DE19917071C2 - Reibschweißverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Reibschweißverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das Reibschweißen als Unterfall des Kaltpreßschweißens ist ein seit langem bekanntes Fügeverfahren, das bei rotationssymmetrischen Teilen, wie Wellen, Rohren, Motorventilen, Kolbenstangen, Hydrauliczylindern etc., erfolgreich angewendet wird. Als Wärmequelle dient in Reibungswärme umgesetzte mechanische Energie eines der miteinander zu verbindenden Teile, das in Rotation versetzt und gegen das andere axial angedrückt wird. Bei Erreichen der Schweißtemperatur wird der axiale Druck erhöht und das rotierende Teil abgebremst, wobei eine Verschweißung an den einander berührenden Flächen (nachfolgend als Schweißflächen bezeichnet) eintritt.

Reibschweißverbindungen werden üblicherweise zwischen Teilen mit rotationssymmetrischen Verbindungsquerschnitten an ebenen Reibstirnflächen ausgeführt. Sie ermöglichen neben der Verbindung von Metallen miteinander grundsätzlich auch die Verbindung sehr unterschiedlicher Werkstoffe, wodurch sich Verbundprodukte für ein breitgefächertes Anwendungsfeld erzeugen lassen. Allerdings ist bei Werkstoffen mit sehr unterschiedlichen thermischen Werkstoffkennwerten, insbesondere thermischen Ausdehnungskoeffizienten und Warmfestigkeiten, die Tragfähigkeit herkömmlicher Reibschweißverbindungen begrenzt. Damit bleibt ein breiter und interessanter Bereich von Anwendungsmöglichkeiten des Reibschweißens als Fügeverfahren bisher unerschlossen.

Die WO 98/13574 zeigt ein reibgeschweißtes Gestängerohr, bei dem eines der zu verschweißenden Teile einen Hohlraum enthält, der zur Aufnahme eines beim Reibschweißen entstehenden Grates bestimmt und bemessen ist. Bei dem zur Herstellung dieses Teiles angewandten Verfahren handelt es sich um ein Verfahren, bei dem die erste und zweite Schweißfläche jeweils plan sind und nicht ineinander, sondern aufeinander gepresst werden.

Die WO 98/04381 beschreibt ein Verfahren zum Verbinden eines plastifizierbaren Werkstücks mit einem anderen Werkstück, bei dem ein Reibelement unter Relativbewegung gegenüber beiden Werkstücken in Richtung auf eine Fügezone zwischen beiden angedrückt wird, unter Bildung einer Schmelze das erste Werkstück durchdringt, die Schmelze in den Bereich der Fügezone drängt und anschließend aus dem Verbund zurückgezogen wird. Hierbei erfolgt kein Verschweißen der ei­ ne Relativbewegung ausführenden Teile miteinander.

Die US 5,492,264 beschreibt ein aus verschiedenen Metallen aufgebautes Werkstück sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen. Dieses wird in der Druckschrift als "Trägheitsschweißen" bezeichnet, und es handelt sich hierbei im Grunde um eine Abart des Reibschweißverfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 der vorliegenden Anmeldung. Da die beiden Teile hier auch als eine konvexe bzw. konkave Rotationsfläche vorgeformt sind und koaxial ineinander ge­ preßt werden, beschreibt diese Druckschrift den nächstliegenden Stand der Technik.

Die US 5,549,236 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum formschlüssigen Halten eines Werkstücks während eines Reibschweißvorganges. Auch sie beschreibt ausschließlich Reibschweißvorgänge, bei denen die Schweißflächen plan sind und aufeinander - nicht ineinander - gepreßt werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Reibschweißverfahren bereitzustellen, das die Herstellung von neuartigen Verbundprodukten mit applikationsgerechter mechanischer Festigkeit ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Reibschweißverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung schließt den wesentlichen Gedanken ein, von der seit langem durchgängig praktizierten Verwendung von Werkstücken bzw. Halbzeugen mit ebenen stirnseitigen Schweißflächen abzugehen und stattdessen eine solche Ausbildung der Schweißflächen vorzunehmen, daß - mit einer vom konkreten Anwendungsfall abhängigen Gewichtung - mehrere Verbindungsmechanismen wirksam werden können. Sie zielt insbesondere auf eine Kombination von mindestens zwei der Verbindungsarten Schweißverbindung, mechanische Verklammerung und Schrumpfsitz ab.

Um dies zu bewerkstelligen, werden die Schweißflächen der miteinander zu verbindenden Teile als Paar konvex/konkaver Rotationsflächen ausgebildet, die gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung koaxial ineinandergepreßt werden. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird benachbart zu dem Reibungsbereich oder den Reibungsbereichen, in dem die für die Erzeugung der Verbindung maßgebliche Wärmeentwicklung stattfindet, jeweils ein Hinterschneidungsbereich vorgesehen, in den das durch die Erwärmung plastifizierte Material aus dem Reibungsbereich bzw. dessen Umgebung fließen kann. Durch die (zumindest weitgehende) Ausfüllung der Hinterschneidung(en) des einen Teils mit Material des anderen Teils wird - geeignete geometrische Gestaltung der Hinterschneidung vorausgesetzt - die erwähnte Verklammerung bewirkt.

In einer bevorzugten Ausführung, die den weiteren Verbindungsmechanismus des Schrumpfsitzes zum Tragen bringt, wird bei Teilen aus Materialien mit unterschiedlichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten die konkave Schweißfläche des Schweißflächenpaares aus dem Material mit dem größeren Ausdehnungskoeffizienten gebildet, so daß diese Fläche nach dem Erkalten der Teile die konvexe Schweißfläche des anderen Teiles unter Ausübung einer radial gerichteten Druckspannung fest umgibt.

Während der erwähnte Verklammerungs-Effekt infolge des Fließens von plastifiziertem Material in geeignet ausgebildete Hinterschneidungen grundsätzlich auch bei Teilen mit vergleichbarer Warmfestigkeit - quasi als wechselseitiges Fließen - erzielt werden kann, kommt er gleichwohl bei Materialien mit deutlich unterschiedlicher Warmfestigkeit zu besonderer Ausprägung. Bei solchen Teilen werden die Hinterschneidungsbereiche in der Schweißfläche desjenigen Teils gebildet, das die höhere Warmfestigkeit aufweist, während die Schweißfläche des Teils mit der niedrigeren Warmfestigkeit im wesentlichen glatt bleiben wird.

Zur Begrenzung der Reibmomente und Spannkräfte sowie Bauteilbelastungen erfolgt die aufeinander bezogene Gestaltung der Schweißflächen vorteilhafterweise so, daß bei Reibbeginn ein geringerer Reibquerschnitt im Sinne eines annähernden Linienkontaktes gegeben ist, der sich mit fortschreitender Plastifizierung des Materials vergrößert, in dieser Phase aber aufgrund der veränderten Materialfestigkeit nicht mehr zu unerwünscht hohen Belastungen führt.

Die beim Schweißvorgang miteinander in Kontakt zu bringende erste (konvexe) und zweite (konkave) Schweißfläche können in Anpassung an die konkrete Materialpaarung und zu erzielende Verbundteil-Geometrie in vielfältigen Ausführungen vorgeformt werden, solange die Ausführung den oben skizzierten Prämissen folgt. Eine kugelsegmentförmige, speziell halbkugelförmige, Ausführung ist ebenso möglich, wie eine Ausführung als Abschnitt eines Rotationsellipsoids oder -paraboloids.

Grundsätzlich ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, das erste Teil mit einem annähernd zylindrisch abgestuften Ende zu versehen, das in einen hohlzylindrischen (rohrförmigen) Abschnitt des zweiten Teils hineingedrückt wird, sofern die zur Erfindung gehörende Hinterschneidung vorhanden und das abgestuft zylindrische Ende - das die konvexe Schweißfläche bildet - mit dem hohlzylindrischen Ende (das die konkave Schweißfläche bildet) in einen solchen Reibeingriff gebracht wird, daß das durch die Erwärmung plastifizierte Material in die Hinterschneidung fließen und dort die gewünschte Verklammerung beider Teile bewirken kann. Noch vorteilhafter ist die Paarung eines ersten Teils mit mehrfach abgestuft zylindrischem Ende mit einem zweiten Teil mit entsprechend abgestufter Innenkontur (Bohrung).

Bevorzugt ist jedoch die Ausbildung des ersten Teils mit einem Kegel bzw. Kegelstumpf, dessen Mantelfläche die erste (konvexe) Schweißfläche bildet und die dazu korrespondierende Ausführung des zweiten Teils mit einem Innenkonus bzw. Innenkegel mit annähernd gleichem Kegelwinkel, dessen Mantelfläche die zweite (konkave) Schweißfläche bildet. Eine kegelförmige Grobkontur läßt sich ohne weiteres auch mit einfachen Werkzeugmaschinen in ausreichender Präzision und mit hoher Produktivität fertigen oder bei Gußteilen mit anformen.

Grundsätzlich ist die Ausführung der Erfindung mit einem ersten und zweiten Teil als Halbzeugen möglich, deren Schweißflächen einen einzelnen Hinterschneidungsbereich aufweisen - beispielsweise eine am zylindrischen Ende des oben erwähnten, besonders einfachen ersten Teils gebildete Ringnut. Für viele Verbundteil-Geometrien und Materialpaarungen ist jedoch eine Ausbildung mit einer Mehrzahl von Hinterschneidungsbereichen bevorzugt. Eine solche führt zur Ausbildung mehrerer Verklammerungsbereiche und damit zu einer Erhöhung der Festigkeit und Zuverlässigkeit der Verbindung. Da die Verklammerungswirkung sich bei einer solchen Ausbildung über einen größeren axialen Bereich beider Teile erstreckt, ist die mit einer solchen Ausführung geschaffene Verbindung insbesondere auch höheren Biege- und Torsionsbeanspruchungen gewachsen als eine mit einem einzigen Hinterschneidungsbereich erzeugte Reibschweißverbindung.

Die Hinterschneidungsbereiche sind in besonders einfacher Weise als voneinander beabstandete Ringnuten in einer der die Schweißflächen bildenden Rotationsflächen gebildet. In einer anderen Ausführung haben sie keilförmig gegenüber der Symmetrieachse der Rotationsfläche geneigte Wandungen, so daß im Längsschnitt ein sägezahnförmiges Profil entsteht. Sind die Schweißflächen als Abschnitte einer Kugel, eines Rotationsellipsoids oder Rotationsparaboloids o. ä. oder als Kegelstumpf-Mantelfläche ausgeführt, können die Hinterschneidungsbereiche - als Grenzfall - auch durch ringförmige Abschnitte gebildet sein, in denen die Mantelfläche gegenüber der Außenkontur der konvexen Schweißfläche nach innen oder gegenüber der Innenkontur der konkaven Schweißfläche nach außen geneigt ist. Auch hier entsteht eine Art sägezahnförmiges Profil, bei dem der Verklammerungseffekt jedoch wenig ausgeprägt ist, so daß die Festigkeit der Verbindung primär aus der Schweißverbindung (im engeren Sinne) und möglichst einem zusätzlichen Schrumpfsitz erwächst. Eine solche Ausführung ist daher insbesondere für Teile mit deutlich unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bevorzugt, wobei das Teil mit dem größeren Ausdehnungskoeffizienten die konkave Schweißfläche besitzt, und die konvexe Schweißfläche des anderen Teils umgibt.

Für viele Anwendungen ist eine Abrundung am Übergang zwischen Reibfläche und Hinterschneidungsbereich vorteilhaft, weil dadurch extreme Temperaturspitzen in der ersten Phase des Reibschweißprozesses vermieden werden können, die gegebenenfalls zu schwer kontrollierbaren bzw. nachteiligen Veränderungen des Materialgefüges führen könnten. Im (günstigen) Extremfall hat eine solche Ausführung der Schweißfläche ein wellenförmiges Profil.

In Verbindung mit der oben als bevorzugt bezeichneten Kegel- bzw. Kegelstumpfgeometrie des ersten und zweiten Teils ergibt sich dann eine insgesamt als "Wellenkegelgeometrie" zu bezeichnende Formgebung mindestens eines der zu verbindenden Teile, die letztlich auch die am fertigen Verbund-Gegenstand erkennbare Verbindungsgeometrie bestimmt. Diese weist insbesondere folgende Eigenschaften und Vorteile auf:

• - einen großen Verbindungsquerschnitt mit entsprechend hoher Stützwirkung;
• - eine großflächige mechanische Verklammerung zwischen äußerem und innerem Teil in jeder Welle;
• - eine kerbunempfindliche Oberflächenkontur des warmfesteren und spröderen Werkstoffs (an dem die Wellenkegelgeometrie ausgebildet wird);
• - einen großflächigen Schrumpfsitz mit weitgehend gleichmäßiger Verteilung der Druckspannung;
• - einen relativ geringen, angenähert linienförmigen Reibquerschnitt bei Reibbeginn, der Reibmoment, Spannkräfte und Bauteilbelastung in Grenzen hält;
• - ein großflächige, aber lokal relativ geringe Plastifizierung, die eine gleichmäßige Erwärmung und Wärmeverteilung bei kurzen Prozeßzeiten ermöglicht (was für eine Reihe von Werkstoffkombinationen einen entscheidenden Vorteil darstellt) und
• - das Fehlen bzw. nur minimale Auftreten einer äußeren Plastifizierung, die durch den Fortfall der ansonsten typischen Reibschweißwulst eine wesentliche Vereinfachung der Nachbearbeitung des Verbund- Gegenstandes ermöglicht.

Diese Vorteile, die übrigens mehr oder weniger ausgeprägt auch bei nicht kegelförmigen Ausgangsteilen und nicht ideal wellenförmiger Schweißflächenkontur zu verzeichnen sind, wirken sich ausgeprägt bei spröden, riß- und kerbempfindlichen Materialien, wie Hartmetall, intermetallischen Phasen, Keramiken, Stein etc., aus, denn Prozeßkräfte, Schrumpfkräfte und äußeren Belastungen können im Verbindungsbereich großflächig und im wesentlichen als Druckspannungen übertragen werden.

Das Verfahren erschließt insoweit dem Reibschweißen neue Materialpaarungen und Anwendungen, speziell neue Dimensionen und andersartige Bauteilgeometrien (darunter etwa verbesserte Welle/Scheibe-Konfigurationen). Als besonders aussichtsreich erscheint es beispielsweise für folgende Materialpaarungen:

• - Hartmetall/Stahl oder andere Metalle,
• - Inconel®/Stahl (z. B. für Turbolader)
• - intermetallische Phasen/Stahl oder andere Metalle (z. B. für Ventile)
• - Keramik/Metalle,
• - Mg/Al oder Mg/Stahl,
• - Stahl/Al (mit bisher nicht reibschweißgeeigneten Legierungen; Spezialgeometrie eines Stahl- "Tannenbaumbolzens" als Befestigungselement in PM/Al oder Al-Schaum),
• - Stein/Metall (z. B. Marmor/Al) oder Stein/Nichtmetall (z. B. Marmor/Glas für Architekturelemente, Designobjekte etc.),
• - Metall/Kunststoff und
• - Keramik/Kunststoff.

Die Steuerung des Prozeßablaufes entspricht im wesentlichen derjenigen bei bekannten Reibschweißverfahren, so daß vorhandene Schweißmaschinen und Prozeßsteuerungen uneingeschränkt eingesetzt werden können. Das Teil mit der konvexen Schweißfläche dringt unter Drehung relativ zu dem Teil mit der konkaven Schweißfläche und unter axialer Krafteinwirkung in dieses ein. Die Reibung und Erwärmung beginnt an den ursprünglichen (bevorzugt nahezu linienförmig schmalen) Reibflächen, und mit fortschreitendem Eindringen und zunehmender Erwärmung wird das weniger warmfeste Material in die Hinterschneidungen des warmfesteren verdrängt und paßt sich schließlich im wesentlichen vollständig der hinterschnittenen Oberflächenkontur des warmfesteren Teils an.

Abschließend wird die Drehbewegung aufgehoben und gegebenenfalls (abweichend von normalen Reibschweißverfahren) kein Nachstauchen ausgeführt. Im Rahmen der Verfolgung des hier vorgeschlagenen Prinzips ist im übrigen die den Materialparametern und der gewünschten Verbundteil-Geometrie angemessene Festlegung der Reibflächen- und Hinterschneidungsgeometrien, der Drehgeschwindigkeit und Andrückkraft sowie von deren zeitlichem Verlauf und schließlich eine angemessene Gestaltung der Abkühlphase wesentlich; die konkrete Bestimmung dieser Parameter nimmt der Fachmann anhand der Materialkennwerte und der zu realisierenden Verbundteil-Geometrie vor.

Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im übrigen aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden, skizzenhaften Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von diesen zeigen:

Fig. 1a-1c Schnittdarstellungen zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Längsschnittdarstellung durch einen Verbundgegenstand, der in einer gegenüber Fig. 1a bis 1c modifizierten Ausführung hergestellt wurde, und

Fig. 3-8 skizzenartige Prinzipdarstellungen weiterer Ausführungsformen, die als Entwicklungs- Vorstufen zur Ausführung nach Fig. 1a-1c angesehen werden können.

In Fig. 1a bis 1c ist die Herstellung eines Hartmetall- Werkzeugs 10 aus einem Stahlträgerteil 11 und einem Hartmetalleinsatz 12 durch Reibschweißen gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung illustriert. Das Stahlträgerteil 11 hat eine zylindrische Außenform, eine axiale Bohrung 13 und, von einer Stirnseite 11a ausgehend und in die Bohrung 13 mündend, einen Innenkonus 14. Der Hartmetalleinsatz 12 hat einen zylindrischen Abschnitt 15, der in einen wellenförmig profilierten Kegelstumpfabschnitt 16 ausläuft, dessen (durch eine aus den Wellenbergen aufgespannte Kegelmantelfläche definierter) Kegelwinkel dem Kegelwinkel des Konus 14 des Stahl-Trägerteils entspricht. Der Außendurchmesser des zylindrischen Abschnitts 15 entspricht dem größten Innendurchmesser des Konus 14 an der Stirnseite 11a des Stahl-Trägerteils 11. Der Außendurchmesser des Endes 16a des Kegelstumpfabschnitts 16 entspricht in etwa dem Innendurchmesser der axialen Bohrung 13.

In Fig. 1a sind das Stahl-Trägerteil 11 und der Hartmetalleinsatz 12 voneinander beabstandet dargestellt, während Fig. 1b deren Stellung bei Prozeßbeginn des Reibschweißens, d. h. bei einsetzendem Reibflächenkontakt, zeigt. Es ist hier zu erkennen, daß zunächst ein jeweils nahezu kreislinienförmiger (im Längsschnitt punktförmiger) Kontakt zwischen den Wellenbergen 16b des wellenförmig profilierten Kegelstumpfabschnitts 16 und der glatten Wandung des Innenkonus 14 besteht, während im Bereich der Wellentäler 16c ein Abstandsraum zwischen der Außenoberfläche des Hartme­ talleinsatzes 12 und der Innenoberfläche des Stahl-Träger­ teils 11 vorhanden ist. Infolge der Ausübung einer Anpreßkraft F des Hartmetalleinsatzes gegenüber dem Stahl- Trägerteil findet an dem durch die Wellenberge 16b gebildeten Reibflächen eine Wärmeentwicklung statt, die den weniger warmfesten Stahl des Stahl-Trägerteils 11 schließlich plastifiziert, so daß dieser unter dem Einfluß der Andruckkraft F in den Bereich der Wellentäler 16c zu fließen beginnt und diese bei geeigneter Prozeßführung schließlich vollständig ausfüllt.

Dieser Endzustand ist im Schliffbild der Fig. 1c zu erkennen. Der ursprünglich glattwandige Konus im Stahl-Trägerteil 11 hat ein im wesentlichen mit dem Wellenprofil des Kegelstumpfabschnitts 16 des Hartmetalleinsatzes 12 deckungsgleiches Wellenprofil angenommen und wird daher hier als 14' bezeichnet. Mittels dieser Formanpassung zwischen dem deformierten Konus 14' und dem "Wellenkegel" 16 sind das Stahl-Trägerteil 11 und der Hartmetalleinsatz 12 - neben der schweißtechnischen Verbindung im engeren Sinne - mechanisch auf einer großen Fläche miteinander verklammert. Zudem ist infolge des weit höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Stahl-Trägerteils 11 im Bereich des Konus 14' ein fester Schrumpfsitz gebildet, der die mechanische Belastbarkeit der Verbindung weiter erhöht. Auf den Hartmetalleinsatz 12 wirken insgesamt im wesentlichen Druckspannungen ein, so daß die materialbedingte Sprödigkeit und Riß- sowie Kerbempfindlichkeit bei dieser Verbindung keine Probleme aufwerfen.

Fig. 2 zeigt - in einer dem Schliffbild nach Fig. 1c entsprechenden Ausschnittsdarstellung - ein geringfügig modifiziertes Hartmetall-Stahl-Verbundteil 20 aus einem Stahl-Trägerteil 21 und einem Hartmetalleinsatz 22, wobei das Stahl-Trägerteil 21 keine axiale Bohrung aufweist und am Hartmetalleinsatz 22 ein Wellenkegel 23 mit etwas flacher als bei der Ausführung nach Fig. 1a bis 1c verlaufendem Wellenprofil gebildet ist. Im übrigen kann auf die obigen Ausführungen zu Fig. 1a bis 1c verwiesen werden.

Die Fig. 3 bis 8 zeigen in grob skizzenhafter Form weitere Ausprägungen des Erfindungsgedankens, die für bestimmte Materialpaarungen und/oder Produktgeometrien vorteilhaft angewandt werden können.

Gemäß Fig. 3 wird ein in seiner Grundform zylindrisches Vollmaterial-Teil 31, dessen Ende eine keilförmig nach innen weisende Ringnut 32 aufweist, so daß ein sich zur Stirnfläche hin erweiternder Kegelstumpf 33 gebildet ist, unter Drehung an ein Rohr 34 aus einem weniger warmfesten Material angepreßt. Auch hier besteht bei Reibbeginn an der Stirnseite des Kegelstumpfes 33 zunächst ein annähernd linienförmiger Reibflächenkontakt, wobei sich mit zunehmender Erwärmung die Reibfläche vergrößert und plastifiziertes Material des Rohrs 34 in die Ringnut 32 fließt. Nach dem Erkalten sind das Vollmaterial-Teil 31 und das Rohr 34 in diesem Bereich miteinader verklammert und, falls das Rohr 34 aus einem Material mit höherem thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht, zusätzlich durch einen Schrumpfsitz miteinander verbunden. Die axiale Erstreckung der Verbindungsfläche ist allerdings relativ gering.

Die Konfiguration gemäß Fig. 4, wo wiederum ein Vollmaterial- Teil 41 mit einem Rohr 44 aus weniger warmfestem Material verbunden wird, entspricht grundsätzlich derjenigen nach Fig. 3. Abweichend ist die Formgebung des Endes des Vollmaterial- Teils, das hier einen Zylinderabschnitt 43 mit verringertem Durchmesser und eine darin eingearbeitete Ringnut 42 mit hohlzylindrischem Querschnitt aufweist. Auch die Funktionsweise und Wirkung sind ähnlich, wobei infolge der Ausbildung der Reibfläche als Zylindermantelfläche von Beginn an ein relativ großflächiger Reibflächenkontakt besteht.

Sehr ähnlich sind auch die Ausführungen nach Fig. 5 und 6, wo den Rohren 54 bzw. 64 als Reibverbindungs-Partner jeweils wiederum ein Vollmaterial-Teil 51 bzw. 61 zugeordnet ist, wobei die Geometrie der an diesen letzteren ausgebildeten Schweißflächen modifiziert ist.

Gemäß Fig. 5 sind sowohl der mit verringertem Durchmesser ausgeführte Endabschnitt 53 des Vollmaterial-Teils 51 als auch die (in Vorschubrichtung) hinter diesem ausgebildete Ringnut 54 im Längsschnitt verrundet ausgeführt. Auch hier ergibt sich mithin eine Art Wellenprofil. In Fig. 6 sind ein Kopf 63 des Vollmaterial-Teils 61 und die hinter diesem liegende Ringnut im Längsschnitt jeweils annähernd trapezförmig ausgebildet. Die Wandung des Rohres 64 ist hier wesentlich dicker als bei den vorangehend beschriebenen Ausführungen, und entsprechend ist der Durchmesser des Kopfes 63 verkleinert.

Die Fig. 7 und 8 zeigen Konfigurationen, bei denen jeweils mehrere Reibflächen-Hinterschneidungs-Konfigurationen in axialer Richtung gereiht sind und die daher in gewissem Sinne als Zwischenstufen zwischen zwischen der in den Fig. 1a bis 1c und 2 gezeigten Wellenkegel-Konfiguration und den vereinfachten Geometrien der Fig. 3 bis 6 zu verstehen sind.

Gemäß Fig. 7 wird ein Einsatzteil 71 mit einem Stufenzylinder-Endabschnitt 72 mit einer Mehrzahl von im Längsschnitt trapezförmigen Ringnuten 73 in ein Trägerteil 74 eingepreßt, das eine mehrfach abgestufte axiale Bohrung 75 aufweist. Die Stufengeometrie der Bohrung 75 muß - wie in der Figur zu erkennen ist - nicht exakt derjenigen des Stufenzylinder-Endabschnitts 72 des Einsatzteils 71 entsprechen; wesentliche Abweichungen werden insbesondere bei Teilen mit sehr unterschiedlicher Warmfestigkeit (so etwa den Werkstoffpaarungen Metall/Kunststoff oder Keramik/Kunststoff) zulässig sein.

Fig. 8 zeigt schließlich eine Konfiguration aus einem Einsatzteil 81 mit einem im Längsschnitt sägezahnförmig profilierten Kegelstumpf-Endabschnitt 82, der folglich im Längsschnitt dreieckförmige Ringnuten 83 aufweist, gegenüber einem Trägerteil 84 mit zum Ende hin in einen Innenkonus 86 erweiterter axialer Bohrung 85. Diese Ausführung entspricht weitgehend der in Fig. 1a bis 1c und 2 gezeigten und weiter oben beschriebenen, so daß auf diese Beschreibung verwiesen werden kann.

Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern auch in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich. So sind in der Korrespondenz der Schweißflächen der miteinander zu verbindenden Teile (je nach Materialpaarung) unter Umständen mehr oder weniger große Abweichungen möglich - bis hin zu Rotationsflächen-Paarungen, bei denen die eine die Gestalt einer Kegelmantelfläche und die andere diejenige eines Rotationsparaboloids hat o. ä.. Auch die Formgebung der Hinterschneidungsbereiche ist vielfältig variierbar. Diese können insbesondere auch an der konkaven Schweißfläche vorgesehen sein, sofern diese dem höher warmfesten Teil zugeordnet ist.

Bezugszeichenliste

10

Hartmetall-Werkzeug

11

Stahl-Trägerteil

11

a Stirnseite

12

Hartmetalleinsatz

13

axiale Bohrung

14

Innenkonus

15

zylindrischer Abschnitt

16

Kegelstumpfabschnitt (Wellenkegel)

16

a Ende des Kegelstumpfabschnitts

16

b Wellenberg

16

c Wellental

20

Hartmetall-Stahl-Verbundteil

21

Stahl-Trägerteil

22

Hartmetalleinsatz

23

Wellenkegel

31

,

41

,

51

,

61

Vollmaterial-Teil

32

keilförmige Ringnut

33

Kegelstumpf

34

,

44

,

54

,

64

Rohr

42

hohlzylindrische Ringnut

43

Zylinderabschnitt

52

Ringnut

53

Endabschnitt

62

trägerförmige Ringnut

63

Kopf

71

,

81

Einsatzteil

72

Stufenzylinder-Endabschnitt

73

Trapezförmige Ringnut

74

,

84

Trägerteil

75

abgestufte axiale Bohrung

82

Kegelstumpf-Endabschnitt

83

dreieckförmige Ringnut

85

axiale Bohrung

86

Innenkonus

Claims (9)

1. Reibschweißverfahren zur Herstellung eines Verbund- Gegenstandes (10, 20) aus einem ersten Teil (12; 22; 31, 41, 51, 61, 71, 81) mit einer ersten Schweißfläche (16, 23; 32, 33; 42, 43; 52, 53; 62, 63; 72; 82) und einem zweiten Teil (11; 21; 34; 44; 54; 64; 74; 84) mit einer zweiten Schweißfläche (14), wobei das eine gegenüber dem anderen Teil in eine Drehung versetzt wird und die erste und zweite Schweißfläche in Richtung der Drehachse aneinandergepreßt werden, derart, daß durch die in mindestens einem Reibungsbereich der ersten und zweiten Schweißfläche gebildete Wärme eine Materialplastifizierung bewirkt und zwischen dem ersten und zweiten Teil eine feste Verbindung hergestellt wird, wobei die erste und zweite Schweißfläche als konvexe/konkave Rotationsfläche vorgeformt sind und koaxial ineinandergepreßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß dem oder jedem Reibungsbereich (16b, 14; 33, 34; 43, 44; 53, 54; 63, 64; 72, 75; 82, 86) in Richtung der Drehachse ein Hinterschneidungsbereich (16c; 32; 42; 52; 62; 73; 83) benachbart ist, in dem die erste und zweite Schweißfläche bei Reibbeginn einen Abstand zueinander haben und in den plastifiziertes Material des ersten und/oder zweiten Teils fließt, wodurch eine Verklammerung des ersten Teils mit dem zweiten Teil bewirkt wird.

2. Reibschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die zweite Schweißfläche (14) des zweiten Teils (11; 21; 34; 44; 54; 64; 74; 64) aus einem Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht, der größer als derjenige eines Materials der ersten Schweißfläche (16, 23; 32, 33; 42, 43; 52, 53; 62, 63; 72; 82) des ersten Teils (12; 22; 31, 41, 51, 61, 71, 81) ist, und an dem zweiten Teil die konkave Rotationsfläche gebildet ist, derart, daß nach dem Erkalten zwischen dem oder jedem Hinterschneidungsbereich (16c; 32; 42; 52; 62; 73; 83) und dem in diesen bzw. diese geflossenen Material ein Schrumpfsitz besteht.

3. Reibschweißverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Teil (11, 12) mindestens im Bereich ihrer Schweißflächen (14, 16) unterschiedliche Warmfestigkeiten aufweisen und der Hinterschneidungsbereich bzw. die Hinterschneidungsbereiche (16c) in der Schweißfläche (16) desjenigen des ersten und zweiten Teils gebildet ist bzw. sind, das die höhere Warmfestigkeit aufweist.

4. Reibschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausbildung der ersten und zweiten Schweißfläche 16, 14 derart, daß beim Ineinanderpressen zu Reibbeginn eine Mehrzahl von annähernd linienförmigen Reibungsbereichen (16b, 14) gebildet wird.

5. Reibschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Schweißfläche als in der Außenkontur im wesentlichen deckungsgleiche Außen- bzw. Innenkegelmantelflächen (16, 14; 82, 86) vorgeformt sind, wobei die Außen- und/oder die Innenkegelmantelfläche eine im Längsschnitt Wellen-, sägezahn- oder stufenförmige Profilierung zur Bildung einer Mehrzahl von Hinterschneidungsbereichen aufweist bzw. aufweisen.

6. Reibschweißverfahren nach den Ansprüchen 2, 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Teil (12) eine erste Schweißfläche (16) aus einem Werkstoff mit höherer Warmfestigkeit und kleinerem thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, die die Außenkegelmantelfläche bildet, und das zweite Teil (11) eine zweite Schweißfläche (14) aus einem Werkstoff mit niedrigerer Warmfestigkeit und größerem thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, die die Innenkegelmantelfläche bildet, und daß die Außenkegelmantelfläche am ersten Teil die wellenförmige Profilierung (16b, 16c) aufweist, während die Innenkegelmantelfläche am zweiten Teil im wesentlichen glatt ist.

7. Reibschweißverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Teil (12) im wesentlichen aus Hartmetall oder Inconel® oder intermetallischen Phasen oder Keramik und das zweite Teil (11) im wesentlichen aus Stahl oder einem anderen Material besteht.

8. Reibschweißverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Teil (12) im wesentlichen aus Hartmetall und das zweite Teil (11) aus Stahl besteht.

9. Reibschweißverfahren nach einem der Anprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Teil im wesentlichen aus Mg und das zweite Teil im wesentlichen aus Mg, Al oder einer Al-Legierung oder Stahl oder das erste Teil im wesentlichen aus Stahl und das zweite Teil im wesentlichen aus Al oder einer Al-Legierung oder einem Al-Schaum oder das erste Teil im wesentlichen aus Stein und das zweite Teil im wesentlichen aus einem Metall oder Glas oder das erste Teil im wesentlichen aus Metall oder Keramik und das zweite Teil im wesentlichen aus einem Kunststoff besteht.