DE19620273A1 - Verfahren zum reibschweißartigen Fügen von Holz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum reibschweißarti­ gen Fügen. Reibschweißverfahren sind seit längerem in der industriellen Fertigung eingeführt und haben sich in vie­ len Fertigungsbereichen für unterschiedlichste Bauteile gut bewährt. Die Verfahren zeichnen sich vor allem durch kurze Schweißzeit, gute Reproduzierbarkeit, hohe Qualität, symmetrische Wärmeeinbringung, geringe Wärmebelastung der Bauteile und niedrigen Energiebedarf aus.

Beim Rotationsreibschweißen werden die stumpf zu fügenden Teile gespannt und unter Kraft ohne Zusatzwerkstoffe zu­ sammengeführt. In der Berührfläche kommt es zu einer Rela­ tivbewegung zwischen den Bauteilen und zu Reibungsvorgän­ gen, die zur Erwärmung der Teile führen. Nach ausreichen­ der Wärmeeinbringung wird die Relativbewegung aufgehoben, und die Teile werden unter Kraft gefügt.

Neben dem stationären Rotationsreibschweißen sind Verfah­ rensvarianten wie das Linear-, Radial-, Reibauftrag-, Reibbolzen-, Ozillations- und Orbitalreibschweißen be­ kannt.

Die Schweißparameter (Drehzahl, Reibkraft, Axialkräfte, Schweißzeit etc.) lassen sich gut erfassen und werden an die Eigenschaften der jeweils zu fügenden Werkstoffe an­ gepaßt.

Die Verbindungsbildung beim Reibschweißen kann etwa mit der des Diffusionsschweißens verglichen werden. Durch die axialen Kräfte und die daraus resultierenden Verformungen nähern sich die beiden Oberflächen einander an. Diese An­ näherung und die entstehenden Gittereffekte beschleunigen die Diffusion der Metallatome. Durch die ständige Rekri­ stallisation (Bedingung: ausreichende Verformung und Über­ schreiten der Rekristallisationstemperatur) entsteht ein feinkörniges Gefüge, so daß gute mechanische Eigenschaften im Bereich der Schweißnaht entstehen.

Die Energie für die Entstehung der Verbindung wird einer­ seits durch die Relativbewegung der Werkstücke und ande­ rerseits durch den axialen Druck eingebracht. Die entste­ henden Reibungskräfte setzen sich aus Deformationskräften und Adhäsionskräften (Anziehungskräfte an der Grenzfläche zweier Stoffe) zusammen.

Die Entstehung der Bindung ist im einzelnen noch nicht restlos geklärt und wird einem Zusammenwirken unter­ schiedlicher Mechanismen zugeschrieben. Man nimmt an, daß an den Oberflächenschichten der Werkstücke zum Teil Ver­ schweißungen durch örtliches Aufschmelzen entstehen. Ande­ rerseits wird angenommen, daß der Werkstoff während der Verformung örtlich im fließenden Zustand vorliegt. Es herrschen dann Temperaturen um den Erweichungs- bzw. Schmelzpunkt, die Schweißbrücken entstehen lassen. Es er­ scheint jedoch gesichert, daß man für eine Verbindungsbil­ dung den schmelzflüssigen Zustand nicht erreichen muß.

Aufgrund des beschriebenen Bindungsmechanismus beim Reib­ schweißen galt es bislang als undenkbar, andere Werkstoffe als Metalle oder Kunststoffe mittels Reibschweißen mitein­ ander zu verbinden.

Die Anmelder haben erkannt, daß bekannte Reibschweißver­ fahren zum Herstellen von Holzverbindungen nutzbar gemacht werden können, wie dies in Anspruch 1 beschrieben ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Überraschenderweise wurde von den Anmeldern herausgefun­ den, daß sich die bislang nur für Metalle bekannte Reib­ schweißtechnik auch bei Holzwerkstoffen einsetzen läßt. Es wurde festgestellt, daß bei Holzwerkstoffen, wie bei Me­ tallen, während des Reibvorgangs eine Reibelektrizität auftritt, die für den Fügevorgang unter Druck und erhöhter Temperatur grundlegende Neustrukturbildungen der Kohlen­ wasserstoffsubstanzen des Holzmaterials einleitet. Diese Aktivierung der zu fügenden Oberflächen wird durch den Reibvorgang ausgelöst, der zu Wechselwirkungen der Reib­ partner und zur Ausbildung einer hochaktiven Prozeßzone führt, die mechanische, elektrische und chemische Verände­ rungen im Reibspalt verursacht. In einer anschließenden Phase wird die Bindungskinetik durch den eingeleiteten Stauchdruck ausgelöst.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf eine Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Rotations­ schweißvorrichtung,

Fig. 2 ein Diagramm, das den zeitlichen Verlauf des Reib­ momentes und der Temperatur bei einen Reibschweißvorgang zeigt,

Fig. 3A und 3B jeweils schematisch die Prozeßzone während der Reibaktivierung zwischen den Reibteilen.

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer herkömmlichen Reibschweißmaschine, wie sie beispielsweise in der Automo­ bil-, Werkzeug- oder Flugzeugindustrie eingesetzt wird. Ein rotations- oder nicht rotationssymmetrisches Werkstück 1 mit massivem oder hohlem Querschnitt wird durch ein Spannwerkzeug 2 gehalten, welches durch einen nicht darge­ stellten Antrieb in rotierende Bewegung (Pfeil 3) versetzt wird. Eine Bremse 4 dient zum (positionsgenauen) Abbremsen der Spindel 2 und damit des Werkstücks 1. Das mit dem Werkstück 1 zu verschweißende Werkstück 4 ist in einem nicht rotierenden Spannwerkzeug 5 gehalten, welches mit­ tels eines Hydraulikzylinders 6 in Richtung des Pfeils 7 gegen das rotierende Werkstück 1 bewegt werden kann. Die wichtigsten Parameter beim Schweißvorgang sind Drehzahl, flächenbezogene Reibkraft und Reibzeit/Reibung, flächenbe­ zogene Stauchkraft und Stauchzeit/Stauchweg.

Der Schweißvorgang kann in mehrere Phasen unterteilt wer­ den, die anhand charakteristischer Verläufe typischer Pro­ zeßgrößen in Fig. 2 erläutert sind. Nachdem die zu schwei­ ßenden Teile eingespannt, die Spindel auf Nenndrehzahl gebracht und der Arbeitsschlitten in Schweißposition ge­ fahren ist, kommt es in der ersten Phase (I) zu einer er­ sten Werkstückberührung. Dieser Bereich kennzeichnet die Haltereibung, ein Produkt der Anziehung von Oberflächen­ abschnitten mit nicht abgesättigten Valenzen. Die Phase II ist das energetische Gebiet der Haftschichtenreibung. Sie paßt die Reibflächen an die Verhältnisse von Druck und Geschwindigkeit an, wobei der Verschleiß dominant wirkt. Die lokalen Platifizierungen induzieren in der Zeit eine weitere Erhöhung der Temperatur (T), welche wiederum Dif­ fusions- und Absorptionsvorgänge der Oberflächenatome in Aktion setzt, so daß eine Prozeßzone schon hier von eini­ gen Hundertstelmillimetern entsteht.

Mit fortschreitender Reibung baut sich die Temperatur schnell auf, und es entstehen Temperaturgradienten inner­ halb der Werkstücke. In der Phase III des zeitlichen Reib­ momentenverlaufes herrschen abrasiver Verschleiß, Warmpressen und Preßverschweißungen vor. Die Energiean­ sammlung reicht soweit, daß Oberflächendetails sphärisch eingeformt werden, und erste Schmelzinseln deuten im Reib­ spalt den Umschlag ins Gebiet der Mischreibung an (Phase IV), bei der das Reibmoment zurückgeht. Der Extrempunkt M_{R, max} steht für diesen Qualitätsumschlag und den Beginn der Entwicklung der Mischreibung.

Das exponentielle Zurückgehen der Trockenreibung im Be­ reich IV bis auf rund 30% der Gesamthöhe des erste Maxi­ mums legt die Höhe des Niveaus V fest, wo Misch- und Trockenreibung, beide mit unterschiedlichen Wichtungen und gestaltet von der aktuellen Viskosität der Schmelzinseln, den Verlauf des Reibmomentes bestimmen. Hier sind ausrei­ chend Schmelzinseln vorhanden, so daß Hohlräume ausgefüllt werden. Reibionisierungen produzieren Ladungsträger für den Bindungsmechanismus.

In diesem Zustand kann die Aktivierungsphase beendet und die Stauchphase eingeleitet werden. In der Stauchphase tritt beim Abbremsen der Rotation ein weiteres Reibmoment­ maximum auf, an das sich die eigentliche Ausbildung der Schweißverbindung anschließt.

Fig. 3A und 3B erläutern die Vorgänge in der Prozeßzone. Im Spalt der miteinander in Wechselwirkung stehenden Ober­ flächen treten hohe Energiefreisetzungsraten auf, die in­ folge von Oszillationen und Verschleiß vorhandener Rauhig­ keiten entstehen. Anfangs bleibt die Ausdehnung der Pro­ zeßzone auf weniger als 100 µm beschränkt. Innerhalb die­ ser Abmessungen kommt es zu einer Entartung der Werkstof­ fe, d. h. zu Veränderungen der Eigenschaften in unmittel­ barer Umgebung des Reibspalts.

Bei der Aktivierung werden die unmittelbaren Kontaktober­ flächen verändert. Temperatur und Verschleiß bewirken zeitlich eine Ausdehnung der Prozeßzone von den unmittel­ baren Kontaktflächen in die Reibpartner hinein. Es bildet sich ein dritter prozeßtypischer Reibkörper, dessen Aus­ dehnungen von der Reibenergiedichte abhängen. Um die Wär­ meeinflußzonen und den Verschleiß gering zu halten, sollte daher sehr schnell die Phase der Aktivierung überwunden werden, wodurch die künftige Qualität der Bindung zwischen den Teilen beeinflußt wird.

Diese Phase ist - stark schematisiert - in Fig. 3A darge­ stellt, wobei sich zwischen den Reibpartnern 1 und 4 eine Prozeßzone 10 ausgebildet hat, in deren Bereich durch Wär­ mefreisetzung und Reibelektrizität lokale Schmelzinseln 11, losgerissene Oberflächenatome, Moleküle oder deren Bruchstücke 12 sowie freie Elektronen 13 anzutreffen sind. Die Grenzfläche zwischen der Prozeßzone und den Festkör­ pern wird durch sogenannte Coulombzentren 14 gebildet.

Die Ionisierung der Reibflanken aufgrund der Reibung er­ zeugt ein sehr intensives statisches Feld, welches pola­ sierend wirkt und den Reibspalt überbrückt. Dieser Zustand ist labil und existiert nur bei Reibung. Hört diese auf und setzt ein Stauchdruck die Teile auf Kontakt im nm-Be­ reich, so entsteht ein vereinheitlichter Festkörper (Fig. 3B). Dieser bildet sich infolge des Rekombinationsbestre­ bens der geladenen Reibflanken (Coulombzentren) mit den in der Prozeßzone vorhandenen Elektronen, wobei neue physika­ lische und/oder chemische Bindungen entstehen. Die Schmelzinseln füllen vorhandene Hohlräume aus, welche dem Rekombinationsprozeß zwischen Ionen und Elektronen als Vorstufe fester Verbindungen entgegenstehen. Kristall­ wachstum und Vernetzungen tragen dazu bei, daß der Trenn­ spalt "heilt" und schließlich ganz verschwindet. Relaxa­ tions- und Diffusionsvorgänge reduzieren noch vorhandene Erregungszustände der Bindungszone.

Die Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, daß bei Verwendung von Holz als Fügungs- bzw. Reib"schweiß"materi­ al die vorstehend beschriebenen Vorgänge ganz analog wie bei Verwendung von Metallen ablaufen, wobei insbesondere die Kombination von Wärme, Reibelektrizität und Druck eine entscheidende Rolle spielt, um die für den Fügevorgang verantwortliche Neustrukturbildung des Materials in die Wege zu leiten.

Während man bei Holz-/Kunststoffverbindungen zum Teil noch von Schmelzinseln im Reibspalt sprechen kann, zumindest wenn thermoplastische Kunststoffe verwendet werden, ist diese Vorstellung im Fall von Holz-/Kunststoffverbindungen möglicherweise nicht voll übertragbar.

Entscheidend ist nur die erfindungsgemäße Übertragbarkeit des Verfahrens und der Erzeugnisse als Ganzes.

Die in der vorangehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiede­ nen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims (10)

1. Verfahren zum reibschweißartigen Fügen zweier Werkstücke, bei dem die Werkstücke an einer Kontaktfläche mit einem Anpreßdruck gegeneinander angedrückt werden, unter Beibehaltung des Anpreßdrucks während einer Reibzeit in reibende Relativbewegung zueinander versetzt und anschließend im Stillstand mit einem Stauchdruck aneinandergepreßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der beiden Werkstücke (1, 4) aus Holz besteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung der Werkstücke (1, 4) eine Rotationsbewegung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung eine oszillierende Rotationsbewegung ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung der beiden Werkstücke (1, 4) eine oszillierende Linearbewegung ist.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eines der beiden Werkstücke aus Kunststoff besteht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Werkstücke (1, 4) aus Holz bestehen.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stauchdruck zur Festigkeit der Holzfasern proportional ist.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche der beiden Werkstücke mit einem Inertgas beaufschlagt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der Kontaktfläche der beiden Werkstücke evakuiert wird.

10. Reibschweißartige Fügung zweier Werkstücke, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügung mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt ist.