DE19711236A1 - Reibschweißartige Fügung von Magnesium mit Stählen und Nichteisenmetallen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft reibschweißartige Fügungen von Magnesium, d. h. Fügungen bzw. Verbindungen, wie sie mit einem reibschweißartigen Fügungsverfahren hergestellt sind. Reibschweißverfahren sind seit längerem in der industriellen Fertigung eingeführt und haben sich in vielen Fertigungsbereichen für unter­ schiedlichste 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 zusammengeführt.

Nach ausreichender Wärmeeinbringung wird die Relativbewegung aufgehoben, und die Teile werden unter Kraft zusammengepreßt.

Neben dem stationären Rotationsreibschweißen sind Verfahrensvarianten wie das Linear-, Radial-, Reibauftrag-, Reibbolzen-, Oszillations- und Orbitalreibschweißen bekannt. Die Schweißparameter (Drehzahl, Reibkraft, Axialkräfte, Schweißzeit etc.) lassen sich gut erfassen und werden an die Eigenschaften der jeweils zu fügenden Werkstoffe angepaßt.

Die Verbindungsbildung beim Reibschweißen ist ein reibinduzierte Diffusion, ausgelöst durch den engen Kontakt der Reibflächen nach der Reibaktivierungs­ phase, also nach Stoppen des bewegenden Aktivators. Durch die axialen Kräfte und die daraus resultierenden Verformungen nähern sich die beiden Oberflächen einander im nm-Bereich an. Diese Annäherung und die entstehenden Gittereffekte beschleunigen die Diffusion der Metallatome. Durch die ständige Rekristallisation (Bedingung: ausreichende Verformung und Überschreiten der Rekristallisations­ temperatur) entsteht ein feinkörniges Gefüge, so daß gute mechanische Eigenschaften im Bereich der Schweißnaht entstehen. Außerdem verschnüren Druckeigenspannungen zusätzlich diese kleinkörnigen Schweißnahtbereiche.

Die Bildungsenergie, für die Entstehung der Verbindung, wird einerseits durch die Relativbewegung der Werkstücke und andererseits durch den axialen Druck eingebracht. Die entstehenden Reibungskräfte setzen sich aus Deformations- Kohäsions- und Adhäsionskräften (Anziehungskräfte an der Grenzfläche zweier Stoffe) zusammen. Die Entstehung der Bindung ist im einzelnen physikalisch und chemisch noch nicht restlos geklärt. Dennoch wird einem Zusammenwirken unterschiedlicher Mechanismen angenommen, so daß an den Oberflächenschichten der Werkstücke Verschweißungen durch örtliches Ionisieren und Aufschmelzen entstehen. Andererseits wird angenommen, daß der Werkstoff während der Verformung örtlich im fließenden (plastischen) Zustand vorliegt. Es herrschen dann Temperaturen um den Erweichungs- bzw. Schmelzpunkt, welche Schweißbrücken entstehen lassen. Dennoch scheint gesichert, daß man für eine Verbindungsbildung den schmelzflüssigen Zustand nicht unbedingt erreichen muß.

Mit Hilfe einer Schutzgaskammer kann optimiertes Reibaktivieren von Magnesium und Legierungen durchgeführt werden, um Bindungen zwischen Magnesium und andere Stoffe unproblematisch und sicher zu erzeugen, wie sie in Anspruch 1 beschrieben sind. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Überraschenderweise gibt es ein Übergangsgebiet zwischen den unterschiedlichen Gitterstrukturen, so daß hexagonales Mg-Gitter mit anderen kristallinen und amorphen Strukturen sich unter Druck-, Temperatur- und Volumenveränderungen, verbinden. Dies geschieht in einer wenigen µm großen Prozeßzone.

Die bislang für Metalle gefundene Reibschweißtechnik kann somit abgewandelt optimiert auch bei Magnesium eingesetzt werden. Es wurde festgestellt, daß bei Magnesiumwerkstoffen, wie bei anderen Metallen, während des Reibvorgangs eine Reibelektrizität auftritt, die für den Fügevorgang unter Druck und erhöhter Temperatur grundlegende Neustrukturbildungen bewirken. Diese Aktivierung der zu fügenden Oberflächen wird durch den Reibvorgang ausgelöst, der zu Wechselwirkungen der Reibpartner und zur Ausbildung einer hochaktiven Prozeßzone führt, die mechanische, elektrische und chemische Veränderungen 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 Rotationsschweißvorrichtung.

Fig. 2 ein Diagramm, das den zeitlichen Verlauf des Reibmomentes und der Temperatur bei einem Reibschweißvorgang zeigt,

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

Fig. 4 eine Übersichtsskizze zur Inertgaskammer für den Reibschweißvorgang.

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer herkömmlichen Reibschweißvorrichtung, wie sie beispielsweise in der Automobil-, 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 dargestellten 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 verschleißende Werkstück (4) ist in einem nicht rotierenden Spannwerkzeug (5) gehalten, welches mittels 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, flächenbezogene Stauchkraft und Stauchzeit/Stauchweg.

Der Schweißvorgang kann in mehrere Phasen unterteilt werden, die anhand charakteristischer Verläufe typischer Prozeßgrößen in Fig. 2 erläutert sind. Nachdem die zu schweißenden Teile eingespannt, die Spindel auf Nenndrehzahl gebracht und der Arbeitsschlitten in Schweißposition gefahren ist, kommt es in der ersten Phase (I) zu einer ersten Werkstückberührung.

Dieser Bereich kennzeichnet die Haltereibung, ein Produkt der Anziehung von Oberflächenabschnitten 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 Diffusions- und Absorptionsvorgänge der Oberflächenatome in Aktion setzt, so daß eine Prozeßzone schon hier von einigen Hundertstelmillimetern entsteht, die sich zunehmend durch Verschleiß verkleinert. Bei dem optimierten Reibschweißen minimiert sich der Verschleiß dadurch, daß die Viskosität diese Prozeßzone Steuergröße bei der Prozeßdauer der Reibaktivierung wird.

Mit fortschreitender Reibung baut sich die Temperatur schnell auf, und es entstehen Temperaturgradienten innerhalb der Werkstücke. In der Phase III des zeitlichen Reibmomentenverlaufes herrschen abrasiver Verschleiß, Warmpressen und Preßverschweißungen vor. Die Energieansammlung reicht soweit, daß Oberflächendetails sphärisch eingeformt werden, und erste Schmelzinseln deuten im Reibspalt den Umschlag ins Gebiet der Mischreibung an (Phase IV), bei der das Reibmoment zurückgeht. Der Extrempunkt MR, Max steht für diesen Qualitätsumschlag und den Beginn der Entwicklung der Mischreibung.

Das exponentielle Zurückgehen der Trockenreibung im Bereich IV bis auf rund 30% der Gesamthöhe des ersten Maximums 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 ausreichend Schmelzinseln vorhanden, so daß Hohlräume ausgefüllt werden. Reibionisierungen produzieren Ladungsträger für den Bindungs­ mechanismus.

In diesem Zustand kann die Aktivierungsphase beendet und die Stauchphase eingeleitet werden. In der Stauchphase tritt beim Abbremsen der Rotation ein weiteres Reibmomentmaximum 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 Oberflächen treten hohe Energiefreisetzungsraten auf, die infolge von Oszillationen und Verschleiß vorhandener Rauhigkeiten entstehen. Anfangs bleibt die Ausdehnung der Prozeßzone auf weniger als 10 µm beschränkt. Innerhalb dieser Abmessungen kommt es zu einer Entartung der Werkstoffe, d. h. zu Veränderungen der Eigenschaften in unmittelbarer Umgebung des Reibspalts.

Bei der Aktivierung werden die unmittelbaren Kontaktoberflächen verändert. Temperatur und Verschleiß bewirken zeitlich eine Ausdehnung der Prozeßzone von den unmittelbaren Kontaktflächen in die Reibpartner hinein. Es bildet sich ein dritter prozeßtypischer Reibkörper, dessen Ausdehnungen von der Reibenergiedichte abhängen. Um die Wärmeeinflußzonen und den Verschleiß gering zu halten, sollte daher sehr schnell die Phase der Aktivierung überwunden werden, wodurch die künftig Qualität der Bindung zwischen den Teilen beeinflußt wird.

Diese Phase ist - stark schematisiert - in Fig. 3A dargestellt, wobei sich zwischen den Reibpartnern (1) und (4) eine Prozeßzone (10) ausgebildet hat, in deren Bereich durch Wärmefreisetzung 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 Festkörpern wird durch sogenannte Coulombzentren (14) gebildet.

Die Ionisierung der Reibflanken aufgrund der Reibung erzeugt ein sehr intensives statisches Feld, welches polarisierend 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-Bereich, so entsteht ein vereinheitlichter Festkörper (Fig. 3B). Dieser bildet sich infolge des Rekombinationsbestrebens der geladenen Reibflanken (Coulombzentren) mit den in der Prozeßzone vorhandenen Elektronen, wobei neue physikalische und/oder chemische Bindungen entstehen. Die Schmelzinseln füllen vorhandene Hohlräume aus, welche dem Rekombinationsprozeß zwischen Ionen und Elektronen als Vorstufe fester Verbindungen entgegenstellen. Kristallwachstum und Vernetzungen tragen dazu bei, daß der Trennspalt "heilt" und schließlich ganz verschwindet. Relaxations- und Diffusionsvorgänge reduzieren noch vorhandene Erregungszustände der Bindungszone.

Fig. 4 zeigt eine Übersicht zur Inertgaskammer beim Reibschweißen von entzündungsfreudigen Magnesium mit sich selber und mit anderen Werkstoffen.

Die Spannvorrichtungen (1) bestehend aus einem mit der Drehzahl N bewegenden Rotor und einem kraftbeauftragten Stator (F). Der Reibspalt (3) befindet sich mittig in der Spülkammer (4), welche aus einem Deckel (4a), einem zylindrischen Körper (4b), Anschlußstutzen (4c) und einer Klemm- und Dichtbuchse (4d) für das spülende Inertgas besteht. Durch einen Überdruck wird der Luftsauerstoff durch eine Leckstromöffnung (5) verdrängt. Ebenso ist eine Vakuumkammer denkbar.

Während man bei Magnesium zum Teil noch von Schmelzinseln im Reibspalt sprechen kann, ist diese Vorstellung im Fall von Magnesium und Kunststoffverbindungen möglicherweise nicht voll übertragbar. Entscheidend ist nur die Übertragbarkeit der bekannten Verfahren zur Schaffung der erfindungsgemäßen Erzeugnisse.

Obwohl in der vorangehenden Beschreibung in erster Linie das Verfahren beschrieben wurde, sei darauf verwiesen, daß einerseits das Verfahren wie auch die nach dem Verfahren hergestellten Erzeugnisse Schutz begehren, wie in den Ansprüchen festgelegt wird.

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 verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims (9)

1. Fügung zweier Werkstücke, die durch ein Verfahren zum reibschweißartigen Fügen hergestellt ist, bei dem die Werkstücke an einer Kontaktfläche mit einem Anpreßdruck gegeneinander in oder ohne Spülgaskammer 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 Magnesium besteht.

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

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

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

5. Fügung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Werkstücke (1, 4) aus Magnesium bestehen.

6. Fügung nach einem, der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stauchdruck zur Festigkeitssteigerung beiträgt.

7. Fügung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aktivierten Oberflächen der beiden Werkstücke mit einem Inertgas gespült wird.

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

9. Fügungen nach einem der Ansprüche von 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Magnesium mit den Werkstoffen Stahl und Stahlguß, Aluminium und Al-Legierungen, Messinge, Kupfer und seine Legierungen, Keramiken, Gläser und metallisierte Naturstoffe, Kunststoffen gefügt werden kann.