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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein reibgeschweißte Baugruppen, insbesondere rotationsgeschweißte elektrische Massebaugruppen für Fahrzeuganwendungen.
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Elektrische Massebaugruppen sind zahlreich in technologieorientierten Produkten, darunter Fahrzeugen, die elektrische und/oder elektronische Komponenten benötigen. Bei Automobilanwendungen werden elektrische Massebaugruppen häufig an verschiedenen Stellen in dem Fahrzeug in Blech installiert. Oft werden ziemlich kostspielige und empfindliche Lichtbogenschweißprozesse eingesetzt, um diese elektrischen Massen herzustellen.
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In jüngerer Zeit gibt es bei Großserienfahrzeugen die Entwicklung, dass diese mehr Komponenten aus Aluminiumlegierung enthalten. Aluminiumlegierungen bieten im Vergleich zu den bei Fahrzeugen einer früheren Generation verwendeten Stählen Korrosionsbeständigkeit und Gewichtseinsparungen, insbesondere bei Blechkomponenten. Die Ansätze, die zum Herrichten elektrischer Massen für diese Fahrzeuge auf Aluminiumbasis verwendet werden, können nicht auf denjenigen beruhen, die in der Vergangenheit für Fahrzeuge verwendet wurden, bei denen Stahl und/oder andere Metallkomponenten auf Eisenbasis zum Einsatz kommen. Zum Beispiel erfordert die unterschiedliche Metallurgie, die mit den Fahrzeugen auf der Grundlage von Aluminium in Zusammenhang steht, das Entwickeln neuer Ansätze für Verbindungen.
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Dementsprechend gibt es einen Bedarf an kostengünstigen Ansätzen für Verbindungen für Komponenten auf der Grundlage von Aluminium, insbesondere Fahrzeugen, bei denen in Blechen aus Aluminiumlegierung eingebaute elektrische Massebaugruppen verwendet werden.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine reibgeschweißte Massebaugruppe bereitgestellt, die ein Legierungssubstrat mit einem Durchgangsloch, eine Schweißmutter aus Aluminiumlegierung mit einer Bolzenbohrung und einer Außenwand sowie einen Erdungsbolzen aufweist. Die Bohrung befindet sich im Wesentlichen innerhalb des Durchgangslochs, und ein Abschnitt der Außenwand ist mit dem Substrat an einer reibgeschweißten Befestigung verbunden. Außerdem ist der Bolzen innerhalb der Bohrung mit einem Gewinde versehen.
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Diese und andere Aspekte, Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden von Fachleuten bei genauer Betrachtung der folgenden Beschreibung, der Ansprüche und der angefügten Zeichnungen verstanden und anerkannt werden.
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Die Zeichnungen:
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1A ist eine Untersicht einer Schweißmutter für eine rotationsgeschweißte elektrische Masse gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
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1B ist ein Schnitt der in 1A veranschaulichten Schweißmutter.
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1C ist ein Schnitt der in 1A veranschaulichten Schweißmutter, eines Substrats und eines Antriebsmechanismus während des Herstellens einer elektrischen Masse gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform.
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1D ist ein Schnitt einer rotationsgeschweißten elektrischen Massebaugruppe, die die in 1A veranschaulichte Schweißmutter, ein Substrat und einen Bolzen gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform enthält.
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2A ist eine Untersicht einer Schweißmutter für eine rotationsgeschweißte elektrische Masse, die für Rotationsschweißen mithilfe eines sternförmigen Antriebsmechanismus gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform geeignet ist.
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2B ist ein Schnitt der in 2A veranschaulichten Schweißmutter.
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2C ist ein Schnitt der in 2A veranschaulichten Schweißmutter, eines Substrats und eines sternförmigen Antriebsmechanismus während des Herstellens einer elektrischen Masse gemäß einer zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform.
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2D ist ein Schnitt einer rotationsgeschweißten elektrischen Massebaugruppe, die die in 2A veranschaulichte Schweißmutter, ein Substrat und einen Bolzen gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform enthält.
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3 ist ein Diagramm, das Auspresslasten (push-out loads) zeigt, die von reibgeschweißten Massebaugruppen gehalten werden, die gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform mit unterschiedlichen Spindeldrehzahlen hergestellt wurden.
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Wie erforderlich, werden hier detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Die Figuren entsprechen nicht notwendigerweise einem detaillierten Entwurf; einige schematische Darstellungen können übertrieben oder minimiert sein, um einen Funktionsüberblick zu bieten. Daher sollen hier offenbarte spezifische strukturelle und funktionelle Einzelheiten nicht als einschränkend verstanden werden, sondern lediglich als eine repräsentative Grundlage dienen, um Fachleute zu lehren, die vorliegende Erfindung auf unterschiedliche Weise anzuwenden.
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In der folgenden Beschreibung sollen sich die Begriffe „obere“, „untere“, „rechts“, „links“, „hintere“, „vordere,“„vertikal“, „horizontal“ sowie deren Ableitungen auf die in 1C veranschaulichten Komponenten beziehen. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung verschiedene alternative Ausrichtungen aufweisen kann, außer wenn ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist. Es sollte außerdem beachtet werden, dass die in den angefügten Zeichnungen veranschaulichten und in der folgenden Beschreibung beschriebenen speziellen Vorrichtungen und Prozesse einfach beispielhafte Ausführungsformen der in den angefügten Ansprüchen definierten Erfindungsgedanken sind. Daher sollen mit den hier offenbarten Ausführungsformen in Zusammenhang stehende spezielle Abmessungen sowie andere physische Merkmale nicht als einschränkend angesehen werden, sofern dies in den Ansprüchen nicht ausdrücklich anders angegeben ist.
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In 1A wird eine Schweißmutter 10 zur Verwendung in einer rotationsgeschweißten elektrischen Masse gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung gezeigt. Die Schweißmutter 10 weist eine Bolzenbohrung 20 und eine Außenwand 30 auf. Die Schweißmutter 10 ist im Wesentlichen rund, mit einem Außendurchmesser 12, und weist außerdem Facetten 10a zum einfachen Einbau auf, sodass eine Strecke 13 den Abstand zwischen zwei einander entgegengesetzten Facetten 10a an der Außenwand 30 definiert. Die Facetten 10a befinden sich an einem oberen Abschnitt der Schweißmutter 10, oberhalb der Außenwand 30. Überdies wird durch die Bolzenbohrung 20 ein Innendurchmesser 22 definiert.
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Wie in 1B gezeigt, weist die Schweißmutter 10 insofern eine im Wesentlichen kegelförmige Form auf, als ein flacher Abschnitt der Außenwand 30 durch den Kegelwinkel 28 definiert wird, wie in einem Schnitt der Mutter 10 gezeigt. Es ist dieser Abschnitt der Außenwand 30 der Schweißmutter 10, der während eines Rotationsschweißprozesses gegen ein Substrat 1 (siehe 1C und 1D) gedreht werden kann. Dementsprechend wird die Schweißmutter 10 durch eine Gesamthöhe 24 definiert, und der Abschnitt der Außenwand 30 über dem kegelförmigen Abschnitt definiert eine Höhe 26 über dem Substrat.
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Die Schweißmutter 10 kann aus unterschiedlichen Aluminiumlegierungen mit unterschiedlichen Wärmebehandlungen bestehen, einschließlich, aber ohne darauf beschränkt zu sein, 606x-T0, 5754, 6061, 6061-H13, 6061-T6, 6111-T4, 6111-PFHT, AA7xxx, AA6xxx sowie andere Zusammensetzungen und Wärmebehandlungen, die für Reibschweißen geeignet sind. Bevorzugt sollte die für die Schweißmutter 10 gewählte Zusammensetzung der für das Substrat 1 verwendeten ähneln. Daher handelt es sich bei dem Substrat 1 bevorzugt um eine Aluminiumlegierung. Außerdem kann bei einigen Ausführungsformen das Substrat 1 aus einer Stahllegierung hergestellt sein. Es wird außerdem bevorzugt, die Zusammensetzung der Schweißmutter 10 mit elektrischen und mechanischen Eigenschaften zu wählen, die für elektrische Massenanwendungen geeignet sind, besonders für solche, die in einem Fahrzeug eingesetzt werden.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform kann eine kegelförmige Schweißmutter 10 aus einer 606x-Aluminiumlegierung mit Null-Temper (zero temper), einer AA6xxx-Aluminiumlegierung mit einem T6-Temper oder einer AA7xxx-Aluminiumlegierung mit einem T6-Temper hergestellt werden. Die Schweißmutter 10 kann außerdem einen Außendurchmesser 12 von etwa 18 mm, einen Abstand 13 zwischen entgegengesetzten Facetten von etwa 17 bis 18 mm und einen Innendurchmesser 22 von etwa 5 bis 6 mm aufweisen. Die Schweißmutter 10 kann außerdem eine Gesamthöhe 24 im Bereich von 8,25 bis 8,5 mm aufweisen, wobei eine Außenwand 30 einen Kegelwinkel 28 im Bereich von 39° bis 41° definiert. Zusammen berücksichtigt definieren die Gesamthöhe 24 und der Kegelwinkel 28 die Höhe 24 über dem Substrat, etwa 4,3 mm.
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Bei anderen Ausführungsformen kann die Schweißmutter 10 mit anderen Abmessungen gestaltet sein, während sie einen kegelförmigen Abschnitt der Außenwand 30 beibehält. Die mit der Außenwand 30 der Schweißmutter 10 in Zusammenhang stehende Kegelform trägt zur Erzeugung großer Reibungskräfte zwischen der Mutter 10 und dem Substrat 1 (siehe 1C und 1D) bei, während die Mutter 10 gedreht und in einer axialen Richtung gegen das Substrat 1 gepresst wird.
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1C zeigt eine reibgeschweißte Massebaugruppe 100 während eines Einbaus. Die Massebaugruppe 100 enthält die Schweißmutter 10 (siehe auch 1A und 1B). Die Baugruppe 100 enthält das Substrat 1 mit einem Durchgangsloch 2. Ein Abschnitt 1a des Substrats 1 ist so gestaltet, dass er die Schweißmutter 10 während der Rotationsschweißprozedur aufnimmt. Bevorzugt ist der Abschnitt 1a des Substrats 1 so bemessen und gestaltet, dass er im Wesentlichen mit einem Abschnitt 30a der Außenwand 30 der Schweißmutter 10 übereinstimmt, da die Abschnitte 1a und 30a während der Rotationsschweißprozedur erheblich miteinander in Kontakt kommen. Bevorzugt besteht das Substrat 1 aus einer oder mehreren Aluminiumlegierungen, die den für die Schweißmutter 10 verwendeten entsprechen.
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Wie in 1C gezeigt, wird ein Antriebselement 7 eines Antriebsmechanismus 6 in die Bolzenbohrung 20 der Schweißmutter 10 eingesetzt oder auf andere Weise an ihr angebracht. Der Antriebsmechanismus 6 kann dann verwendet werden, um die Schweißmutter 10 mit einer vorgegebenen Spindeldrehzahl 50 zu drehen. Bei einigen Ausführungsformen verfügt das Antriebselement 7 über einen fassungsartigen Kopf, der an Facetten 10a angesetzt werden kann, um die Schweißmutter 10 zu drehen. Das Antriebselement 7 und der Mechanismus 6 können dann eine Senkbewegung 40 auf die Außenwand 30 und die Bolzenbohrung 20 der Schweißmutter 10 anwenden, sodass der Außenwandabschnitt 30a so platziert wird, dass er in erheblichen Kontakt mit dem aufnehmenden Abschnitt 1a des Substrats 1 kommt und sich mindestens ein Abschnitt der Bolzenbohrung 20 in dem Durchgangsloch 2 befindet. Da die Schweißmutter 10 sich weiterhin mit einer Spindeldrehzahl 50 dreht, während die Außenwand 30 der Senkbewegung 40 entsprechend abgesenkt wird, wird während einer vorgegebenen Zeit, d.h. der „Reibzeit“, eine Reibungskraft 52 zwischen den jeweiligen Abschnitten 30a und 1a der Mutter 10 und des Substrats 1 erzeugt. Die durch diesen Schritt während der Reibzeit erzeugte Reibungskraft 52 bewirkt eine Umverteilung von Material aus den Abschnitten 1a und 30a im festen Zustand, ein Aspekt bei der Entwicklung der mit der Massebaugruppe 100 in Zusammenhang stehenden Reibschweißnaht. Die Reibungskraft 52 ist groß genug, um eine derartige Umverteilung von Material im festen Zustand (z.B. mithilfe von Festkörperdiffusion durch die mit der Reibung in Zusammenhang stehenden erhöhten Temperaturen) zu bewirken, aber nicht groß genug, um Temperaturen zu erzeugen, die ausreichen würden, um ein Schmelzen zu verursachen.
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Als Nächstes kann die Spindeldrehzahl 50 verringert werden, wodurch die Bewegung der Schweißmutter 10 verlangsamt (oder angehalten) wird. An diesem Punkt wird eine axiale Stauchkraft 60 von dem Antriebselement 7 und dem Mechanismus 6 auf die Schweißmutter 10 aufgebracht, wodurch die Schweißmutter 10 während einer vorgegebenen Zeit, d.h. der „Stauchzeit“, nach unten gegen das Substrat 1 gedrückt wird. Diese mit der Stauchkraft 60 während der Stauchzeit in Zusammenhang stehende Stauchaktion sorgt für eine weitere Umverteilung von Material im festen Zustand aus den Abschnitten 1a und 30a, ein weiterer Aspekt bei der Entwicklung der mit der Massebaugruppe 100 in Zusammenhang stehenden Reibschweißnaht.
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Wie in 1D gezeigt, wurde in der Massebaugruppe 100 eine Reibschweißnaht-Befestigung 62 entwickelt, die die Schweißmutter 10 und das Substrat 1 überbrückt. Außerdem befindet sich die Befestigung 62 in einem Bereich, der im Wesentlichen den Abschnitten 1a und 30a entspricht. Aufgrund der mit der Reibungskraft und der Stauchkraft 52 und 60 in Zusammenhang stehenden Materialverteilung ist die Gesamthöhe 24 der Schweißmutter 10 jetzt geringer. Insbesondere wird durch die mit der Reibungskraft 52 in Zusammenhang stehende Materialumverteilung eine durch Reibung angepasste Höhe 24a der Schweißmutter 10 definiert. In ähnlicher Weise wird durch die mit der Reibungskraft und der Stauchkraft 52 und 60 in Zusammenhang stehende Materialumverteilung eine durch eine Reibschweißnaht angepasste Höhe 24b der Schweißmutter 10 definiert.
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Noch mit Bezug auf 1D: Ein aus einer Stahl- oder Aluminiumlegierung hergestellter Bolzen 4 (z.B. ein elektrischer Erdungsbolzen aus beschichteter Stahllegierung) kann außerdem in die Bolzenbohrung 20 der Schweißmutter 10 geschraubt werden. Der Bolzen 4 weist Gewindewindungen 4a auf, durch die ein Gewinde in die Bolzenbohrung 20 gebohrt wird. Der Bolzen 4 kann dann gegen eine elektrische Verbindung (nicht gezeigt), die Schweißmutter 10 und das Substrat 1 angezogen werden, wobei auf diese Weise die elektrische Massebaugruppe 100 gebildet wird.
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Andere beispielhafte Ausführungsformen der Massebaugruppe 100 können mit anderen Reihenfolgen der zuvor in Verbindung mit 1C beschriebenen Schritte hergestellt werden. Zum Beispiel können das Antriebselement 7 und der Mechanismus 6 verwendet werden, um die Schweißmutter 10 mit einer Senkbewegung 40 zu senken, bevor eine Drehung auf die Mutter 10 übertragen wird. Daher kann die Senkbewegung 40 eingesetzt werden, um die Außenwand 30 so zu bewegen, dass der Außenwandabschnitt 30a so platziert wird, dass er in erheblichen Kontakt mit dem aufnehmenden Abschnitt 1a des Substrats 1 kommt. An diesem Punkt können das Antriebselement 7 und der Mechanismus 6 verwendet werden, um die Schweißmutter 10 während einer Reibzeit mit einer vorgegebenen Spindeldrehzahl 50 zu drehen, wodurch sie eine Reibungskraft 52 zwischen den Abschnitten 1a und 10 erzeugen.
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Bei einigen Ausführungsformen der Massebaugruppe 100 werden die Reib- und Stauchzeiten vorgegeben, um eine Reibschweißnaht-Befestigung 62 in der Form einer rotationsgeschweißten metallurgischen Naht zu schaffen. Insbesondere wird die Befestigung 62 in der Form einer rotationsgeschweißten Naht zwischen der Außenwand 30 der Schweißmutter 10 und dem Substrat 1 ausgebildet. Außerdem verfügt die Befestigung 62 über Eigenschaften, die zur Verwendung in einer elektrischen Massekomponente in einem Fahrzeug geeignet sind (z.B. kann die Befestigung 62 einer Auspresslast von mindestens 200 lb standhalten). Bei anderen beispielhaften Ausführungsformen kann die Reibzeit, die mit dem Aufbringen von Reibungskraft 52 in Zusammenhang steht, gesteuert oder andernfalls mithilfe einer gewünschten Größenverringerung der Schweißmutter 10 definiert werden, wofür die mithilfe von Reibung angepasste Höhe 24a ein Beispiel ist. Bei einer anderen Gruppe beispielhafter Ausführungsformen kann die Stauchzeit, die mit dem Aufbringen der axialen Stauchkraft 60 in Zusammenhang steht, gesteuert oder andernfalls mithilfe einer gewünschten Größenverringerung der Schweißmutter 10 definiert werden, wofür die mithilfe der Schweißnaht angepasste Höhe 24b ein Beispiel ist. Für zahlreiche beispielhafte Ausführungsformen einer Herstellung der Massebaugruppe 100 werden eine Reibzeit von etwa 0,1 s und eine Stauchzeit von etwa 1,5 s verwendet. Längere Reib- und/oder Stauchzeiten können verwendet werden, um die Befestigung 62 zu vergrößern (und in einigen Fällen ihre Festigkeit zu erhöhen), aber dies erfolgt häufig auf Kosten weiterer Größenverringerungen der Schweißmutter 10, die sich als kleinere Höhen 24a und 24b zeigen.
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Bevorzugt wird die Spindeldrehzahl 50 für die meisten Gestaltungen sowie Zusammensetzungen der Aluminiumlegierung der Schweißmutter 10 und des Substrats 1 auf eine Drehzahl von annähernd 18.000 rpm festgelegt. Außerdem kann die Reibungskraft 52 für die meisten Anwendungen der Massebaugruppe 100 auf zwischen etwa 3 bar und 4 bar festgelegt werden. Bevorzugt wird die Reibungskraft 52 näher bei 4 bar festgelegt. Bei zahlreichen Ausführungsformen wird die Stauchkraft 60 auf zwischen etwa 3 bar und 6 bar festgelegt. Bevorzugt wird die Stauchkraft 60 auf eine Größe von annähernd 6 bar festgelegt, um eine Entwicklung der Befestigung 62 mit ausreichenden mechanischen Eigenschaften sicherzustellen.
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In 2A wird eine Schweißmutter 110 zur Verwendung in einer rotationsgeschweißten elektrischen Massebaugruppe 200 (siehe 2C) gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung gezeigt. Im Allgemeinen kann die Schweißmutter 110 aus denselben Aluminiumlegierungsmaterialien hergestellt werden, die in Verbindung mit der Schweißmutter 10 kurz beschrieben wurden. Hier ist die Schweißmutter 110 für Rotationsschweißen mithilfe eines sternförmigen Antriebselements 107 (z.B. eines Torx®-Antriebskopfs) geeignet, das an einem Antriebsmechanismus 106 (siehe 2C und 2D) angebracht ist.
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Die Schweißmutter 110 ist im Hinblick auf Abmessungen und physische Gestaltung im Allgemeinen der in 1A und 1B gezeigten Mutter 10 ähnlich. Hier weist die Schweißmutter 110 eine Bolzenbohrung 120 und eine Außenwand 130 auf. Die Schweißmutter 110 ist im Wesentlichen rund, mit einem Außendurchmesser 112. Überdies wird durch die Bolzenbohrung 120 ein Innendurchmesser 122 definiert. Wie in 2A und 2B gezeigt, ist die Schweißmutter 110 mithilfe eines sternförmigen Endes 128 angepasst, und für ein Rotationsschweißen mithilfe des sternförmigen Antriebselements 107 gestaltet. Es sollte außerdem beachtet werden, dass die Schweißmutter 110 mit einem sechskantförmigen Ende 128 (nicht gezeigt) gestaltet sein kann, das für ein Rotationsschweißen mithilfe eines sechskantförmigen Antriebselements 107 gestaltet ist. Andere Gestaltungen der Schweißmutter 110, die für Antriebselemente 107 mit unterschiedlichen Formen und Gestaltungen angepasst werden können, sind realisierbar.
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Die Schweißmutter 110 verfügt außerdem über eine im Allgemeinen geradkantige Außenwand 130 mit einem flachen Abschnitt 130a, der für ein Reibschweißen gegen einen Abschnitt 101a eines Substrats 101 (siehe 2C und 2D) gestaltet ist. Es ist dieser Abschnitt 130a der Außenwand 130 der Schweißmutter 110, der während eines Rotationsschweißprozesses gegen das Substrat 101 gedreht werden kann. Dementsprechend wird die Schweißmutter 110 durch eine Gesamthöhe 124 definiert. Überdies ist das Substrat 101 bevorzugt eine Aluminiumlegierung mit möglichen Zusammensetzungen, die vergleichbar mit den zuvor in Verbindung mit dem Substrat 1 beschriebenen sind. Außerdem kann bei einigen Ausführungsformen das Substrat 101 aus einer Stahllegierung hergestellt sein.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform kann die Schweißmutter 110 aus einer 6061-H13-Aluminiumlegierung mit einem T6-Temper hergestellt sein. Die Schweißmutter 110 kann außerdem einen Außendurchmesser 112 von etwa 18 mm und einen Innendurchmesser 122 von etwa 5 bis 6 mm aufweisen. Die Schweißmutter 110 kann außerdem eine Gesamthöhe 124 von etwa 9 mm mit einem Außenwandabschnitt 130a aufweisen, der etwa 1,5 bis 1,6 mm breit ist.
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Bei anderen Ausführungsformen kann die Schweißmutter 110 mit anderen Abmessungen gestaltet sein, während sie einen Abschnitt 130a der Außenwand 130 beibehält, der im Wesentlichen eben ist. Der mit der Außenwand 130 der Schweißmutter 110 in Zusammenhang stehende, im Wesentlichen ebene Abschnitt 130a trägt zur Erzeugung großer Reibungskräfte zwischen der Mutter 110 und dem Substrat 101 (siehe 2C und 2D) bei, während die Mutter 110 gedreht und in einer axialen Richtung gegen das Substrat 101 gepresst wird.
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In 2C wird eine reibgeschweißte Massebaugruppe 200 während eines Einbaus gezeigt. Die Massebaugruppe 200 enthält eine Schweißmutter 110 (siehe auch 2A und 2B). Die Baugruppe 200 enthält ein Substrat 101 aus Aluminiumlegierung und enthält bei einigen Ausführungsformen außerdem ein Durchgangsloch 102. Ein Abschnitt 101a des Substrats 101 ist so gestaltet, dass er die Schweißmutter 110 während der Rotationsschweißprozedur aufnimmt. Bevorzugt ist ein Abschnitt 101a des Substrats 101 so bemessen und gestaltet, dass er im Wesentlichen mit dem Abschnitt 130a der Außenwand 130 der Schweißmutter 110 übereinstimmt, da die Abschnitte 101a und 130a während der Rotationsschweißprozedur erheblich miteinander in Kontakt kommen. Bevorzugt besteht das Substrat 101 aus einer oder mehreren Aluminiumlegierungen, die den für die Schweißmutter 110 verwendeten entsprechen.
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Wie außerdem in 2C gezeigt, ist das Antriebselement 107 des Antriebsmechanismus 106 an der Bolzenbohrung 120 der Schweißmutter 110 befestigt oder auf andere Weise angebracht. Insbesondere kann das Antriebselement 107 mit einem sternförmigen, sechskantförmigen oder anderen Ende gestaltet werden, dass so angepasst ist, dass es in das Ende 128 der Schweißmutter 110 passt. Der Antriebsmechanismus 106 kann dann verwendet werden, um die Schweißmutter 110 mit einer vorgegebenen Spindeldrehzahl 150 zu drehen. Das Antriebselement 107 und der Mechanismus 106 können dann eine Senkbewegung 140 auf die Außenwand 130 und die Bolzenbohrung 120 der Schweißmutter 110 anwenden, sodass der Außenwandabschnitt 130a so platziert wird, dass er in erheblichen Kontakt mit dem aufnehmenden Abschnitt 101a des Substrats 101 kommt.
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Da die Schweißmutter 110 sich weiterhin mit der Spindeldrehzahl 150 dreht, während die Außenwand 130 der Senkbewegung 140 entsprechend abgesenkt wird, wird während einer vorgegebenen Reibzeit eine Reibungskraft 152 zwischen den jeweiligen Abschnitten 130a und 101a der Mutter 110 und des Substrats 101 erzeugt. Die durch diesen Schritt während der Reibzeit erzeugte Reibungskraft 152 bewirkt eine Umverteilung von Material aus den Abschnitten 101a und 130a im festen Zustand, ein Aspekt bei der Entwicklung der mit der Massebaugruppe 200 in Zusammenhang stehenden Reibschweißnaht. Die Reibungskraft 152 ist groß genug, um eine derartige Umverteilung von Material im festen Zustand zu bewirken, aber nicht groß genug, um Temperaturen zu erzeugen, die ausreichen würden, um ein Schmelzen zu verursachen.
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Als Nächstes kann die Spindeldrehzahl 150 verringert werden, wodurch die Bewegung der Schweißmutter 110 verlangsamt (oder angehalten) wird. An diesem Punkt wird eine axiale Stauchkraft 160 von dem Antriebselement 107 und dem Mechanismus 106 auf die Schweißmutter 110 aufgebracht, wodurch die Schweißmutter 110 während einer vorgegebenen Schweißzeit nach unten gegen das Substrat 101 gedrückt wird. Diese mit der Stauchkraft 160 während der Stauchzeit in Zusammenhang stehende Stauchaktion sorgt für eine weitere Umverteilung von Material im festen Zustand aus den Abschnitten 101a und 130a, ein weiterer Aspekt bei der Entwicklung der mit der Massebaugruppe 200 in Zusammenhang stehenden Reibschweißnaht.
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Wie in 2D gezeigt, wurde in der Massebaugruppe 200 eine Reibschweißnaht-Befestigung 162 entwickelt, die die Schweißmutter 110 und das Substrat 101 überbrückt. Außerdem befindet sich die Befestigung 162 in einem Bereich, der im Wesentlichen den Abschnitten 101a und 130a entspricht. Aufgrund der mit der Reibungskraft und der Stauchkraft 152 und 160 in Zusammenhang stehenden Materialverteilung ist die Gesamthöhe 124 der Schweißmutter 110 jetzt geringer. Insbesondere wird durch die mit der Reibungskraft 152 in Zusammenhang stehende Materialumverteilung eine durch Reibung angepasste Höhe 124a der Schweißmutter 110 definiert. In ähnlicher Weise wird durch die mit der Reibungskraft und der Stauchkraft 152 und 160 in Zusammenhang stehende Materialumverteilung eine durch eine Reibschweißnaht angepasste Höhe 124b der Schweißmutter 110 definiert. Während diese Materialumverteilung erfolgt, wird die Schweißmutter 110 im Verhältnis zu dem Substrat etwas gesenkt. Daher wird bevorzugt das Durchgangsloch 102 in das Substrat 101 einbezogen, um einer derartigen Bewegung während des Reibschweißprozesses Rechnung zu tragen.
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Noch mit Bezug auf 2D: Ein Bolzen 104 (z.B. ein elektrischer Erdungsbolzen aus Aluminiumlegierung) kann außerdem in die Bolzenbohrung 120 der Schweißmutter 110 geschraubt werden. Der Bolzen 104 weist Gewindewindungen 104a auf, durch die ein Gewinde in die Bolzenbohrung 120 gebohrt wird. Der Bolzen 104 kann dann gegen eine elektrische Verbindung (nicht gezeigt), die Schweißmutter 110 und das Substrat 101 angezogen werden, wobei auf diese Weise die elektrische Massebaugruppe 200 gebildet wird.
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In 3 zeigt ein Kästchendiagramm die Ergebnisse eines Experiments, das zum Untersuchen der Wirkung einer Spindeldrehzahl (z.B. der Drehzahl 50) auf den Auspresswiderstand von rotationsgeschweißten Massebaugruppen durchgeführt wurde, und das auf die Massebaugruppen 100 und 200 schließen lässt. Die getesteten Massebaugruppen waren rotationsgeschweißt, mit aus einer 5754-O-Aluminiumlegierung hergestellten Schweißmuttern und Substraten, mit Gestaltungen, die mit der Massebaugruppe 200 vergleichbar sind. Die Dicke des Substratblechs betrug etwa 1,3 mm, und das Blech verfügte über ein Durchgangsloch von 11,5 mm oder 12,5 mm. Außerdem zeigt jedes der in 3 eingezeichneten Kästchen den Median und Bereich von Auspresslasten (lb) für rotationsgeschweißte Massebaugruppen für eine Kontrollgruppe und sechs Versuchsgruppen, wobei alle Gruppen Auspresslasten von mindestens etwa 200 lb zeigen. Bei der Kontrollgruppe handelt es sich um die „18, 4, 6“-Gruppe, die eine Spindeldrehzahl von 18.000 rpm, eine Reibungskraft von 4 bar und eine Stauchkraft von 6 bar widerspiegelt. Die anderen in 3 gezeigten Gruppen spiegeln niedrigere Niveaus von Spindeldrehzahlen, Reibungskraft und/oder Stauchkraft wider. Zum Beispiel entspricht die „15, 4, 3“-Gruppe einer Spindeldrehzahl von 15.000 rpm, einer Reibungskraft von 4 bar und einer Stauchkraft von 3 bar.
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Wie das in 3 gezeigte Diagramm zeigt, ist die Wirkung eines Senkens von Reibungs- und/oder Stauchkraft für eine gegebene Spindeldrehzahl relativ minimal und wahrscheinlich nicht statistisch signifikant. Demgegenüber gibt es eine ausgeprägte, statistisch signifikante Verringerung eines Auspresswiderstands, wenn eine Spindeldrehzahl von 13.000 rpm im Vergleich zu einer Spindeldrehzahl von 18.000 rpm angewendet wird. Daher ist es im Allgemeinen zu bevorzugen, beim Erstellen der Massebaugruppen 100 und 200 Spindeldrehzahlen von annähernd 18.000 rpm anzuwenden.
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Es versteht sich, dass alle beschriebenen Prozesse oder Schritte in den beschriebenen Prozessen mit anderen offenbarten Prozessen oder Schritten kombiniert werden können, um Strukturen innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung zu bilden. Die hier offenbarten beispielhaften Strukturen und Prozesse sind lediglich veranschaulichend und sollen nicht als einschränkend aufgefasst werden.
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Es versteht sich, dass Änderungen und Abwandlungen an der zuvor erwähnten Struktur vorgenommen werden können, ohne von den Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen, und es sollte überdies beachtet werden, dass derartige Erfindungsgedanken von den folgenden Ansprüchen abgedeckt sein sollen, außer wenn dies in diesen Ansprüchen ausdrücklich anders angegeben ist.
