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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von metallischen Werkstücken mittels Reibrührschweißen, bei welchem ein Reibrührelement mit seiner Stirnfläche auf den zu verschweißenden Werkstücken angepresst wird und mit einer Drehbewegung in die metallischen Werkstücke eintaucht, wodurch zur Erzeugung eines Schweißpunktes die entstehenden Reibwärme genutzt wird sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Aus der
EP 2 067 564 A1 ist ein Verfahren zum Rührreibschweißen von metallischen Materialien bekannt, bei welchem infolge einer Schweißung die übereinander liegenden metallischen Materialen miteinander lokal verschmolzen werden. Ein zylindrischer Rührreibstift liegt dabei mit seiner Stirnfläche vollflächig auf den übereinanderliegenden Materialien auf. Hierdurch wird für den Anpresspunkt eine besonders hohe Kraft benötigt, wodurch dünne Bleche oder Bleche aus sensiblen Materialien Schaden nehmen können.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden von metallischen Werkstücken mittels Reibrührschweißen anzugeben, welche eine Beschädigung der übereinanderliegenden zu verschweißenden Materialien weitgehend unterbinden und trotzdem eine qualitativ hochwertige Verschweißung der metallischen Werkstücke gewährleisten.
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Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
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Die Aufgabe ist mit einem Verfahren dadurch gelöst, dass das durch die Stirnfläche des Reibrührelementes ein kreisringförmiger Schweißpunkt erzeugt wird. Durch den kreisringförmigen Schweißpunkt sind die für die Verschweißung notwendigen Kräfte geringer als bei Verwendung einer vollflächigen Auflage. Dadurch wird ein Schaden an zu verschweißenden Werkstücken aus sensiblen Materialien unterbunden.
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Vorteilhafterweise tauchen die zum Erzeugen des kreisringförmigen Schweißpunktes vertikal überstehende Ränder des Reibrührelementes in die metallischen Werkstücke ein. Bei stromtragenden Mischverbindungen, wie beispielsweise zwischen Aluminium-Kupfer, Kupfer-Kupfer oder Aluminium-Aluminium, werden spröde und hochresistive intermetallische Phasen weitgehend reduziert. Die nötigen Prozesskräfte beim Rührreibpunktschweißen können um mehr als 50% reduziert werden, ohne dass die elektrischen Eigenschaften verschlechtert werden. So werden mit einem solchen kreisringförmigen Schweißpunkt dieselben elektrischen Eigenschaften, wie beispielsweise der elektrische Widerstand, eingestellt, wie bei einem vollflächigen Schweißpunkt.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbinden von metallischen Werkstücken mittels Reibrührschweißen, umfassend ein drehbares Reibrührelement, dessen Stirnfläche in die metallischen Werkstücke eintauchbar ist. Bei dieser Vorrichtung, welche eine Beschädigung der übereinanderliegenden, zu verschweißenden Materialien weitgehend unterbindet und trotzdem eine qualitativ hochwertige Verschweißung der metallischen Werkstücke gewährleistet, ist die Stirnseite des Reibrührelementes derart ausgehöhlt, dass die Anlagefläche des Reibrührelementes an den Werkstücken kreisringförmig ist. Die Stirnfläche des Reibrührelementes wird soweit ausgehöhlt, dass die Schweißkraft nur über die verbleibende Kreisringfläche übertragen wird. Dadurch wird die nötige Schweißkraft reduziert. Eine Nullspaltproblematik, insbesondere bei Mehrblechverbindungen, wird unterbunden.
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In einer Ausgestaltung ist eine Eintauchtiefe des Reibrührelementes in das oberste metallische Werkstück geringer als eine Tiefe eines Hohlraumes der Stirnseite des Reibrührelementes. Durch den entstehenden Hohlraum zwischen dem oberen Werkstück und des Hohlraumbodens wird eine vollflächige Auflage der Stirnseite auf dem Werkstück verhindert.
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In einer Variante ist in einem Spalt zwischen dem obersten Werkstück und einem Hohlraumgrund ein Funktionsteil, insbesondere ein Temperatursensor, angeordnet. Somit kann auf zusätzlichen Bauraum für solche Funktionsteile verzichtet werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale können für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung bilden, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separater Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 3 Vergleich der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Vorrichtungen nach dem Stand der Technik.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, wie sie zur Herstellung von stromtragenden Verbindungen zwischen den zu verschweißenden Werkstücken durch ein Rührreibpunktschweißen benutzt wird. Zu solchen stromtragenden Verbindungen gehören unter anderem Zellableiterverbindungen für Hochvoltbatterieanwendungen.
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Die Vorrichtung 1 umfasst ein drehbares, stiftförmiges Reibrührelement 3, das zylinderförmig ausgebildet ist. Der Reibrührstift 3 weist eine Stirnfläche 5 auf, an deren Umfang sich vertikal ein Kreisring 7 erstreckt und im Inneren der Stirnfläche 5 einen Hohlraum 9 bildet. Die Tiefe TH des Hohlraums 9 entspricht einer Differenz zwischen einer Auflagefläche A des Kreisringes 7 und einem Boden 11 des Hohlraumes 9. Dieses Reibrührelement 3 wird mit einer Kraft F vertikal gegen zu verschweißende Werkstücke gepresst.
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Mit Hilfe von 2 soll ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert werden. Der Kreisring 7 des Reibrührelementes 3 wird in 2a auf zwei teilweise übereinanderliegende liegende Bleche 13, 15 aufgesetzt. Das rotierende Reibrührelement 3 presst dabei die zu fügenden Bleche 13, 15 aneinander an, wobei Reibwärme erzeugt wird. Dabei taucht der Kreisring 7 in das oberste Blech 13 ein und erzeugt den Schweißpunkt 17, der als Kreisring ausgebildet ist und optimal Strom überträgt. Die Eintauchtiefe Et des Kreisringes 7 ist kleiner als die Tiefe TH des Hohlraums 9. Der so verbleibende Spalt 19 kann zur Integration beispielsweise eines Temperatursensors genutzt werden.
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In 2b ist dargestellt, dass der Kreisring 7 der Stirnfläche 5 des Reibrührelementes 3 auch für ein Verschweißen von Blechstapeln 21, 23 geeignet ist. Ein Blechstapel 21 kann dabei Bleche umfassen, die aus Kupfer bestehen, während der andere Blechstapel 23 aus Blechen aus Aluminium besteht. Auch hier wird gewährleistet, dass das Rührreibelement 3 nicht mit seiner Vollfläche auf der Oberfläche des oberen Blechstapels 21 aufliegt
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3 zeigt Gegenüberstellungen des erfindungsgemäßen Reibrührelementes 3 mit zwei Reibrührelementen 25, 27 gemäß dem Stand der Technik. In 3a besitzt das Reibrührelement 25 eine vollflächige Stirnseite 29 mit einem Durchmesser D1. Demgegenüber weist das Reibrührelement 27 in 3b eine ebenfalls vollflächige Stirnseite 31 mit einem Durchmesser D3 auf, wobei D3 < D1.
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Die Stirnfläche 5 des erfindungsgemäßen Reibrührelementes 3 weist innerhalb des Hohlraums 9 den Durchmesser D2 auf, während der Außendurchmesser ebenfalls D1 entspricht. Daraus ergibt sich für das Reibrührelement 3 ein tragender Kreisringdurchmesser DR = D1-D2 und eine Kreisringfläche AR= AD1-AD2.
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Bei der Verwendung des Reibrührelementes 3 erfolgt somit eine Kraftreduzierung von mehr als 50 % beim Einpressen des Reibrührelementes 3 auf zu verschweißende Werkstücke, obwohl die gleiche Reibwärme zum Verschweißen erzeugt wird. Da die Reibrührelemente 3 und 25 den gleichen Umfang an ihrer Stirnfläche 5 bzw. 29 aufweisen, sind die elektrischen Eigenschaften, z.B. der elektrische Widerstand, dieser Schweißverbindungen annähernd gleich. Mit der optimierten Kreisringfläche AR wird bei gleicher Schweißkraft F ein höherer Anpressdruck P2 als bei dem nach dem Stand der Technik ausgebildeten Reibrührelement 25 (Anpressdruck P1) eingestellt, was zur Reduzierung einer Prozesszeit führt.
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In jedem Fall erfolgt beim Reibrührelement 3 die Kraftübertragung bei der optimierten, stromtragenden Kreisringschweißnaht nur über die nötige Kreisringfläche AR .
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Gegenüber dem weiteren Reibrührelement 27 des Standes der Technik (3b), welches eine vollflächige Stirnseite 31 aufweist, werden bei dem Reibrührelement 3 die elektrischen Eigenschaften, wie der elektrische Widerstand, der Kreisringschweißnaht 17 verbessert, da der Außenumfang U2 der Stirnfläche 5 größer ist als der Umfang U3 des Reibrührelementes 27. Die Kreisringfläche AR des Reibrührelementes 5 ist gleich der Vollfläche AR der Stirnseite 31 des Reibrührelementes 27, was eine gleiche Schweißkraft F zur Folge hat. Allerdings lässt sich die notwendige Drehzahl des Reibrührelementes 3 durch die vorgeschlagene Lösung bei konstanter Umfangsgeschwindigkeit um etwa 30 % reduzieren.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterung in der Beschreibung, definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 3
- Reibrührelement
- 5
- Stirnfläche
- 7
- Kreisring
- 9
- Hohlraum
- 11
- Boden des Hohlraumes
- 13
- Blech
- 15
- Blech
- 17
- Schweißpunkt
- 19
- Spalt
- 21
- Blechstapel
- 23
- Blechstapel
- 25
- Reibrührelement
- 27
- Reibrührelement
- 29
- Stirnseite
- 31
- Stirnseite
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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