DE102022122975A1 - Festphasenfügewerkzeug zur Herstellung einer festen Verbindung zwischen zwei Werkstücken bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts der Legierung der Werkstücke - Google Patents

Festphasenfügewerkzeug zur Herstellung einer festen Verbindung zwischen zwei Werkstücken bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts der Legierung der Werkstücke Download PDF

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Benjamin Strobel
Hendrik Paul
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/1245—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding characterised by the apparatus
    • B23K20/1255—Tools therefor, e.g. characterised by the shape of the probe

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Festphasenfügewerkzeug (1) zur Herstellung einer festen Verbindung zwischen zwei Werkstücken bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts der Legierung der Werkstücke umfassend einen Schaftabschnitt (2) mit einem Durchmesser D1, einen Pin (3) mit einem Durchmesser D2, welcher kleiner ist als der Durchmesser D1und einem an einem Übergang von dem Durchmesser D1des Schaftabschnittes (2), zu dem Durchmesser D2des Pins (3) angeordneten Schulterabschnitt (4) mit einem Durchmesser D3, welcher eine Ausnehmung (5) umfasst, wobei der Pin (3) eine Querschnittsfläche (6) umfasst, welche nicht rotationssymmetrisch ist, sodass bei einer Rotation die Querschnittsfläche (6) nicht auf sich selbst zu Deckungsgleichheit bringbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Festphasenfügewerkzeug zur Herstellung einer festen Verbindung zwischen zwei Werkstücken bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts der Legierung der Werkstücke.
  • Die Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet von Rührreibschweißwerkzeugen zur Herstellung qualitativ hochwertiger und belastbarer Verbindungen diverser Materialien.
  • Das Friction Stir Welding oder FSW (zu Deutsch: Rührreibschweißen) gehört zu den Pressschweißverfahren. Bei diesem innovativen thermomechanischen Schweißverfahren werden Metalle mithilfe eines rotierenden Werkzeugs an der Nahtstelle gerührt und - im Vergleich zum Lichtbogen- und Laserstrahlschweißverfahren - nicht geschmolzen. Durch die entstehende Reibung kommt es zur Erwärmung und Plastifizierung des Materials. Am Ende des Reibvorganges ist es von entscheidender Bedeutung, die Teile richtig zueinander zu positionieren und einen hohen Druck auszuüben. Die Vorteile dieses Verfahrens sind, dass die sogenannte Wärmeeinflusszone deutlich kleiner ist als bei anderen Schweißverfahren und dass es nicht zur Bildung von Schmelze in der Fügezone kommt. Es entsteht ein sehr feinkörniges Gefüge mit sehr guten Festigkeitseigenschaften der Verbindungsstelle. Daher eignet sich Rührreibschweißen besonders zum Fügen von Aluminiumlegierungen, Mischverbindungen und technisch reinen Metallen. Auch die Verbindung von metallischen Werkstoffen, die keine Legierungen miteinander eingehen, ist vielfach möglich.
  • Das Verfahren erzeugt qualitativ hochwertige, belastbare Schweißnähte. Die Verbindungen können zu einem späteren Zeitpunkt ohne Probleme umgeformt werden. Aufgrund der geringen thermischen Belastung ist die Technologie optimal zum Schweißen dünner Bleche bis ca. 0,5 mm Materialstärke. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, dass es ohne Zusatzstoffe sowie Schutzgas auskommt.
  • Das Verfahren findet in den unterschiedlichsten Branchen Anwendung, dies sind zum Beispiel: der Automotivebereich, vor allem für die E-Mobilität: Batteriewannen in Guss- und Strangpressbauweise für Hybrid- und BEV-Modelle (Battery Electric Vehicle), Wärmetauscher und Leistungselektronik, sowie die Luft- & Raumfahrttechnik und Consumer Electronics.
  • Bei Rührreibschweißwerkzeugen aus dem Stand der Technik kommt es während des Schweißvorganges zu einem gleichförmigen Energieeintrag in die Werkstücke. Das Problem ist, dass dadurch oftmals nicht ausreichend Energie eingetragen wird.
  • Die Erfindung hat die Aufgabe ein Festphasenfügewerkzeug bereitzustellen, welches die Nachteile im Stand der Technik überwindet und eine gezielte Erhöhung der eingetragenen Energie (Wärme) im Prozess erlaubt.
  • Die Aufgabe wird durch ein Festphasenfügewerkzeug zur Herstellung einer festen Verbindung zwischen zwei Werkstücken bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts der Legierung der Werkstücke mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen bilden den Gegenstand der zugehörigen Unteransprüche.
  • Die Erfindung umfasst ein Festphasenfügewerkzeug zur Herstellung einer festen Verbindung zwischen zwei Werkstücken bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts der Legierung der Werkstücke. Das Festphasenfügewerkzeug umfasst einen Schaftabschnitt mit einem Durchmesser D1, einen Pin mit einem Durchmesser D2, welcher kleiner ist als der Durchmesser D1 und einem an einem Übergang von dem Durchmesser D1 des Schaftabschnittes, zu dem Durchmesser D2 des Pins angeordneten Schulterabschnitt mit einem Durchmesser D3. Der Schulterabschnitt umfasst eine Ausnehmung. Der Pin umfasst eine Querschnittsfläche, welche nicht rotationssymmetrisch ist, sodass bei einer Rotation die Querschnittsfläche nicht auf sich selbst zu Deckungsgleichheit bringbar ist. Dadurch erfolgt ein ungleichförmiger Energieeintrag der Bewegungsenergie in die Werkstücke während des Schweißvorganges, was eine verbesserte Energieausnutzung des Verfahrens bewirkt.
  • Ein vorteilhafter Aspekt sieht vor, dass die Querschnittsfläche einen ersten Querschnittsflächenabschnitt mit einer Seitenlänge I1, einen zweiten Querschnittsflächenabschnitt mit einer Seitenlänge I2 und einen dritten Querschnittsflächenabschnitt mit einer Seitenlänge I3 umfasst, wobei die Seitenlänge I1 ungleich der Seitenlänge I2 und die Seitenlänge I2 ungleich der Seitenlänge I3 ist. Durch die entstehende Unwucht wird ein ungleichmäßiger radialer Druck auf das Werkstück ermöglicht.
  • Besonders vorteilhaft ist, wenn die Seitenlänge I1 größer der Seitenlänge I2 und die Seitenlänge I2 größer der Seitenlänge I3 ist. Dadurch wird die fliehkraftabhängige Auslenkung verstärkt.
  • Nach einem bevorzugten Aspekt umfasst die Querschnittsfläche einen ersten Querschnittsflächenabschnitt mit einer Seitenlänge I1, einen zweiten Querschnittsflächenabschnitt mit einer Seitenlänge I2, einen dritten Querschnittsflächenabschnitt mit einer Seitenlänge I3, einen vierten Querschnittsflächenabschnitt mit einer Seitenlänge I4 und einen fünften Querschnittsflächenabschnitt mit einer Seitenlänge I5 umfasst, wobei die Seitenlänge I1 ungleich der Seitenlänge I2, die Seitenlänge I2 ungleich der Seitenlänge I3, die Seitenlänge I3 ungleich der Seitenlänge I4 und die Seitenlänge I4 ungleich der Seitenlänge I5 ist. Dadurch kann gezielt mehr Wärme im Prozess eingetragen werden.
  • Nach einem vorteilhaften Aspekt ist die Seitenlänge I1 größer der Seitenlänge I2, die Seitenlänge I2 größer der Seitenlänge I3, die Seitenlänge I3 größer der Seitenlänge I4 und die Seitenlänge I4 größer der Seitenlänge I5. Dies bewirkt, dass die Anpresskraft des Werkzeuges optimal eingestellt werden kann.
  • Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Ausnehmung des Schulterabschnittes einen konkaven Radius umfasst. Dadurch kann das das durch Hitzeeinwirkung ausgedehnte Werkstückmaterial aufgenommen werden, was eine Bearbeitung unter 0° Anstellwinkel des Werkzeuges ermöglicht.
  • Nach einem bevorzugten Aspekt liegt das Verhältnis von D2 zu D3 in einem Bereich von 1:4 bis 2:5, bevorzugt in einem Bereich von 3:10 bis 7:20 besonders bevorzugt bei 1:3. Dadurch können deutlich höhere Vorschubgeschwindigkeiten bei einer hohen Prozesssicherheit gewährleistet werden.
  • Vorteilhafterweise umfassen die Querschnittsflächenabschnitte Rillen. Dadurch ist das Festphasenfügewerkzeug besonders verschleißfest.
  • Ein vorteilhafter Aspekt sieht vor, dass das Festphasenfügewerkzeug einteilig ausgebildet ist. Dadurch wird eine höhere Schweißnahtqualität erzielt und es sind höhere Schweißgeschwindigkeiten möglich.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Festphasenfügewerkzeuges mit fünf Querschnittsflächenabschnitten und einer Ausnehmung;
    • 2 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Festphasenfügewerkzeuges; und
    • 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Festphasenfügewerkzeuges.
  • 1 zeigt einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Festphasenfügewerkzeuges 1 zur Herstellung einer festen Verbindung zwischen zwei Werkstücken bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts der Legierung der Werkstücke. Das Festphasenfügewerkzeug umfasst einen Schaftabschnitt 2 mit einem Durchmesser D1, einen Pin 3 mit einem Durchmesser D2, welcher kleiner ist als der Durchmesser D1 und einem an einem Übergang von dem Durchmesser D1 des Schaftabschnittes 2, zu dem Durchmesser D2 des Pins 3 angeordneten Schulterabschnitt 4 mit einem Durchmesser D3, welcher eine Ausnehmung 5 umfasst. Der Pin 3 umfasst eine Querschnittsfläche 6, welche nicht rotationssymmetrisch ist, sodass bei einer Rotation die Querschnittsfläche 6 nicht auf sich selbst zu Deckungsgleichheit bringbar ist. Ausnahmen bilden dabei die Winkellagen 0° und 360°, in denen die Querschnittsfläche 6 deckungsgleich auf sich selbst ist.
  • Im Beispiel des Festphasenfügewerkzeuges 1 aus 1 umfasst die Querschnittsfläche 6 einen ersten Querschnittsflächenabschnitt 7 mit einer Seitenlänge I1, einen zweiten Querschnittsflächenabschnitt 7 mit einer Seitenlänge I2, einen dritten Querschnittsflächenabschnitt 7 mit einer Seitenlänge I3, einen vierten Querschnittsflächenabschnitt 7 mit einer Seitenlänge I4 und einen fünften Querschnittsflächenabschnitt 7 mit einer Seitenlänge I5. Dabei ist die Seitenlänge I1 ungleich der Seitenlänge I2, die Seitenlänge I2 ungleich der Seitenlänge I3, die Seitenlänge I3 ungleich der Seitenlänge I4 und die Seitenlänge I4 ungleich der Seitenlänge I5.
  • Beispielsweise ist die Seitenlänge I1 größer der Seitenlänge I2, die Seitenlänge I2 größer der Seitenlänge I3, die Seitenlänge I3 größer der Seitenlänge I4 ist und die Seitenlänge I4 größer der Seitenlänge I5.
  • Denkbar ist auch ein Festphasenfügewerkzeug dessen Querschnittsfläche 6 einen ersten Querschnittsflächenabschnitt 7 mit einer Seitenlänge I1, einen zweiten Querschnittsflächenabschnitt 7 mit einer Seitenlänge I2 und einen dritten Querschnittsflächenabschnitt 7 mit einer Seitenlänge I3 umfasst. Die Seitenlänge I1 ist dabei ungleich der Seitenlänge I2 und die Seitenlänge I2 ungleich der Seitenlänge I3.
  • Beispielsweise ist die Seitenlänge I1 größer der Seitenlänge I2 und die Seitenlänge I2 größer der Seitenlänge I3.
  • In 2 ist ein Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Festphasenfügewerkzeuges 1 gezeigt. Die Querschnittsflächenabschnitte 7 umfassen Rillen. Das Festphasenfügewerkzeug 1 ist einteilig ausgebildet.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Festphasenfügewerkzeuges 1. Die Ausnehmung 5 des Schulterabschnittes 4 umfasst einen konkaven Radius. Das Verhältnis von D2 zu D3 liegt in einem Bereich von 1:4 bis 2:5, bevorzugt in einem Bereich von 3:10 bis 7:20 besonders bevorzugt bei 1:3.

Claims (9)

  1. Festphasenfügewerkzeug (1) zur Herstellung einer festen Verbindung zwischen zwei Werkstücken bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts der Legierung der Werkstücke umfassend einen Schaftabschnitt (2) mit einem Durchmesser D1, einen Pin (3) mit einem Durchmesser D2, welcher kleiner ist als der Durchmesser D1 und einem an einem Übergang von dem Durchmesser D1 des Schaftabschnittes (2), zu dem Durchmesser D2 des Pins (3) angeordneten Schulterabschnitt (4) mit einem Durchmesser D3, welcher eine Ausnehmung (5) umfasst, wobei der Pin (3) eine Querschnittsfläche (6) umfasst, welche nicht rotationssymmetrisch ist, sodass bei einer Rotation die Querschnittsfläche (6) nicht auf sich selbst zu Deckungsgleichheit bringbar ist.
  2. Festphasenfügewerkzeug (1) nach Anspruch 1, wobei die Querschnittsfläche (6) einen ersten Querschnittsflächenabschnitt (7) mit einer Seitenlänge I1, einen zweiten Querschnittsflächenabschnitt (7) mit einer Seitenlänge I2 und einen dritten Querschnittsflächenabschnitt (7) mit einer Seitenlänge I3 umfasst, wobei die Seitenlänge I1 ungleich der Seitenlänge I2 und die Seitenlänge I2 ungleich der Seitenlänge I3 ist.
  3. Festphasenfügewerkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Seitenlänge I1 größer der Seitenlänge I2 und die Seitenlänge I2 größer der Seitenlänge I3 ist.
  4. Festphasenfügewerkzeug (1) nach Anspruch 1, wobei die Querschnittsfläche (6) einen ersten Querschnittsflächenabschnitt (7) mit einer Seitenlänge I1, einen zweiten Querschnittsflächenabschnitt (7) mit einer Seitenlänge I2, einen dritten Querschnittsflächenabschnitt (7) mit einer Seitenlänge I3, einen vierten Querschnittsflächenabschnitt (7) mit einer Seitenlänge I4 und einen fünften Querschnittsflächenabschnitt (7) mit einer Seitenlänge I5 umfasst, wobei die Seitenlänge I1 ungleich der Seitenlänge I2, die Seitenlänge I2 ungleich der Seitenlänge I3, die Seitenlänge I3 ungleich der Seitenlänge I4 und die Seitenlänge I4 ungleich der Seitenlänge I5 ist.
  5. Festphasenfügewerkzeug (1) nach Anspruch 1 und 4, wobei die Seitenlänge I1 größer der Seitenlänge I2, die Seitenlänge I2 größer der Seitenlänge I3, die Seitenlänge I3 größer der Seitenlänge I4 ist und die Seitenlänge I4 größer der Seitenlänge I5 ist.
  6. Festphasenfügewerkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmung (5) des Schulterabschnittes (4) einen konkaven Radius umfasst.
  7. Festphasenfügewerkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis von D2 zu D3 in einem Bereich von 1:4 bis 2:5, bevorzugt in einem Bereich von 3:10 bis 7:20 besonders bevorzugt bei 1:3 liegt.
  8. Festphasenfügewerkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Querschnittsflächenabschnitte (7) Rillen umfassen.
  9. Festphasenfügewerkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Festphasenfügewerkzeug (1) einteilig ausgebildet ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20020011509A1 (en) 2000-05-08 2002-01-31 Nelson Tracy W. Friction stir welding using a superabrasive tool
US20060175382A1 (en) 2003-11-10 2006-08-10 Packer Scott M Tool geometries for friction stir spot welding of high melting temperature alloys
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