Drei weitere der beispielsweise als Bleche ausgebildeten Fügepartner sind beispielsweise aus Kupfer gebildet und dabei als Kupferbleche ausgebildet, wobei die Kupferbleche beispielsweise eine Dicke, insbesondere eine Blechdicke, von je in etwa 0,25 Millimeter aufweisen können. Beispielsweise wird das Werkzeug mit einer Drehzahl von 8000 Umdrehungen pro Minute und mit einer Kraft gedreht und mit einer Kraft von 1,5 Kilonewton gedrückt. Die Eintauchtiefe kann 1,25 Millimeter betragen, wobei die Schweißzeit circa 3 Sekunden betragen kann. Eine erste der Stufen kann einen Durchmesser von 5 Millimeter aufweisen, wobei eine zweite der Stufen einen Durchmesser von 6 Millimeter aufweisen kann, und wobei die dritte Stufe einen Durchmesser von 7 Millimetern aufweisen kann. Die jeweilige Stufenhöhe kann 0,25 Millimeter oder 0,4 Millimeter betragen. Es ist denkbar, dass das Werkzeug genau drei Stufen oder genau fünf Stufen oder eine davon unterschiedliche Anzahl an Stufen aufweisen kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verschweißen von Fügepartnern durch Rührreibschweißen mit einer erfindungsgemäßen Rührreibschweißvorrichtung;
- 2 eine schematische Darstellung des Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 3 eine schematische Darstellung des Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 4 eine schematische Darstellung des Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform;
- 5 eine weitere schematische Darstellung des Verfahrens;
- 6 eine schematische Perspektivansicht eines Stapels gemäß einer ersten Ausführungsform, welcher mittels des Verfahrens verschweißt wird;
- 7 eine schematische Perspektivansicht des Stapels gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
- 8 eine schematische Perspektivansicht des Stapels gemäß einer dritten Ausführungsform.
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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 Darstellung ein Verfahren zum Verschweißen von Fügepartnern 10 durch Rührreibschweißen mittels einer Rührreibschweißvorrichtung 12. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Fügepartner 10 als Bleche und dabei insbesondere als Blechfolien ausgebildet, welche auch einfach als Folien bezeichnet werden. Die Fügepartner 10 sind entlang einer in 1 durch einen Doppelpfeil 14 veranschaulichten Stapelrichtung übereinander beziehungsweise aufeinander angeordnet und bilden somit einen auch als Blechstapel bezeichneten Stapel 16, welcher dadurch, dass die Fügepartner 10 durch Rührreibschweißen miteinander verschweißt und dadurch, insbesondere stoffschlüssig, miteinander gefügt werden, verschweißt wird.
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Um den Stapel 16 mittels der Rührreibschweißvorrichtung 12 zu verschweißen, weist die Rührreibschweißvorrichtung 12 ein auch als Schweißwerkzeug bezeichnetes Werkzeug 18 auf. Das Werkzeug 18 weist bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel genau drei in axialer Richtung des Werkzeugs 18 aufeinanderfolgende Stufen 20a-c auf, welche jeweils eine stirnseitige, auch als Schulterreibfläche 22a-c bezeichnete Reibfläche aufweisen. Die jeweilige Schulterreibfläche 22a-c ist an einer jeweiligen Schulter 24 der jeweiligen Stufe 20a-c ausgebildet.
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Das Werkzeug 18 wird um eine Drehachse 25 relativ zu den Fügepartnern 10 gedreht, insbesondere mit einer Drehzahl n, wie in 1 durch einen Pfeil 26 veranschaulicht ist. Während das Werkzeug 18 um die Drehachse 25 relativ zu den Fügepartnern 10 gedreht wird, wird - wie in 1 durch einen Pfeil 28 veranschaulicht ist - das Werkzeug 18 mit einer Kraft F gegen wenigstens einen der Fügepartner 10 gedrückt. Hierdurch wird das Werkzeug 18 unter Druck- und Rotationsbeaufschlagung und unter Bildung einer Rührzone mit lokal plastifiziertem Werkstoff in zumindest einen der Fügepartner 10 entlang einer mit der Drehachse 25 zusammenfallenden und in 1 durch den Pfeil 28 veranschaulichten Eintreibrichtung eintreibbar. Mit anderen Worten wird das Werkzeug 18 dadurch, dass es um die Drehachse 25 relativ zu den Fügepartnern 10 gedreht und währenddessen gegen den wenigstens einen Fügepartner 10 gepresst wird, in die Eintreibrichtung in den wenigstens einen Fügepartner eingetrieben. Hierdurch werden die Fügepartner 10 durch Rührreibschweißen miteinander verschweißt und somit stoffschlüssig miteinander gefügt.
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Um dabei die Fügepartner 10 besonders prozesssicher miteinander verschweißen zu können, ist das Werkzeug 18 entlang einer senkrecht zur Eintreibrichtung verlaufenden Ebene fest eingespannt und dadurch in der Ebene beziehungsweise entlang der Ebene unbeweglich, sodass eine relativ zu den Fügepartnern 10 erfolgende, translatorische Bewegung des Werkzeugs 18 unterbleibt, während das Werkzeug 18 eingetrieben wird. Das Werkzeug 18 ist lediglich um die Drehachse 25 und somit um die Eintreibrichtung drehfrei gelagert und wird somit lediglich um die Drehachse 25 relativ zu den Fügepartnern 10 gedreht. Hierdurch wird nicht etwa eine längliche beziehungsweise linienförmige Schweißnaht ausgebildet, entlang welcher die Fügepartner 10 miteinander verschweißt werden, sondern es wird vielmehr ein Schweißpunkt erzeugt, in beziehungsweise an welchem die Fügepartner 10 punktförmig miteinander verschweißt werden.
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Das Werkzeug 10 ist beispielsweise an einer angetriebenen Spindel, insbesondere der Rührreibschweißvorrichtung 12, angebracht, sodass das Werkzeug 10 mittels der Spindel gedreht wird. Mit anderen Worten wird das auch als Schweißwerkzeug bezeichnete Werkzeug 18 mittels der Spindel in Rotation versetzt. Zudem erzeugt die dem Werkzeug 18 zugeführte Kraft eine hinreichende Flächenpressung, insbesondere zwischen dem Schweißwerkzeug und dem jeweiligen Fügepartner 10. Da das Werkzeug 18 relativ zu den Fügepartnern 10 gedreht wird, während die Reibflächen die jeweiligen Fügepartner 10 berühren, wird zwischen den Reibflächen und den Fügepartnern 10 eine Reibung erzeugt. Hierdurch wird Wärme an jeweiligen Grenzschichten zwischen den jeweiligen Reibflächen und den jeweiligen Fügepartnern 10 erzeugt. Des Weiteren ist in 1 eine Fixierung des auch als Folienstapel bezeichneten Stapels 16 mit 30 bezeichnet.
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Das rotierende Schweißwerkzeug - beispielsweise aus ausgehärtetem Stahl - erzeugt die nötige Wärme- und Stauchenergie, welche zum Plastifizieren der auch als Fügekörper bezeichneten Fügepartner 10 dient. Innerhalb von wenigen Sekunden werden die beispielsweise als Folien ausgebildeten Fügepartner 10 nach einem Abkühlen stoffschlüssig miteinander verbunden. Der größte Wärmeanteil wird von den auch als Werkzeugschultern bezeichneten Schultern 24 erzeugt. Um gezielt die Wärme an den Grenzschichten zu erzeugen, ist das Werkzeug 18 gestuft ausgebildet. Dadurch sind mehrere Reibflächen vorhanden. Außerdem ist das Werkzeug 18 monolithisch ausgebildet und weist somit eine monolithische Werkzeuggestalt auf, welche Vorteile hinsichtlich Prozesszeit und Standzeit mit sich bringt.
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2 zeigt eine erste Ausführungsform des Verfahrens. Die beispielsweise in 2 mit t1 bezeichnete Eintauchtiefe des Schweißwerkzeugs kann gezielt ausgewählt werden, um gewisse werkstofftechnische Zustände wie Diffusionsvorgänge, Materialvermischung, Umformgrade etc. zu erreichen.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform des Verfahrens. Die Anzahl der Stufen 20a-c kann ebenfalls der Fügeaufgabe und den Prozessparametern angepasst werden. Die Eintauchtiefe, welche in 3 mit t2 und in 4 mit t3 bezeichnet ist, kann gezielt ausgewählt werden, um gewisse werkstofftechnische Zustände zu erreichen. Auch die in 2 mit F1, in 3 mit F2 und 4 mit F3 bezeichnete Kraft sowie die in 2 mit n1, in 3 mit n2 und in 4 mit n3 bezeichnete Drehzahl kann variiert beziehungsweise bedarfsgerecht eingestellt werden.
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5 zeigt in einer weiteren schematischen Darstellung das Verfahren. Bei einer Reibphase R des Verfahrens reibt das gestufte, auch als Schulterwerkzeug bezeichnete Werkzeug 18 auf der obersten Lage des Stapels 16 und erzeugt die benötigte Wärme. Bei einer Eintauch- und Schweißphase ES taucht das rotierende Werkzeug 18 in den Stapel 16 ein und plastifiziert dabei den auch als Material bezeichneten Werkstoff, aus welchem die Fügepartner 10 gebildet sind. An die Eintauch- und Schweißphase ES schließt sich eine Rückzugphase RP an, während welcher das Schweißwerkzeug wieder zurückgezogen wird. Außerdem zeigt 5 einen Herstellungszustand H, in welchem der Stapel 16 geschweißt ist. Thermomechanische Einflüsse führen zu Verbindungen mit guten mechanischen und elektrischen Eigenschaften, ohne dass die Grundwerkstoffe schmelzen.
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6 zeigt eine erste Ausführungsform des Stapels 16. Dabei ist ein erster Teil T1 des Stapels 16 ausschließlich durch prozessseitig obere Aluminiumfolien gebildet, während ein darunter angeordneter zweiter Teil T2 des Stapels 16 ausschließlich durch prozessseitig untere Kupferfolien gebildet ist.
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7 zeigt eine zweite Ausführungsform des Stapels 16. Bei der zweiten Ausführungsform ist der prozessseitig obere Teil T1 ausschließlich durch Kupferfolien gebildet, während der prozessseitig untere Teil T2 ausschließlich durch Aluminiumfolien gebildet ist. Schließlich zeigt 8 eine dritte Ausführungsform des Stapels 16. Bei der dritten Ausführungsform sind entlang der Stapelrichtung Kupferfolien und Aluminiumfolien abwechselnd aufeinanderfolgend angeordnet. Da ein Vorschub des Werkzeugs 18 unterbleibt, ist das Rührreibschweißen ein Rührreibpunktschweißen. Das Rührreibpunktschweißen ermöglicht es, mehrere Folien auf einmal stoffschlüssig miteinander zu verbinden. Dabei ist kein technischer Nullspalt zwischen den auch als Bleche bezeichnete oder als Bleche ausgebildeten Folien erforderlich, wodurch mit Toleranzen der Folien besser umgegangen werden kann. Die Wahl der Prozessparameter kann der Blechanordnung gezielt angepasst werden. Das Verfahren ermöglicht es, Materialien in der Festphase zu fügen, wodurch die Bildung unerwünschter, intermetallischer Phasen, insbesondere bei Mischverbindungen, umgangen werden kann. Das Verfahren eignet sich insbesondere auch für Folienstapel aus artgleichen Materialien.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Fügepartner
- 12
- Rührreibschweißvorrichtung
- 14
- Doppelpfeil
- 16
- Stapel
- 18
- Werkzeug
- 20a-c
- Stufe
- 22a-c
- Schulterreibfläche
- 24
- Schulter
- 25
- Drehachse
- 26
- Pfeil
- 28
- Pfeil
- 30
- Fixierung
- ES
- Eintauch- und Schweißphase
- F
- Kraft
- F1
- Kraft
- F2
- Kraft
- F3
- Kraft
- H
- Herstellungszustand
- n
- Drehzahl
- n1
- Drehzahl
- n2
- Drehzahl
- n3
- Drehzahl
- R
- Reibphase
- RP
- Rückzugphase
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015112416 A1 [0002]
- DE 102013000574 B4 [0003]
