DE19747437A1

DE19747437A1 - Verfahren und Vorrichtung zum reibschweißartigen Verbinden zweier Körper mit Zusatzenergie

Info

Publication number: DE19747437A1
Application number: DE1997147437
Authority: DE
Inventors: Burkhardt Dr Suthoff
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-10-29
Filing date: 1997-10-29
Publication date: 1999-05-06

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum reibschweißarti gen Verbinden zweier Körper, bei dem die zu verbindenden Körper in Relativbewegung zueinander versetzt werden und mit einer Anpreßkraft in einem Verbindungsbereich gegen einandergedrückt werden, sowie eine Vorrichtung zur Durch führung des Verfahrens.

Verfahren und Vorrichtungen zum reibschweißartigen Fügen von zwei oder auch mehreren Körpern untereinander sind in zahlreichen Ausführungsformen im Stand der Technik bekannt und haben sich in den für sie geeigneten Anwendungsfällen sehr gut bewährt.

In manchen Fällen weisen die bekannten Verfahren bzw. Vor richtungen jedoch insbesondere dahingehend erhebliche Nachteile auf, daß vor dem Erreichen des Fügungspunkts, nämlich einem ausreichenden lokalen Aufschmelzen der Ver bindungspartner, ein erheblicher Materialabrieb oder Ver schleiß auftritt.

In anderen Fällen, beispielsweise bei bestimmten Werk stoffpaarungen oder komplexen Werkstoffen (Verbundwerk stoffe, Sinterwerkstoffe, Keramik . . .) kann es sein, daß eine Verbindung mittels herkömmlicher Reibschweißtechnik überhaupt nicht möglich ist.

Die Erfindung will hier Abhilfe schaffen, indem sie sich zur Aufgabe gestellt hat, das gattungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung dahingehend weiterzuentwickeln, daß wäh rend des Schweißvorgangs weniger Verschleiß auftritt, kom plexe oder bisher nicht fügbare Werkstoffe durch Reib schweißung verbindbar zu machen und ganz allgemein die Qualität der Reibschweißverbindung zu verbessern.

Diese Aufgabe wird einerseits durch ein Verfahren zum reibschweißartigen Verbinden zweier Körper gelöst, bei dem die zu verbindenden Körper in Relativbewegung zueinander versetzt werden und mit einer Anpreßkraft in einem Verbin dungsbereich gegeneinandergedrückt werden, dadurch gekenn zeichnet, daß ein oder beide Körper in dem Verbindungsbe reich neben der Reibenergie mit Zusatzenergie beaufschlagt werden.

Die Aufgabe der Erfindung wird andererseits durch eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfah rens gelöst, mit
einer ersten Spanneinheit zum Spannen eines Werkstückkör pers,
einer um eine Drehachse dreh- und antreibbaren, axial ver schiebbaren zweiten Spanneinheit zum Einspannen eines wei teren Werkstückkörpers,
einer Antriebseinheit zum Antreiben der ersten und/oder zweiten Spanneinheit,
einer Verschiebeeinheit zum Bewegen der Spanneinheit ent lang der Drehachse und zum Andrücken der Werkstoffkörper mit einem Anpreßdruck aneinander, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Zuführen von Zusatzenergie an einem oder beide Werkstoffkörper im Verbindungsbereich.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbei spiels, wobei die (einzige)
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung einer reibschweißartigen Ver bindung unter Verwendung von Zusatzenergie zeigt.

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer überwiegend herkömmlich aufgebauten Reibschweißmaschine, wie sie bei spielsweise in der Automobil-Werkzeug- oder Flugzeugindu strie eingesetzt wird. Ein rotations- oder nicht-rota tionssymmetrisches Werkstück 1 mit massivem oder hohlem Querschnitt wird durch ein Spannwerkzeug 2 gehalten, wel ches durch einen nicht im einzelnen dargestellten Antrieb in rotierende Bewegung (Pfeil 3) versetzt wird. Eine Brem se 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, wel ches 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, flächenbezogene Stauchkraft und Stauchzeit/Stauchweg.

Erfindungsgemäß ist bei einer derartigen Reibschweißma schine eine Energiequelle, in diesem Beispiel eine Strom quelle 8, vorgesehen, um die miteinander zu verschweißen den Kontaktflächen der Werkstücke zusätzlich zur auftre tenden Reibwärme zu erwärmen oder in sonstiger Weise zu beeinflussen. Die Stromquelle 8, die eine Gleich- oder Wechselstromquelle sein kann, ist einerseits mit Erde und andererseits über eine Anschlußleitung 9 mit dem einen der beiden Werkstücke 1 elektrisch verbunden. Damit ein Strom zwischen den beiden Werkstücken 1 und 4 fließen kann, muß selbstverständlich dafür Sorge getragen sein, daß die Werkstücke wie in diesem Beispiel einerseits mit Erde ver bunden sind (Werkstück 4) und andererseits mit einem An schluß der Stromquelle (Werkstück 1). Die Spannwerkzeuge 2 und 5 sind daher in geeigneter Weise voneinander zu iso lieren.

Eine nicht dargestellte Regelungseinrichtung ist einer seits mit den maßgeblichen Antrieben der Reibschweißma schine verbunden und andererseits mit der regelbaren oder auch nur ein- oder ausschaltbaren Stromquelle 8. Dadurch ist es möglich, während des Reibschweißvorgangs über eine zusätzliche Erwärmung der miteinander zu verbindenden Flä chen, eine Reinigung oder sonstige Einflußnahme auf die Oberflächen in gezielter Weise Einfluß auf die sich aus bildende Reibschweißverbindung zu nehmen.

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

Claims

1. Verfahren zum reibschweißartigen Verbinden zweier Kör per, bei dem die zu verbindenden Körper in Relativbewegung zueinander versetzt werden und mit einer Anpreßkraft in einem Verbindungsbereich gegeneinandergedrückt werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder beide Körper in dem Verbindungsbereich neben der Reibenergie mit Zusatzenergie beaufschlagt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung der zu verbindenden Körper rotatorisch und/oder translatorisch sein kann.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzenergie vor und/oder während des Wirkens der Anpreßkraft zugeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Zusatzenergie in Form eines Strahls elektromagnetischer Strahlung zugeführt wird, ins besondere in Form von Laserstrahlung.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzenergie in Form eines elek trischen Stroms zugeführt wird, der zwischen den beiden Körpern im Verbindungsbereich fließt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzenergie in Form von chemi scher Energie zugeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzenergie in Form von Positro nenstrahlung zugeführt wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, ge kennzeichnet durch eine Kombination unterschiedlicher For men von Zusatzenergie.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Zusatzenergie zur Erwärmung der Körper und/oder zur Beeinflussung des Oberflächenzu stands der Körper im Verbindungsbereich zugeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Körperoberflächen im Verbindungsbereich gereinigt wer den.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Körperoberflächen im Verbindungsbereich von Oberflächenschichten, insbesondere Oxidschichten, be freit werden.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Zusatzenergie solange zuge führt wird, bis die Körper im Verbindungsbereich eine zu vor festgelegte Temperatur erreicht haben.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß elektrischer Strom als Zusatz energie verwendet wird und der Stromdurchgang meßtechnisch ausgewertet wird, um insbesondere den Übergangs- oder Durchgangswiderstand im Verbindungsbereich während des Reibschweißvorgangs zu erfassen.

14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß Laserstrahlung als Zusatzenergie verwendet wird und die von den Körpern im Verbindungsbe reich reflektierte Strahlung meßtechnisch ausgewertet wird.

15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Intensität der Zusatzenergie während des Verbindungsvorgangs regelbar ist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der Zusatzenergie während des Verbin dungsvorgangs einen festgelegten zeitlichen Verlauf auf weist.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der Zusatzenergie in Abhängigkeit von Werkstoffparametern geregelt wird.

18. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17, mit
einer ersten Spanneinheit (2) zum Spannen eines ersten Werkstückkörpers (1),
einer um eine Drehachse dreh- und antreibbaren, axial ver schiebbaren zweiten Spanneinheit (5) zum Einspannen eines weiteren Werkstückkörpers (4),
einer Antriebseinheit zum Antreiben der ersten und/oder zweiten Spanneinheit,
einer Verschiebeeinheit (6) zum Bewegen der Spanneinheit entlang der Drehachse und zum Andrücken der Werkstoffkör per (1, 4) mit einem Anpreßdruck aneinander,
gekennzeichnet durch eine Einrichtung (8) zum Zuführen von Zusatzenergie an einen oder beide Werkstoffkörper im Ver bindungsbereich.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Zuführen von Zusatzenergie ein Lasergerät ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Zuführen von Zusatzenergie eine Stromquelle ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur meßtechnischen Auswertung der reflek tieren Strahlung, insbesondere von Intensität und Wellen länge während des Reibschweißvorgangs.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur meßtechnischen Auswertung des elek trischen Stromdurchgangs während des Reibschweißvorgangs.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, gekenn zeichnet durch eine Regelungseinrichtung zum Regeln der Verfahrensparameter des Reibschweißvorgangs, insbesondere Drehzahl und Anpreßdruck, in Abhängigkeit von Parametern der Zufuhr der Zusatzenergie, insbesondere Stromstärke und/oder Durchgangswiderstand oder Laserintensität und/oder Intensität der reflektierten Strahlung.