DE19630271A1 - Verfahren zum Verbinden eines plastifizierbaren Werkstücks mit einem anderen Werkstück - Google Patents
Verfahren zum Verbinden eines plastifizierbaren Werkstücks mit einem anderen WerkstückInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden bzw.
Fügen eines plastifizierbaren Werkstücks mit einem ande
ren, welches ebenfalls plastifizierbar sein kann, d. h.
beispielsweise zweier oder mehrerer plastifizierbarer,
insbesondere metallischer Werkstücke.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Reibelement sowie
eine Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Ver
fahrens.
Es sind bereits unterschiedliche Verbindungstechniken für
plastifizierbare bzw. metallische Werkstücke auf der Basis
einer Schweißverbindung bekannt. Je nach Anwendungsbe
reich, insbesondere beim Verbinden von (Aluminium-)Dünn
blechen, weisen die bekannten Fügungstechniken allerdings
dahingehend gravierende Nachteile auf, daß sie extrem ko
stenintensiv sind, aufwendige Apparaturen benötigen oder
eine besondere Materialvorbereitung erforderlich ist, wo
bei selbst dann manche Materialpaarungen praktisch kaum zu
fügen sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zum Verbinden bzw. Fügen eines plastifizierbaren
bzw. metallischen Werkstücks mit einem anderen zu schaf
fen, bei dem die genannten und weitere Nachteile vermieden
werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Ver
fahren zum Verbinden eines plastifizierbaren Werkstücks
mit einem anderen Werkstück, wobei
- (a) ein erstes Werkstück im Bereich einer Fügezone gegen ein Basiswerkstück angedrückt wird,
- (b) ein Reibelement unter aktivierender Relativbewegung gegenüber den Werkstücken in Richtung auf die Füge zone gegen das erste Werkstück angedrückt wird,
- (c) das Reibelement unter Bildung einer aktivierten, pla stifizierten Prozeßzone das erste Werkstück durch dringt und diese Prozeßzone in den Bereich der Füge zone bringt,
- (d) das Reibelement zurückgezogen wird, wobei ein Reib schweißverbund der Werkstücke im Bereich der Fügezone erzeugt wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen beschrieben.
Die Fügezone der Werkstücke bildet sich dabei nach einem
Mechanismus aus, der ähnlich ist wie der vom Reibschweißen
her bekannte Fügungsvorgang. Durch Schaffung einer hoch
aktiven, energiereichen und gleichzeitig mechanisch durch
mischten Prozeßzone im Verbindungsbereich der beiden Werk
stücke ist es möglich, Metalle bzw. Legierungen miteinan
der zu verbinden, die bislang als kaum bzw. schwer fügbar
galten, wie beispielsweise Dünnbleche aus Aluminium, bei
denen die Oxidschicht sehr hinderlich ist.
In vorrichtungsmäßiger Hinsicht wird die Erfindung durch
ein Reibelement sowie eine Vorrichtung zum Ausführen des
erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst.
Das vorzugsweise als rotierender Stempel ausgebildete
Reibelement bildet aufgrund der Aktivierung bzw. Wärmeer
zeugung durch Reibungskräfte einen ringförmigen Wall teil
weise oder vollständig geschmolzenen Materials, der durch
den Druck des Stempels und durch Flieh- und Kapillarkräfte
gleichmäßig in die Fuge zwischen den Werkstücken sowie in
den Zwischenraum zwischen Stempelumfangsfläche und umge
bendem Material eingebracht wird.
Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens zählt
insbesondere, daß es ohne zusätzliche Schweißhilfsstoffe
wie Zusatzschweißmaterial oder Brenngase auskommt. Als
Folge davon besteht die Verbindungszone zwischen den Werk
stücken ausschließlich aus dem Material der Werkstücke
selbst. Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner auch
ohne Einsatz von Strom ausgeführt werden, indem eine ent
sprechende Vorrichtung beispielsweise mit Druckluft be
trieben wird. Ferner tritt im Gegensatz zum bekannten
Elektro- oder Punktschweißen praktisch keine Funkenent
wicklung auf.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend unter Be
zugnahme auf ein Ausführungsbeispiel und eines erfindungs
gemäß hergestellten Werkstückverbundes näher beschrieben,
wobei:
Fig. 1 bis 5 Querschnittsansichten zweier Werkstücke in
aufeinander folgenden Phasen der Herstellung des Werkstück
verbunds sind, und
Fig. 6 einen Verbund aus drei Werkstücken im Querschnitt
zeigt.
Fig. 1 bis 4 erläutern die Herstellung eines in Fig. 5
dargestellten, fertigen Werkstückverbunds gemäß der Erfin
dung. Fig. 1 zeigt zwei plattenförmige, aufeinanderliegen
de Werkstücke 1 und 2, die beispielsweise Bleche oder Tei
le von miteinander zu verbindenden Hohlprofilen sein kön
nen. Die beiden Teile werden hierbei fest aneinanderge
preßt. Es ist hingegen nicht erforderlich, die Oberflächen
der Werkstücke 1 und 2 im Bereich der Füge- bzw. Kontakt
zone 3 speziell zu behandeln, Walz- oder Oxidhäute zu ent
fernen oder ähnliches, wie dies beim Punktschweißen erfor
derlich ist, da der Fügemechanismus ein völlig anderer ist.
Es genügt, wenn eines der zu fügenden Werkstücke plastifi
zierbar bzw. schmelzfähig ist, wie Versuche mit Keramik
als ein beteiligtes Material gezeigt haben. Außer Metallen
kommen hierfür auch Kunststoffe in Betracht.
Ein rotierender Stempel 4 wird gegen die Oberfläche des
Werkstücks 1 bewegt und unter Beibehaltung seiner Drehung
fest gegen dieses angedrückt (Fig. 2). Der Stempel wird
hierbei mittels einer nicht dargestellten Antriebseinheit
in Drehung versetzt. Der Stempel kann aus dem gleichen
Material wie die Werkstücke 1 oder 2 bestehen, ist aber
bevorzugt aus einem härteren und/oder höher schmelzenden
Werkstoff hergestellt. Um zu verhindern, daß während des
Reibschweißvorgangs Material von den Werkstücken 1 und 2
vorübergehend am Stempel 4 festklebt, kann dieser auch aus
Hartmetall bestehen oder eine besondere Beschichtung auf
weisen.
Bei dem sich anschließenden Reibschweißvorgang bildet sich
zwischen dem rotierenden Stempel 4 und dem damit in Berüh
rung stehenden Material eine physikalisch-chemisch hoch
aktive Prozeßzone aus, in der zunächst Trockenreibung und
dann Mischreibung vorliegt. Im Bereich der Mischreibung
nimmt der Anteil der Trockenreibung ab und der der Flüs
sigkeitsreibung zu. Es bilden sich einzelne Schmelzinseln
im Bereich der Prozeßzone, die zum Teil aufgrund der
Fliehkraft und zum Teil durch den Anpreßdruck des Stempels
in dessen Umfangs- bzw. Randzone gelangen und dort eine
wulstförmige Materialansammlung 5 bilden (Fig. 3). Auch
der Umfangsbereich des bereits teilweise in das Werkstück
1 eingedrungenen Stempels 4 ist zunehmend von plastifi
ziertem bzw. geschmolzenem Material erfüllt.
Der Stempel wird gegenüber dem in Fig. 3 gezeigten Zustand
noch so weit in Richtung auf das Basiswerkstück 2 vorge
trieben, bis sich zumindest dessen Stirnseite in der Be
rührungsebene bzw. Fügezone befindet, vorzugsweise noch
etwas weiter in das Basiswerkstück 2 hinein, wie Fig. 4
zeigt. Dies erfolgt deshalb, damit die erschmolzene bzw.
plastifizierte Werkstoffmenge, die durch das Eindringen
des Stempels in das Basiswerkstück 2 verdrängt wird, zu
mindest teilweise in den Spalt zwischen den beiden Werk
stücken hineingedrückt wird, wie in Fig. 4 mit 6 bezeich
net. Das Eindringen des Werkstoffs in diesen Bereich der
Fügezone wird zum einen durch die Fliehkräfte aufgrund der
Drehung des Stempels und zum anderen durch die Kapillar
kräfte im Spalt unterstützt. Der Stempel ist weiterhin
auch längs seiner Umfangsfläche von einer Schicht zumin
dest teilweise geschmolzenen Materials umgeben.
Der Stempel kann an seinem Umfang mit einer Schneidein
richtung versehen sein, die dafür sorgt, daß der Wulst 5,
der nicht zur Festigkeit der Verbindung beiträgt, unmit
telbar entfernt wird.
Anschließend wird der Stempel aus der Fügezone zurückgezo
gen, wobei der in Fig. 5 dargestellte Werkstückverbund
zurückbleibt. Während des Verbindungsvorgangs wurde eine
zylindrische, im wesentlichen rotationssymmetrische, hül
sen- bzw. hohlnietartige Verbindungszone 7 zwischen den
Werkstücken erzeugt. Diese besteht ausschließlich aus den
Werkstoffen der beteiligten Werkstücke, sofern der Stempel
härter bzw. höher schmelzend ist, wobei es aufgrund der
spezifischen Eigenschaften einer Reibschweißverbindung
möglich ist, auch sehr unterschiedliche bzw. konventionell
kaum fügbare Materialien miteinander zu verbinden, wie
beispielsweise Aluminiumbleche oder Stahl und Aluminium.
Wie Fig. 6 zeigt, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch
bei aus mehr als zwei Werkstücken angewendet werden, wobei
in dem dargestellten Beispiel zwei Werkstücke 1 und 1a auf
einem Basiswerkstück 2 angeordnet sind und der Reibstempel
beide Werkstücke 1, 1a vollständig durchdringt. In einer
Abwandlung kann vorgesehen sein, zwei gegeneinander arbei
tende Reibstempel beidseitig des Werkstückverbundes ein
zusetzen, die in Richtung zueinander vorgeschoben werden.
Dadurch würde sich eine Vorrichtung zum Abstützen der
Werkstücke bzw. zum Auffangen der eingeleiteten Kraft er
übrigen.
Eine nicht dargestellte Vorrichtung zum Ausführen des er
findungsgemäßen Verfahrens ist in den Ansprüchen 12 und 13
beschrieben. Da sich die durch die Rotation bzw. Relativ
bewegung des Reibelements gegenüber den Werkstücken ent
wickelte Wärme mit zunehmender Plastifizierung des Materi-
als und damit einhergehendem Rückgang des Reibkoeffizien
ten verringert, ist es zweckmäßig, eine Drehzahlsteuerung
des Reibstempels in Abhängigkeit von Vorschubweg bzw. -ge
schwindigkeit und/oder Anpreßdruck vorzusehen. Auf diese
Weise kann eine optimale und reproduzierbare Materialtem
peratur während des Verbindungsvorgangs erzielt werden,
und außerdem kann die für die Herstellung einer Verbindung
erforderliche Zeit minimiert werden.
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 (14)
1. Verfahren zum Verbinden eines plastifizierbaren Werk
stücks mit einem anderen Werkstück, dadurch gekennzeich
net, daß
- (a) ein erstes Werkstück (1) im Bereich einer Fügezone (3) gegen ein Basiswerkstück (2) angedrückt wird,
- (b) ein Reibelement (4) unter aktivierender Relativbewe gung gegenüber den Werkstücken (1, 2) in Richtung auf die Fügezone (3) gegen das erste Werkstück (1) ange drückt wird,
- (c) das Reibelement (4) unter Bildung einer aktivierten, plastifizierten Prozeßzone durch das erste Werkstück hindurch bis zum Basiswerkstück vordringt und die Prozeßzone in den Bereich der Fügezone (3) zwischen dem ersten Werkstück und dem Basiswerkstück bringt,
- (d) das Reibelement zurückgezogen wird, wobei ein Reib schweißverbund der Werkstücke (1, 2) im Bereich der Fügezone (3) erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zwei oder mehr Werkstücke (1, 1a) übereinander auf einem
Basiswerkstück (2) angeordnet sind, wobei das Reibelement
(4) nacheinander alle Werkstücke (1, 1a) durchdringt.
3. Verfahren nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß das erste Werkstück (1, 1a) ein Dünnblech ist.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß das Basiswerkstück ein Dünnblech
ist.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß das Reibelement aus einem rotie
renden Stempel besteht.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß das Reibelement eine lineare,
oszillierende Bewegung ausführt.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß das Reibelement aus einem Mate
rial besteht, das einen höheren Schmelzpunkt als das Werk
stück (1) aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß das Reibelement aus einem Mate
rial besteht, das härter ist als das Werkstück (1).
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Werkstücke
(1, 1a, 2) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung be
steht.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, gekenn
zeichnet durch ein weiteres Reibelement, das von der dem
ersten Reibelement gegenüberliegenden Seite her gegen die
Werkstücke angedrückt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, gekenn
zeichnet durch zwei oder mehr Werkstücke beiderseits eines
Basiswerkstücks (2).
12. Reibelement zum Ausführen des Verfahrens nach einem
der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das
Reibelement im wesentlichen zylindrisch ist und ein
Schneidmittel zum Entfernen des Wulstes (5) aufweist.
13. Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach einem
der Ansprüche 1 bis 11, mit
einer Halteeinheit zum Halten wenigstens zweier Werkstücke,
einer um eine Drehachse dreh- und antreibbaren, axial ver schiebbaren Spanneinheit zum Einspannen eines Reibelemen tes,
einer drehzahlregelbaren Antriebseinheit zum Antreiben der Spanneinheit,
einer Verschiebeeinheit zum Bewegen der Spanneinheit längs der Drehachse und Andrücken des Reibelements mit einem Anpreßdruck.
einer Halteeinheit zum Halten wenigstens zweier Werkstücke,
einer um eine Drehachse dreh- und antreibbaren, axial ver schiebbaren Spanneinheit zum Einspannen eines Reibelemen tes,
einer drehzahlregelbaren Antriebseinheit zum Antreiben der Spanneinheit,
einer Verschiebeeinheit zum Bewegen der Spanneinheit längs der Drehachse und Andrücken des Reibelements mit einem Anpreßdruck.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch
Mittel zum Erfassen von Drehzahl, Verschiebung und/oder
Anpreßdruck und eine Steuereinrichtung zum Steuern der
Drehzahl des Reibelements in Abhängigkeit von den aufge
nommenen Werten von erfaßten Verschiebung und/oder Anpreß
druck.
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