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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur mechanischen Verbindung von mindestens zwei metallischen Werkstücken, insbesondere mechanische Verbindung durch Reibschweißen, wobei mindestens ein erstes Werkstück relativ zu einem zweiten Werkstück drehend bewegt wird, wobei die Werkstücke jeweils eine Fügefläche aufweisen, wobei die Fügeflächen, aufgrund von Reibungswärme, durch die Relativbewegung, auf eine vorgegebene Schmiedetemperatur gebracht und plastifiziert werden, wobei die Werkstücke nach Beenden der Relativbewegung in einer Stauchphase zusammengepresst und durch verrühren der Fügeflächen miteinander verbunden werden.
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Daneben betrifft die Erfindung eine Reibschweißverbindung zwischen einem ersten Werkstück und einem zweiten Werkstück, wobei das erste Werkstück und das zweite Werkstück eine Fügefläche aufweisen und wobei das erste Werkstück und das zweite Werkstück über die Fügefläche miteinander verbunden sind.
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Reibschweißen wird zum Verbinden von vorzugsweise rotationssymmetrischen Werkstoffen angewendet. Dabei wird ein Werkstück relativ zu einem zweiten Werkstück drehend bewegt, während beide Werkstücke aneinander gepresst werden. Die Drehachse und die Fügefläche stehen dabei senkrecht zueinander. Durch die entstehende Reibungswärme, den Druck und die Relativbewegung werden metallische Teile plastifiziert. Sie sind dann in einem „teigigen“ Zustand und können oberflächlich miteinander verrührt werden. In einer nach gestoppter Relativbewegung direkt anschließenden Stauchphase werden die Bauteile zusammen gepresst. Zur weiteren Verbindung werden Diffusionseffekte genutzt und die Werkstücke kühlen unter Druck ab.
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Bindungseffekte entstehen insbesondere durch oberflächliches Aktivieren und Verrühren der Werkstoffe. Die Fügeflächen der Werkstücke werden üblicherweise nicht angeschmolzen sondern in einem teigigen Zustand verrührt, so dass typischerweise an beiden Werkstücken ein extrem feinkörniges Rekristallisationsgefüge entsteht. Der dabei genutzte Temperaturbereich ist die Schmiedetemperatur, bei der die Werkstoffe verarbeitbar werden. Der Temperaturbereich der Schmiedetemperatur liegt unterhalb der Schmelztemperatur bzw. des Schmelzpunkts. Durch diese Kornverfeinerung im Fügebereich steigt auf beiden Seiten die Werkstofffestigkeit an. Das feinkörnige Gefüge zeichnet sich zudem typischerweise durch eine relativ hohe Zähigkeit aus, so dass korrekt ausgeführte Reibschweißverbindungen besonders hohe Tragfähigkeiten erreichen können.
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Dadurch, dass bei diesem Fügeprozess keine Schmelze entsteht und keine gemeinsame Löslichkeit der Werkstoffe erforderlich ist, sind nahezu beliebige Materialkombinationen verschiedener Metalle reibschweißbar, auch Paarungen, die z. B. aufgrund großer Differenzen der Schmelztemperatur mittels anderer Verfahren als nicht schweißbar gelten wie z. B. Alu/CrNi-Stahl oder Wolfram/Alu. Herausforderung bei der Verbindung von Bauteilen aus Kupferwerkstoffen ist insbesondere die hohe thermische Leitfähigkeit. Diese führt dazu, dass die Fügezone während der Bremsphase der drehenden Bewegung stark abkühlt und dadurch verfestigt und an Verrühr- und Umformfähigkeit verliert. Durch ein bei Unterschreiten einer kritischen Temperatur noch anliegendem Bremsmoment, beispielsweise aufgrund der Masseträgheit von Anlagen- und Vorrichtungsteilen, kann die Verbindung bei zu langen Bremsdauern beschädigt und abtordiert werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbindung von mindestens zwei metallischen Werkstücken durch mechanische Reibung zu erreichen das wirtschaftlich, gut automatisierbar ist und womit Verbindungen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit bzw. geringem Übergangswiderstand realisiert werden können.
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Diese Aufgabe ist bei dem eingangs genannten Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 dadurch gelöst, dass zwischen den Fügeflächen ein weiteres Werkstück angeordnet wird, dass die Schmelztemperatur des weiteren Werkstücks unterhalb der Schmelztemperatur des ersten Werkstücks und des zweiten Werkstücks liegt und dass das weitere Werkstück einen geringeren Reibungskoeffizienten zu dem ersten und dem zweiten Werkstück aufweist, als der Reibungskoeffizient des ersten Werkstücks und des zweiten Werkstücks zueinander. Durch den verringerten Reibungskoeffizienten ist tendenziell eine längere Reibzeit bis zum Erreichen der Schmiedetemperatur erforderlich. Gleichzeitig ist aber auch eine geringere Arbeitstemperatur erforderlich, da das weitere Werkstück eine geringere Schmelztemperatur aufweist. Die insgesamt verlängerte Reibzeit auf einer durch das weitere Werkstück definierten Gleitebene vermeidet plötzliches Ausbrechen (Fressen) der zu verbindenden Werkstücke in der Fügezone. Das weitere Werkstück wird nicht, wie beispielsweise bei einer Lötverbindung, geschmolzen und in den flüssigen Zustand überführt. Das weitere Werkstück wird lediglich plastifiziert und mit dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück bzw. mit deren Fügeflächen im teigigen Zustand verrührt. Bei einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das weitere Werkstück eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist und dass die erste Seite mit der Fügefläche des ersten Werkstücks und die zweite Seite mit der Fügefläche des zweiten Werkstücks verbunden wird. Das weitere Werkstück wird folglich zwischen dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück angeordnet. Es kann beispielsweise zuvor durch eine Pressverbindung mit dem ersten Werkstück oder dem zweiten Werkstück verbunden werden, sodass das weitere Werkstück bereits an einem Werkstück fixiert ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass bei der Verbindung des ersten Werkstücks und des zweiten Werkstücks eine Verbindungszone ausgebildet wird, in der sich die Fügefläche des ersten Werkstücks, die Fügefläche des zweiten Werkstücks und das weitere Werkstück befinden und dass in der Verbindungszone ein Wulst ausgebildet wird. Aufgrund des weiteren Werkstücks, das nicht geschmolzen wird, sondern bei seiner Schmiedetemperatur verformt und mit den anderen Werkstoffen verrührt wird, entsteht folglich ein Wulst beim Stauchen der Werkstücke. Der Wulst wird, aufgrund des weiteren Werkstücks, gleichmäßig und voluminös ausgeprägt. Die erforderliche Energie kann deutlich besser gesteuert eingetragen werden. Durch das weitere Werkstück wird ein „Fressen“ vermieden und eine gleichmäßige rotationssymmetrische pilzförmige Wulstbildung wird begünstigt. Ausbrüche, wie beispielsweise bei Werkstücken aus Messing, die ohne weiteres Werkstück verarbeitet werden, können durch den Einsatz des weiteren Werkstücks vermieden werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird dadurch weiter verbessert, dass während der drehenden Bewegung mindestens eines Werkstücks zunächst die Fügefläche des Werkstücks mit dem weiteren Werkstück verbunden wird, das den geringeren Reibungskoeffizienten zu dem weiteren Werkstück aufweist. Durch die Reduzierung des Reibungskoeffizienten kann der Energieeintrag mittels Drehzahl und Anpressdruck einfacher gesteuert werden. Somit kann zunächst das weitere Werkstück mit dem ersten oder dem zweiten Werkstück verbunden werden, indem die Fügeflächen plastifiziert und miteinander verrührt werden. Anschließend kann der Verbund aus beispielsweise dem ersten Werkstück und dem weiteren Werkstück mit dem übrigen Werkstück auf die gleiche Weise verbunden werden. Genauso kann das weitere Bauteil zunächst mit dem zweiten Werkstück verbunden werden und anschließend wird der Verbund aus zweitem Werkstück und weiterem Werkstück mit dem ersten Werkstück verbunden.
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Das Verfahren ist insbesondere für elektrotechnische Einsatzzwecke interessant. Dazu ist bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, dass das erste Werkstück und das zweite Werkstück elektrisch leitend miteinander verbunden werden. Bei der Verbindung der metallischen Werkstücke miteinander muss also darauf geachtet werden, dass die Werkstücke über ihren Querschnitt derart miteinander verbunden werden, dass eine gute elektrische Leitfähigkeit gegeben ist. Daher ist es sinnvoll, dass das weitere Werkstück ebenfalls aus einem metallischen Material besteht, um die Leitfähigkeit zu realisieren. Ein Anwendungsbeispiel des Verfahrens für elektrotechnische Komponenten ist beispielsweise die Herstellung von Rundsteckverbindern aus Kupfer und einer Messinglegierung.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird auch durch die eingangs genannte Reibschweißverbindung zwischen einem ersten Werkstück und einem zweiten Werkstück dadurch gelöst, dass zwischen den beiden Fügeflächen ein weiteres Werkstück angeordnet ist, dass die Schmelztemperatur des weiteren Werkstücks unterhalb der Schmelztemperatur des ersten Werkstücks und des zweiten Werkstücks liegt und dass das weitere Werkstück einen geringeren Reibungskoeffizienten zu dem ersten und dem zweiten Werkstück aufweist, als der Reibungskoeffizient des ersten Werkstücks und des zweiten Werkstücks zueinander.
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Eine Ausgestaltung der Reibschweißverbindung sieht vor, dass die Reibschweißverbindung nach dem oben genannten Verfahren hergestellt ist.
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Zur einfacheren Herstellung der Reibschweißverbindung ist bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das weitere Werkstück scheibenförmig, vorzugsweise rotationssymmetrisch, ausgestaltet ist. Das scheibenförmige weitere Werkstück ist folglich lediglich eine Art Bindeglied zwischen den miteinander verbundenen Werkstücken.
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Zur weiteren Vereinfachung bei der Herstellung der Reibschweißverbindung ist vorgesehen, dass das weitere Werkstück etwa den gleichen Durchmesser aufweist, wie die Fügefläche des ersten Werkstücks und/oder die Fügefläche des zweiten Werkstücks. Auf diese Weise ist der entstehende Wulst der einzige Materialaustritt an den Seiten der zu verbindenden Werkstücke. Der Wulst kann gezielter, voluminöser und gleichmäßiger ausgebildet werden.
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Da die Reibschweißverbindung in erster Linie zwischen dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück hergestellt werden soll, ist bei einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Reibschweißverbindung vorgesehen, dass das weitere Werkstück eine geringere Dicke aufweist, als das erste Werkstück und/oder das zweite Werkstück. Das weitere Werkstück dient in erster Linie der Vereinfachung des Verbindungsprozesses. Eine geringe Dicke des weiteren Werkstücks reicht bereits aus, um die Prozessparameter beim Reibschweißen derart zu verändern, dass der Energieeintrag, wie zuvor ausgeführt, besser gesteuert werden kann. Die Dicke des weiteren Werkstücks kann dabei zwischen 0,1 mm und 1 mm betragen.
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Um das weitere Werkstück zu fixieren, ist bei einer weiteren Ausgestaltung der Reibschweißverbindung vorgesehen, dass an dem ersten Werkstück oder dem zweiten Werkstück ein Zapfen ausgebildet ist, dass das weitere Werkstück eine Ausnehmung aufweist in die der Zapfen hineinragt, sodass das weitere Werkstück zentriert ist. Zusätzlich kann das weitere Werkstück an dem ersten Werkstück oder dem zweiten Werkstück angepresst sein. So wird insgesamt sichergestellt, dass das weitere Werkstück während der Herstellung nicht von dem ersten oder dem zweiten Werkstück abfallen kann.
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Darüber hinaus ist bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das zweite Werkstück einen Hohlraum aufweist, in den der Zapfen des ersten Werkstücks eindringt. Somit kann das weitere Werkstück während des Reibschweißens nicht weiter bewegt werden. Durch den Zapfen ist es zum einen radial fixiert. Während der Stauchphase der beiden Werkstücke ist es zudem auch axial fixiert. Zusätzlich kann der Zapfen des ersten Werkstücks derart in den Hohlraum des zweiten Werkstücks eindringen und sich verformen, dass beim Erkalten der Reibschweißverbindung zusätzlich zur Reibschweißverbindung ein Formschluss zwischen dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück entsteht.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das erste Werkstück und/oder das zweite Werkstück aus einer Kupfer- oder Messinglegierung besteht. Gerade die thermische Leitfähigkeit von Kupfer führt dazu, dass der Werkstoff während einer Abbremsphase der drehenden Bewegung bei der Herstellung der Reibschweißverbindung bereits so sehr erkaltet, dass die bereits entstandene Verbindung durch das Torsionsmoment beim Bremsen der Drehbewegung beschädigt wird. Das weitere Werkstück dient dazu, genau diese Materialien auch für einen Reibschweißprozess nutzbar zu machen. Ähnlich verhält es sich bei Messinglegierungen, die ebenfalls Anwendung für die vorliegende Reibschweißverbindung finden. Generell können Metalle mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit besser mit der erfindungsgemäßen Reibschweißverbindung als auch durch das erfindungsgemäße Verfahren miteinander verbunden werden, als mit den im Stand der Technik gängigen Verfahren.
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Um diesen Effekt weiter zu verbessern ist bei einer weiteren Ausgestaltung der Reibschweißverbindung vorgesehen, dass das weitere Werkstück aus einer Legierung besteht, deren Bestandteile zumindest teilweise auch in dem ersten Werkstück und/oder dem zweiten Werkstück enthalten sind. Somit sind die Materialeigenschaften des weiteren Werkstücks zumindest teilweise ähnlich zu denen des ersten Werkstücks und/oder des zweiten Werkstücks.
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Zur Verbesserung der Handhabung bei der Herstellung der Reibschweißverbindung ist bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das weitere Werkstück ein Hartlot ist und vorzugsweise aus einer CuAg-Legierung oder einer Nickel-Legierung oder einer Silber-Legierung besteht. Diese Werkstoffe weisen eine günstige Affinität, Mischbarkeit und Diffusionsneigung zu beispielsweise Kupferwerkstoffen auf. Darüber hinaus zeigen diese Werkstoffe ein günstigeres Reibunsgverhalten im Prozess, verglichen mit den Kupfer-Werkstücken untereinander. Generell sollte das weitere Werkstück aus einem Material bestehen, dessen Eigenschaften günstig in Bezug auf die oben genannten Kriterien sind. Darüber hinaus sollte das weitere Werkstück einen Schmelzpunkt aufweisen, der niedriger ist, als der Schmezlpunkt der zu verbindenden Werkstücke. Außerdem sollte sich das weitere Werkstück mit den Werkstoffen beider Werkstücke im Reibschweißprozess verrühren lassen. Die oben genannten Werkstoffe zeigen diese Eigenschaften in Verbindung mit Kupfer- und Messinglegierungen und der Verbindung dieser Werkstoffe miteinander.
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Im Einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Reibschweißverbindung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf die den Patentansprüchen 1 und 6 nachgeordneten Patentansprüche als auch auf die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
- 1 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Verbindung von zwei metallischen Werkstücken,
- 2 eine schematische Darstellung des Verfahrens gemäß 1, während der Verbindung und
- 3 eine schematische Darstellung der Mikrostruktur von zwei verbundenden Werkstücken.
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1 zeigt ein eingespanntes erstes Werkstück 1 und ein eingespanntes zweites Werkstück 2, die miteinander verbunden werden sollen. Dazu weisen das erste Werkstück 1 eine Fügefläche 3 und das zweite Werkstück 2 ebenfalls eine Fügefläche 4 auf Zwischen dem ersten Werkstück 1 und dem zweiten Werkstück 2 ist ein weiteres Werkstück 5 angeordnet. Das weitere Werkstück 5 weist eine erste Seite 6, die der Fügefläche 3 des ersten Werkstücks 1 zugewandt ist und eine zweite Seite 7, die der Fügefläche 4 des zweiten Werkstücks 2 zugewandt ist, auf. Während des Verbindungsprozesses wird das erste Werkstück 1 mit einer Kraft F in Richtung des zweiten Werkstücks 2 bewegt und mit einem vorgegebenen Druck an das zweite Werkstück 2 gepresst (hier nicht dargestellt). Das zweite Werkstück 2 rotiert währenddessen bei einer vorgegebenen Drehzahl.
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2 zeigt den fortgeschrittenen Verbindungsprozess gemäß 1, bei dem das erste Werkstück 1 mit dem zweiten Werkstück 2 verbunden ist. Dabei entsteht eine Verbindungszone 8, in der sich die Fügefläche 3 des ersten Werkstücks 1, die Fügefläche 4 des zweiten Werkstücks 2 und das weitere Werkstück 5 befinden. Bei der Rotation und dem Aufeinanderpressen der Werkstücke 1, 2, 5 entsteht ein Wulst 9, der über den Durchmesser des ersten Werkstücks 1 und des zweiten Werkstücks 2 übersteht. Die fertige Reibschweißverbindung 10 weist einen gleichmäßigen Wulst 9 auf, der nicht zuletzt durch das weitere Werkstück 5 entsteht. Die gleichmäßige Ausbildung der Wulst 9 wäre ohne das weitere Werkstück 5 nicht ohne weiteres möglich.
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In diesem Ausführungsbeispiel besteht das erste Werkstück 1 aus einer Kupferlegierung, während das zweite Werkstück 2 aus einer Messinglegierung besteht. Während des Verbindungsprozesses wird das weitere Werkstück 5 an einem Zapfen 11 gehalten, der an dem ersten Werkstück 1 ausgebildet ist. Das scheibenförmige weitere Werkstück 5 hat eine Ausnehmung 12, in die der Zapfen 11 eingreifen kann. Das weitere Werkstück 5 ist somit zentriert auf dem ersten Werkstück 1 angeordnet. Der Zapfen 11 kann zusätzlich in einen Hohlraum 13 eingreifen, den das zweite Werkstück 2 aufweist. Somit sind die beiden Werkstücke 1, 2 während des Verbindungsprozesses auch aneinander ausgerichtet, wobei das weitere Werkstück 5 fest zwischen dem ersten Werkstück 1 und dem zweiten Werkstück 2 eingespannt ist.
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Während der drehenden Bewegung des zweiten Werkstücks 2 und dem Anpressen des ersten Werkstücks 1 entsteht Reibwärme. Das weitere Werkstück 5 weist einen geringeren Reibungskoeffizienten zu den beiden Werkstücken 1, 2 auf, als die beiden Werkstücke 1, 2 zueinander. Außerdem ist die Schmelztemperatur des weiteren Werkstücks 5 niedriger als die des ersten Werkstücks 1 und des zweiten Werkstücks 2. Somit ist die Temperatur, bei der die Werkstücke 1, 2 mit Hilfe des weiteren Werkstücks 5 miteinander verbunden werden geringer, als die Temperatur, die benötigt werden würde, um lediglich das erste Werkstück 1 mit dem zweiten Werkstück 2 mittels Reibschweißen zu verbinden. Aufgrund des minimierten Reibungskoeffizienten kann der Energieeintrag gezielter eingebracht werden, wodurch die Automatisierung des Prozesses stabiler und robuster gestaltet werden kann.
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3 zeigt eine grob schematische Darstellung der Mikrostruktur der Reibschweißverbindung 10 der beiden Werkstücke 1, 2 mit dem weiteren Werkstück 5. Dargestellt ist die Verrührung der Werkstoffe des ersten Werkstücks 1, des zweiten Werkstücks 2 und des weiteren Werkstücks 5 untereinander. Bindungseffekte entstehen insbesondere durch oberflächliches Aktivieren und Verrühren der Werkstoffe, wobei oberflächliche Verunreinigungen mit dem Wulst herausgedrückt werden. Die Werkstücke 1, 2, 5 werden während des Verbindungsprozesses nicht angeschmolzen sondern in einem teigigen Zustand verrührt, so dass an beiden Fügeflächen 3, 4 ein extrem feinkörniges Rekristallationsgefüge entsteht, ähnlich wie bei stark warmumgeformten Schmiedeteilen. Durch diese Kornverfeinerung in der Verbindungszone 8 steigt auf beiden Seiten die Werkstofffestigkeit an, so dass die Verbindungszone 8 eine höhere Festigkeit aufweist als die des schwächeren Grundwerkstoffes des ersten Werkstücks 1 und des zweiten Werkstücks 2. Das feinkörnige Gefüge zeichnet sich zudem durch eine relativ hohe Zähigkeit aus, so dass die Reibschweißverbindung 10 eine besonders hohe Tragfähigkeit erreicht.
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Dadurch, dass bei diesem Verbindungsprozess keine Schmelze entsteht und keine gemeinsame Löslichkeit der Werkstoffe erforderlich ist, sind nahezu beliebige Materialkombinationen verschiedener Metalle reibschweißbar, auch Paarungen, die z. B. aufgrund großer Differenzen der Schmelztemperatur mittels anderer Verfahren als nicht schweißbar gelten wie z. B. Alu/CrNi-Stahl oder Wolfram/Alu.
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Durch das weitere Werkstück 5 ist die Reibphase verlängert, die in die Werkstücke 1, 2 eingebrachte Wärmeenergie erhöht und durch das größere erwärmte Werkstückvolumen die Abkühlung verzögert, so dass längere Bremszeiten ermöglicht werden. Die Reibschweißverbindung 10 ist nicht durch Aufschmelzen des weiteren Werkstücks 5 wieder trennbar, da das weitere Werkstück 5 zumindest teilweise mit dem ersten Werkstück 1 und dem zweiten Werkstück 2 verrührt wurde.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Werkstück
- 2
- zweites Werkstück
- 3
- Fügefläche des ersten Werkstücks
- 4
- Fügefläche des zweiten Werkstücks
- 5
- weiteres Werkstück
- 6
- erste Seite
- 7
- zweite Seite
- 8
- Verbindungszone
- 9
- Wulst
- 10
- Reibschweißverbindung
- 11
- Zapfen
- 12
- Ausnehmung
- 13
- Hohlraum
