DE2219290C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum direkten Verbinden von Metallteilen gemäß DE-Patent 22 10 855.

Das obengenannte Patent schützt ein Verfahren zum direkten Verbinden von Metallteilen miteinander, bei dem mindestens zwei miteinander zu verbindende Metallteile in dem Bereich in innigem Kontakt miteinander gehalten werden, in welchem die Verbindung an einer Grenzfläche zwischen diesen Metallteilen ausgebildet werden soll, wobei

• a) die Metallteile einer Reibbehandlung auf einer Arbeitsfläche im Bereich der vorzunehmenden Verbindung unterzogen werden,
• b) Die Reibbehandlung in Form einer Reibbewegung mit hoher Relativgeschwindigkeit zwischen einem Reibwerkzeug und der Arbeitsfläche durchgeführt wird, und
• c) ein außerordentlich lokalisierter Energieimpuls hoher Intensität an der Grenzfläche der Metallteile erzeugt wird.

Mit vorliegender Erfindung wird das vorstehend skizzierte Verfahren nach DE-Patent 22 10 855 so weitergebildet, daß nicht nur Metallteilchen untereinander sondern auch metallische und nichtmetallische Werkstoffe miteinander direkt verbunden werden können.

Es ist z. B. aus "Machine Design", 21. Juli 1966, S. 48, bekannt, die Enden von Nylonbändern durch Reibschweißen miteinander zu verbinden. Dies geschieht dadurch, daß die Bandenden an ihren Grenzflächen mit einer Reibschweißmaschine gegeneinander gerieben werden, so daß die Oberflächenschicht aus Nylon an beiden Enden schmilzt und die Materialien miteinander verschmelzen. Eine derartige Methode ist nur für Kunststoffe, nicht aber z. B. für mit Metall überzogene Kunststoffe anwendbar, und es ist für die Erzielung der Verbindung erforderlich, daß die beiden Materialien gegeneinander gerieben werden.

Des weiteren ist aus der Literaturstelle "Technik und Forschung", Nr. 145, (34) 1968, S. 556 bekannt, daß mit Hilfe der Reibschweißmethode unterschiedliche Werkstoffe, z. B. Aluminium mit Stahl oder Thermoplasten miteinander verbunden werden können. Die Reibschweißmethode ist jedoch nicht universell anwendbar. Bei Metallen ist diese Methode nur bei kreisförmigen Gegenständen durchführbar, die unter hohem Druck gegeneinander in Drehung versetzt werden; dabei werden die miteinander zu verbindenden Materialien gegeneinander gerieben.

Auch ist z. B. aus der Literaturstelle "Maschinenmarkt, Jahrgang 72 (1968) Nr. 34, S. 27-29, bekannt, Ultraschallvorgänge zum Versiegeln und Schneiden von Kunststoffen anzuwenden und auf diese Weise zwei Kunststoffgegenstände bzw. -flächen miteinander zu verschweißen. Das Werkzeug wird auf die miteinander zu verbindenden Materialien aufgesetzt und gegen einen Amboß gedrückt, der ein unbedingt notwendiger Bestandteil der Ultraschallschweißung ist.

Das herkömmliche Reibschweißen und das Ultraschallschweißen sind seit langem bekannt und haben ihre speziellen Anwendungsgebiete. Es gibt jedoch eine Vielzahl von Anwendungsfällen und eine Vielfalt von Materialien, die weder nach der Reibschweißmethode noch nach der Ultraschallschweißmethode miteinander verbunden bzw. verschweißt werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren nach dem Hauptpatent so weiterzubilden, daß auf einfache und schnelle Weise mit einfachen Mitteln so schwierige oder bisher überhaupt nicht miteinander verbindbare Materialien wie Aluminium mit Aluminium, Aluminium mit anderen Metallen, Aluminium mit Nichtmetallen, z. B. Zellulosederivaten, anorganischen Materialien, wärmehärtenden Kunststoffen oder auch Flüssigkeiten direkt verbunden werden können.

Gemäß der Erfindung wird dies mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruches 1 erreicht. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit einem derartigen Verfahren werden adhäsive oder kohäsive Verbindungen in oder mit Aluminium erzielt, und zwar direkt zwischen Aluminium und Aluminium oder zwischen Aluminium und einem anderen Metall oder zwischen Aluminium und bestimmten Nichtmetallen, insbes. Papier. Das Nichtmetall kann auch eine Flüssigkeit sein. Dabei wird unter einer "adhäsiven Verbindung" eine solche Verbindung verstanden, bei der eine Grenzfläche zwischen den miteinander zu verbindenden Materialien vorhanden ist, und unter "kohäsiver Verbindung" eine solche Verbindung, bei der eine solche Grenzfläche verschwunden ist, so daß die miteinander zu verbindenden Teile aus den angegebenen Materialien miteinander eine Einheit bilden. Unter "Aluminium" wird im Rahmen vorliegender Erfindung auch jede Legierung verstanden, die vorwiegend aus Aluminium besteht. Eine derartige Verbindung ist üblicherweise in Form einer Nahtlinie ausgebildet, sie kann jedoch auch eine relativ große Breite einnehmen, so daß sie dann ein Laminat bildet; sie kann aber auch diskontinuierlich ausgebildet sein.

Wie im Hauptpatent ausgeführt, ist es zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung erforderlich, Energie von einem rotierenden Werkzeug, das zur Erzielung einer Schweißverbindung zweier an ihren Grenzflächen miteinander zu verschweißenden Materialien verwendet wird, einzuspeisen. Hierbei handelt es sich jedoch weder um ein Reibungsschweißen, bei dem miteinander zu verbindende Teile dadurch verschmolzen werden, daß sie gegeneinander gerieben werden, bis ein Schmelzen der Materialien eintritt, und daß sie dann dadurch gestaucht werden, daß sie unter hohem Druck gegeneinander gepreßt werden, noch um ein Ultraschallschweißen, bei dem ein Werkzeug bzw. eine Sonotrode mechanische Vibrationen im Ultraschallbereich auf das Werkstück gegen eine das Werkstück aufnehmende Aufspannung ausführt und die Materialien durch Schlagwirkung verschweißt werden. Auch ist das Schweißverfahren nach der Erfindung grundsätzlich verschieden von einem Heißsiegelverfahren, bei dem im wesentlichen das Metall entweder ganz oder im Versiegelungsbereich mit einem Klebstoff oder einem als Kleber dienenden Material überzogen wird, wobei Wärme und Druck auf ein Aluminium enthaltendes Laminat oder auf eine mit Überzug versehene Aluminiumfläche in der Weise aufgebracht werden kann, daß sie mit einer anderen, einen Überzug aufweisenden Fläche verbunden wird.

Das Hauptanwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Verpackungsindustrie. Beispielsweise wird das Verfahren entweder durch sich über die Breite einer Bahn erstreckendes Laminieren oder durch Ausbilden von Verbindungslinien zur Verschweißung selektiver Flächenlaminierungen oder Punktverschweißung oder Verschweißung von Aluminiumbahnen oder -folien mit gleichem Material oder einem unterschiedlichen Metall oder mit anderen Materialien verwendet. Als solche anderen Materialien eignen sich Zellulosederivate, z. B. Pappe, unbeschichtete oder beschichtete Papiere und natürliche Gewebe, wärmehärtende Materialien, z. B. Polyimidepoxyharze und Harnstoff- oder Phenolformaldehydharze. Ein solches anderes Material kann beispielsweise in Form einer Bahn, eines Filmes oder eines starren oder flexiblen Schaumes verwendet werden. Dabei wird z. B. Aluminium mit einem Behälter verschweißt, um ihn zu versiegeln, es wird ein Aluminiumanhänger an einem Behälter oder einer Packung befestigt, und dergl. Dies schließt die Herstellung von Laminaten mit zwei oder mehr Komponenten mit ein, in denen eine Aluminiumschicht mit einer anderen Schicht verbunden wird, z. B. einem Aluminiumfolie und Papier enthaltenden Laminat.

Ein weiterer wesentlicher Anwendungsfall des Verfahrens nach der Erfindung ist die Handhabung von Aluminiumfolien und Aluminiumbahnen sowie für Herstellungsvorgänge, bei denen Produkte auftreten, die Aluminiumteile enthalten, beispielsweise, um die Enden einer unterbrochenen Bahn aus Aluminiumfolie im Laufe des Produktionsvorganges mit hoher Geschwindigkeit wieder fest miteinander zu verbinden. Ein weiteres Anwendungsgebiet der Erfindung ist das Punkt- oder Linienschweißen von Aluminiumfolien und -platten mit anderen Metallen, einschließlich Stahl; eine derartige Anwendung ist nicht nur für die Verpackungsindustrie, sondern auch für die Metallurgie und die Bauindustrie von Interesse.

Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist ein Kleber nicht erforderlich, da die miteinander zu verbindenden Metallteile verschweißt werden. Dabei entfällt auch eine spezielle Präparierung der miteinander zu verbindenden Teile. Wenn Aluminium eines der miteinander zu verbindenden Materialien ist, ist es überraschenderweise nicht erforderlich, die Oxydschicht zu entfernen. Ist ein nichtmetallischer Überzug auf einem Metallteil vorhanden, ist es nicht erforderlich, den anderen Metallteil für dessen Aufnahme zu grundieren oder in anderer Weise zu präparieren, und es ist auch kein Flußmittel notwendig.

Das direkte Verbinden nach der Erfindung kann in Form dünner Nähte, gemusterter oder geformter Versiegelungen oder Punktschweißungen, oder aber in Form von Großflächenverschweißungen vorgenommen werden. Das Aluminium kann dabei die Form von Schichten, Bahnen, Folien, Stäben, Röhren, Draht, Fäden, Streifen, Fasern, Partikeln oder dergl. oder aber von Metallspritzbelägen auf einer Bahn, einem Film oder einer Faser haben.

Neben der Erzielung einer direkten Verbindung zwischen zwei Metallteilen ist es auch möglich, ein Material, z. B. einen Überzug oder einen Streifen aus wärmehärtendem Film zu verwenden, der als Kleber oder Bindemittel im Schweißbereich wirkt.

Bisher konnte mit Überzug versehenes Aluminium nur mit einer ähnlich mit Überzug versehenen Oberfläche verbunden werden; mit dem Verfahren nach der Erfindung ist es jedoch möglich, eine einen Überzug aufweisende Oberfläche aus Aluminium mit einer Oberfläche aus Aluminium ohne Überzug zu verbinden, gleichgültig, ob diese Verbindung direkt zwischen zwei Metallteilen oder unter Zwischenschaltung eines Überzuges zwischen den Metallteilen vorgenommen wird.

Überzüge können im Verbindungsbereich entweder als vollständiger oder als streifenförmiger Überzug, der in flüssiger Form auf eine der Oberflächen aufgebracht und vor dem Verbindungsvorgang fixiert wird, oder in Form eines Filmstreifens, z. B. aus wärmehärtendem Material, das vor dem Bindevorgang zwischen die Oberflächen eingebracht wird, verwendet werden; des weiteren können Klebstoffkomponenten der Nahtfläche in Form von Feststoffmaterial aufgegeben werden, das zur Vereinfachung des Vorganges vorzugsweise vor dem Verbinden mit einer Oberfläche verschmolzen wird.

Im Bereich der Direktverbindung können metallische Komponenten oder Schichten, z. B. eine Schicht aus Aluminiumfolie zwischen zwei Schichten einer Aluminiumplatte, verwendet werden, die als Adhäsionsförderer wirken, und es kann ein schmaler Lötmittelstreifen zwischen den Grenzflächen der Verschweißung eingesetzt werden. Auch können metallische Materialien in Partikelform verwendet werden.

Andere Materialien, mit denen Aluminium verschweißt werden kann, sind Textilmaterialien auf Zellulosebasis, gewebte und ungewebte Stoffe sowie anorganische Materialien, z. B. Keramik und Glas einschließlich Glasgewebe.

Der Verbindungseffekt bei dem Verfahren nach der Erfindung kann durch zusätzliche Anregung der Fläche unterstützt werden, an der die Verbindung vorgenommen werden soll, indem Vibrationsenergie im Schall- und Ultraschallbereich, elektrische oder thermische Energie zugeführt wird. Die Höhe einer derartigen zusätzlichen Anregung ist jedoch im Normalfall so gering, daß eine einwandfreie Verbindung zweier Materialien unter ausschließlicher Anwendung dieser Anregung nicht zu einer dauerhaften Verbindung führen kann. In solchen Fällen, in denen die Anregung hoch genug wäre, um eine Verbindung zwischen den beiden Materialien entstehen zu lassen, ist die Schweißverbindung mit zusätzlicher Anregung einer Verbindung, die nur durch diese Anregung erzielt wurde, bei weitem überlegen. Schweißverbindungen, die nach dem Verfahren nach der Erfindung ausgeführt worden sind, zeigen eine wesentlich höhere Qualität der Verbindung, können mit höherer Geschwindigkeit und mit geringerem Druck erzielt werden.

Ein Ultraschallwerkzeug, das als Vibrationsenergiequelle verwendet wird, kann tangential oder horizontal an eine äußere Oberfläche der Materialien, die mit dem Reibwerkzeug verschweißt werden sollen, in unmittelbarer Nähe auf einer gegenüberliegenden Fläche angesetzt werden, oder das Werkzeug selbst kann mit der Ultraschallenergiequelle verbunden werden. Der Wirkungsgrad des Ultraschallvorganges wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren entscheidend gegenüber bekannten reinen Ultraschallmethoden verbessert, und es kann im Falle des erfindungsgemäßen Verfahrens mit wesentlich geringeren Drücken gearbeitet werden als sie erforderlich sind, wenn eine Verbindung zwischen zwei Materialien mit Hilfe des Ultraschallvorganges allein vorgenommen werden soll; die Schweißgeschwindigkeit kann dabei im Falle der Erfindung wesentlich größer gewählt werden. Auch lassen sich durch Kombination des Verfahrens nach der Erfindung mit einem Ultraschallverfahren Verbindungen von Materialien vornehmen, die mit Ultraschallenergie allein nicht verbunden werden können.

Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verbindungsverfahren mit Widerstandsheiz- oder Versiegelungsverfahren kombiniert werden. Bei einer kontinuierlichen Versiegelung oder Laminierung kann das Reibrad nach der Erfindung als geerdete Elektrode dienen, während ein Rad auf der gegenüberliegenden Seite des Werkstückes mit einem Hochfrequenzgenerator verbunden sein kann. Z. B. kann mit Hilfe eines elektrischen Lichtbogens oder einer Koronaentladung, die zwischen einer Hochfrequenzquelle auf einer Seite des Werkstückes und dem Reibwerkzeug auf der anderen Seite ausgebildet ist, die Herstellung einer Direktverbindung unterstützt werden.

In Verbindung mit Erhitzungsvorgängen kann entweder ein beheizter Träger in Form eines Rades oder einer Walze auf einer Seite des Werkstückes vorgesehen sein, während das Reibwerkzeug auf die andere Seite des Werkstückes aufgesetzt wird, oder aber das Reibwerkzeug selbst kann beheizt sein, um den Druck oder die Relativgeschwindigkeit des Reibwerkzeuges niedriger zu halten. In beiden Fällen ist die Temperatur der beheizten Werkzeuge vorzugsweise hoch und wird thermostatisch gesteuert. Obgleich Wärme in Verbindung mit dem Verfahren nach der Erfindung angewendet werden kann, ist es häufig zweckmäßig, das Reibrad selbst oder den Träger für die zu verschweißende Anordnung zu kühlen, um ein Überhitzen zu verhindern.

Das für die Durchführung des Verfahrens nach vorliegender Erfindung verwendete Werkzeug ist entsprechend dem Vorschlag nach dem Hauptpatent ein umlaufendes Rad aus glattem, reibfestem, gegen Abnutzung widerstandsfähigem Material, vorzugsweise Kunststoff, das entweder mit Molybdänsulfid, Kohlenstoff oder Graphit gefüllt ist; das Rad kann andererseits ein laminiertes synthetisches Harzprodukt sein, das mit Papier, Gewebe oder Asbest verstärkt ist. Derartige Reibräder können jedoch im Rahmen vorliegender Erfindung auch aus Keramik und Filz mit metallisierter Oberfläche, aus Metall, z. B. unlegiertem Stahl, Chromnickelstahl oder Molybdänlegierungsstahl (HS-Stahl) oder aus Wolframkarbidlegierungen bestehen. Derartige Metallräder können in besonderer Weise behandelt, mit Überzug versehen oder gehärtet sein, sie können auch aus Aluminium und Aluminiumlegierungen, Graphit und einer Vielzahl von Harzen einschließlich Fluorkohlenstoffpolymeren und Kopolymeren, Epoxyden und gefüllten oder ungefüllten thermoplastischen oder hitzehärtbaren Kunststoffen bestehen.

Der Durchmesser derartiger Reibräder liegt in der Größenordnung von z. B. 4-8 cm; derartige Reibräder werden vorzugsweise mit einer Drehzahl zwischen 3000 und 45 000 U/min angetrieben; im Falle von mit Hochfrequenz angetriebenen Rädern kann jedoch die Drehzahl 100 000 U/min oder darüber betragen.

Wird unter Druckanwendung gearbeitet, wird der Druck normalerweise gegen einen Träger ausgeübt, der ein Rad, eine Walze, eine stationäre Bahn oder ein umlaufendes Band ist, oder es wird eine Drucksteuervorrichtung verwendet. Der Druck kann ferner auch gegen einen Gegenstand ausgeübt werden, der z. B. umwickelt ist, während in anderen Fällen der Druck so niedrig gehalten sein kann, daß die Festigkeit der Materialien selbst, die zwischen Abstützungen gehalten werden, groß genug ist, damit der erforderliche innige Kontakt erzielt wird, wenn das Werkzeug gegen die Materialien gedrückt wird. Druck kann auch von einem Reibrad auf ein Zwischenmaterial ausgeübt werden, das nicht selbst einen Druck auf die direkt miteinander zu verbindenden Materialien ausübt und in Kontakt mit diesen Materialien kommt.

Der direkt oder indirekt aufgebrachte Druck variiert in seiner Größe je nach der Dicke und anderen charakteristischen Eigenschaften der zu direkt miteinander verbindenden Materialien erheblich. Wenn Aluminiumfolie mit Aluminiumfolie oder einer Unterlage, z. B. aus Papier, verschweißt werden soll, reicht ein von einem umlaufenden Rad ausgeübter Druck in der Größenordnung von einigen Torr aus. Ist Aluminiumblech zu verschweißen, werden Drücke in der Größenordnung von 50 bar und darüber erforderlich, damit die Bleche in engem Kontakt miteinander gebracht werden. Während der Verbindungsvorgänge ist ein einwandfreier Kontakt der Grenzflächen der miteinander zu verschweißenden Materialien durch Kontaktvorrichtungen unabhängig von der jeweiligen Reibquelle erforderlich. Dadurch wird vermieden, daß über die Reibquelle, z. B. das Reibrad, ein hoher Druck auf das Werkstück ausgeübt wird. Auf diese Weise wird der Energiebedarf wie auch die Abnutzung des Reibwerkzeuges erheblich vermindert. Des weiteren werden Markierungen bzw. Abdrücke durch das Werkzeug auf die Metalloberfläche auf ein Minimum reduziert.

Die mit dem Verfahren nach der Erfindung erzielbaren Schweißgeschwindigkeiten sind sehr hoch. Beispielsweise kann eine Aluminiumfolie von 20 µm Dicke mit einer Geschwindigkeit von 1-2 m/s verschweißt werden; Punktschweißungen von Aluminium mit Aluminium und Aluminium mit Kunststoff können in einer Zeit von ½₅ s vorgenommen werden, während das Werkstück relativ zum Reibwerkzeug bewegt wird.

Eine Einrichtung zum flächigen Laminieren weist im allgemeinen eine Walze großen Durchmessers als Reibquelle oder eine Reihe solche Walzen (die Walze oder die Walzen können erhaben ausgebildet sein, damit eine Verbindung nur in ausgewählten Bereichen erzielt wird) sowie eine Trägerwalze auf, die je nach den miteinander zu verbindenden Materialien, ihrer Dicke und anderen Eigenschaften aufgeheizt oder gekühlt wird. Ist eine Aluminiumfolie mit einer Unterlage zu verbinden, haben sich weiche Materialien, z. B. Silikongummi und Filz, als wirksam für eine Reibrollenabdeckung herausgestellt; der Filz ist vorzugsweise stark gepreßter Filz und kann direkt auf der Metallfolienfläche verwendet werden, wodurch die Oberfläche zusätzlich poliert wird.

Wenn das Produkt, mit dem die Aluminiumfolie oder -bahn verbunden werden soll, selbst erhabene Bereiche aufweist, z. B. eine Honigwabenstruktur hat, und die Aluminiumfolie oder -bahn als Haut auf seine Oberfläche aufgebracht werden soll, kann die Honigwabenstruktur mit der Aluminiumhaut bedeckt und auf einem Tisch unterhalb der Reibquelle transportiert werden, der beide miteinander verbindet.

Die Erfindung ermöglicht ferner auch ein Verbinden von Aluminium mit Flüssigkeiten, z. B. Überzügen oder Druckfarben. Obgleich in manchen Fällen die Flüssigkeit selbst bei der Reibbehandlung das Aluminium benetzt, wird die Festigkeit der Verbindung verbessert oder überhaupt erst ermöglicht.

Eine Reibbehandlung von Aluminium nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt nicht nur eine wesentlich verbesserte Adhäsion eines anschließend aufgebrachten Überzuges, sondern ermöglicht auch, daß dieser Überzug in einem einzigen Arbeitsgang aufgebracht wird. Das Gewicht des aufgebrachten Überzuges kann auch vermindert werden, ohne daß die Adhäsion mit Aluminium oder mit der Aluminiumfolienkomponente einer Schichtung, z. B. einer Schichtung aus Aluminiumfolie, Kleber und Kraftpapier, verringert wird.

Aluminium kann entweder direkt oder indirekt zur Verbesserung der Adhäsionseigenschaft behandelt werden. Bei einer indirekten Behandlung wird ein Zwischenmaterial zwischen Reibquelle und zu behandelndes Material eingebracht, in der Regel werden die Oberflächen jedoch direkt durch das Reibelement beaufschlagt. Der Einfluß ist anhaltend und die Behandlung kann einige Zeit vor dem Vorgang durchgeführt werden, der die Aluminiumfläche mit der Flüssigkeit in Berührung bringt oder benetzt.

Materialien für die Walzen, die zur Behandlung der Materialien und zur Verbesserung der Adhäsionseigenschaften auf der Bahn verwendet werden, sind vorzugsweise weich und abriebfrei. Beispielsweise können sie aus Filz, Wolle, Baumwolle, Samt oder Nylongewebe, Nylon- oder anderen synthetischen Pelzen, weichem Tuftingteppich und dergl. bestehen.

Zur Behandlung einer Aluminiumfolienfläche mit einer Mehrstoffschichtanordnung aus Papier, Kleber und Aluminiumfolie wird in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit der Bahn mit niedrigen Reibdrehzahlen in der Größenordnung von 1000 bis 10 000 U/min behandelt.

Das Reibwerkzeug kann beispielsweise auf eine der tatsächlich miteinander zu befestigenden Oberflächen aufgesetzt werden, dies ist jedoch üblicherweise nicht der Fall. Vielmehr wirkt das Reibwerkzeug in der Regel durch die Dicke wenigstens einer Materialschicht hindurch und wird auf die Oberfläche einer Bahn aufgesetzt, die der Fläche gegenüberliegt, die direkt verbunden werden soll. Das Werkzeug benötigt keinen direkten Kontakt mit einer der Oberflächen des direkt zu verbindenden Teiles und wirkt durch einen Zwischenbelag hindurch, der aus einem gegen Adhäsions- oder Kohäsionseffekt der Reibbehandlung widerstandsfähigen Material besteht.

Somit können Materialien an den einander berührenden Grenzflächen durch direkten Kontakt einer oder mehrerer Außenflächen der miteinander zu verbindenden Materialien mit einem Reibwerkzeug verbunden werden, oder aber es kann ein Zwischenmaterial oder eine Zwischenvorrichtung zwischen diese Anordnung von Materialien und in Kontakt mit dem Reibwerkzeug vorgesehen sein, ohne daß der durch die Reibbehandlung erzielte Schweißeffekt unterbunden wird. Der Zwischenbelag oder die Zwischenvorrichtung haftet nicht an dem Endprodukt und wird nicht Bestandteil dieses Endproduktes, vielmehr soll damit die mechanische Wirkung des Reibwerkzeuges auf die Außenflächen der direkt miteinander zu verbindenden Materialien verringert und in bestimmten Fällen der Effekt verbessert werden.

Als Zwischenmaterialien verwendbare Materialien sind beispielsweise in der GB-PS 12 24 891 beschrieben. Ein für diesen Zweck besonders gut geeignetes Material ist mit Polytetrafluoräthylen überzogenes Glasgewebe. Metallfolie und Metallblech sind insbesondere bei einer Verschweißung von Aluminium relativ großer Schichtdicke effektiv; dabei soll die Seite, die in Kontakt mit der zu verbindenden Anordnung steht, vorzugsweise einen Trennüberzug aufnehmen.

Bei Verwendung eines Zwischenmaterials und insbes. im Fall einer Verschweißung von Metall mit Metall, bei der die obere oder äußere zu verbindende Materialschicht Aluminiumblech ist, hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, das Reibwerkzeug zu schmieren, um eine Übertragung von Aluminium auf die Oberfläche zu vermeiden und ein Abschrecken der Oberfläche des Aluminiumbleches zu verhindern.

Nachstehend werden einige Ausführungsbeispiele für das vorstehend erläuterte Verfahren beschrieben:

Beispiel 1: Schweißverbindung quer zur einer Bahn zweier unterbrochener Bahnenden einer Aluminiumfolie.
Bei der Herstellung von Aluminiumfolie reißt die Folienbahn manchmal und muß dann wieder zusammengeschweißt werden. Die Produktion wird dabei während dieses Zusammenschweißens unterbrochen. Um die beiden abgerissenen Bandenden wieder miteinander zu verbinden, wird bei herkömmlichen Verfahren eine Ultraschallschweißtechnik angewendet, bei der ein Ultraschallhorn, das vorzugsweise die Form eines Rades hat, über die überlappten Ränder der Bahn geführt wird und die Ränder zusammenschweißt. Der Energieverbrauch bei einer derartigen Methode ist hoch und die Arbeitsgeschwindigkeiten liegen im allgemeinen nicht über 7 bis 8 m/s. Außerdem sind die Kosten für die Ultraschallwerkzeuge und den Ultraschallgenerator hoch.

Mit einem Direktverbindungsverfahren nach der Erfindung ist die Verbindung der gerissenen Bahnteile mit hoher Geschwindigkeit möglich. Das umlaufende Reibrad ist mit einem Bahnvorschubmechanismus befestigt, der Geschwindigkeiten von mehr als 1 m/s ermöglicht. Es ist so angeordnet, daß nur die untere Radkante aus dem Gehäuse vorsteht. Die Metallträgerrolle ist mit einer Abdeckung aus mit Kohlenstoff gefülltem Hartgummi versehen, der einen weichen Träger für das Reibrad bildet und der eine rasche Abnutzung verhindert. Das Reibrad besteht aus mit Molybdänsulfid gefülltem Polyimidharz und weist abgerundete, konturierte Kanten auf, hat einen Durchmesser von 5,5 cm und an der Arbeitsfläche eine Breite von 2 mm.

Das Reibrad wird mit Hilfe eines Antriebsmotors von 0,37 kW mit einer am Regeltransformator eingestellten Regelspannung von 240 V etwa mit einer Geschwindigkeit von 30 000 U/min angetrieben. Das Auflagegewicht des Rades auf die Oberfläche der Aluminiumfolie übersteigt einen Wert von 200-300 g bei einer Kontaktfläche von 2 mm² nicht. Das Werkzeug und der Vorschubmechanismus werden gleichzeitig in Bewegung gesetzt, und es wird in 1 s eine 1 m breite Bahn direkt miteinander verbunden. Dabei wird an den Foliengrenzflächen eine echte kohäsive Verbindung erzielt, die die Reißfestigkeit der Aluminiumfolie selbst übersteigt. Die Verbindung erfolgt mit einer Geschwindigkeit, die eine minimale Unterbrechung der Produktion gewährleistet. Eine Direktverbindung ohne Maschinenstillstand wird erzielt, wenn die Verbindungsnaht kontinuierlich ausgebildet wird.

Beispiel 2: Versiegeln von Aluminiumfolie mit Papier
Die Bedingungen für das Direktverbinden sind die gleichen wie bei Beispiel 1. Der Hartgummiträger ist jedoch mit weichem Aluminiumblech von 1 mm Dicke überzogen. Die Verbindung wird in Bewegungsrichtung der Bahn vorgenommen, wobei ein 0,74 kW-Motor gleichzeitig drei Reibräder antreibt. Die Aluminiumfolienbahn wird auf die Oberseite einer Bahn aus Papiergewebe, wie sie z. B. für den Überzug von Zigarettenpackungen verwendet wird, aufgebracht und wird auf eine einzige Aufwickelrolle aufgewickelt. Die Verbindungsgeschwindigkeiten können höher als 1 m/s sein und die erzielte Verbindung ist zur Verwendung des Laminats für zahlreiche Anwendungsfälle in der Verpackungsindustrie ausreichend.

Beispiel 3: Laminieren von Aluminiumfolie mit gewebtem Glasleinen
Aluminiumfolie von 20 µm Dicke ist auf gewebtes Glasleinen aufgewickelt; diese Kombination wird auf einer Trägeroberfläche aus Gummi angeordnet, der selbst auf einem Holzbrett aufgeklebt ist, das mit dem Vorschubschienengerüst befestigt ist. Der Reibkopf besteht aus einem Kopf aus hartem Preßfilz mit einer Breite von 3 cm und einem Durchmesser von 4 cm. Die angewendeten Auflagedrücke liegen an der Konktaktstelle in der Größenordnung von 20 N, und die Anordnung wird an dem Reibkopf mit einer Geschwindigkeit von etwa 30 cm/s vorbeigeführt. Dabei ergibt sich eine feste Verbindung der Folie mit dem Glasgewebe; gleichzeitig wird die Aluminiumfolie texturiert.

Beispiel 4: Laminieren von Aluminiumfolie mit gewebtem Baumwolltuch
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden der gleiche Aufbau und die gleichen Parameter wie im Falle des Beispiels 3 verwendet; die Geschwindigkeit des rotierenden Werkzeuges und die Regelspannung werden erhöht. Es wird eine Laminierung der Aluminiumfolie mit dem Baumwollgewebe ohne Verwendung eines Klebers erzielt.

Beispiel 5: Direktverbinden von Aluminiumblech von 110 µm Dicke mit zinnfreiem Blech von 150 µm Dicke
Zinnfreies Blech wird über einer Aluminiumbahn angeordnet; beide Bleche werden auf einer Unterlage so festgeklemmt, daß sie innigen Kontakt miteinander haben. In der Befestigungsvorrichtung ist ein Spalt vorgesehen, an welchem die Verbindung hergestellt wird. In diesen Spalt greift ein Rad aus Wolframkarbid mit einer Kontaktfläche von 3 mm Breite und einem Durchmesser von 6 cm ein, während die Fläche an dem Rad mit einer Geschwindigkeit von 10 cm/s vorbeigeführt wird. Das Rad rotiert mit einer Drehzah von 20 000 U/min und ergibt einen Kontakt mit der äußeren Oberfläche des Bleches bei einer Belastung von 1,8 kg. Das Blech wird dadurch direkt mit dem Aluminiumblech verbunden. Auf diese Weise können z. B. Handgriffe mit Aluminiumgefäßen oder deren Deckeln verbunden werden.

Claims (7)

1. Verfahren zum direkten Verbinden von Metallteilen miteinander, bei dem mindestens zwei miteinander zu verbindende Metallteile in dem Bereich in innigem Kontakt miteinander gehalten werden, in welchem die Verbindung an einer Grenzfläche zwischen diesen Metallteilen ausgebildet werden soll, bei welchem

• a) die Metallteile einer Reibbehandlung auf einer Arbeitsfläche im Bereich der vorzunehmenden Verbindung unterzogen werden,
• b) die Reibbehandlung in Form einer Reibbewegung mit hoher Relativgeschwindigkeit zwischen einem Reibwerkzeug und der Arbeitsfläche durchgeführt wird und
• c) ein außerordentlich lokalisierter Energieimpuls hoher Intensität an der Grenzfläche der Materialteile erzeugt wird,

nach DE-Patent 22 10 855 dadurch gekennzeichnet, daß metallisches Aluminium verbunden wird mit einem Material aus der folgenden Gruppe:
Metalle,
Flüssigkeiten,
Cellulosederivate,
anorganische Materialien und
wärmehärtende Kunststoffe.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibbehandlung gleichzeitig mit dem Halten der Materialien in innigem Kontakt vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander zu verbindenden Materialien nicht direkt, sondern vermittels eines Zwischenmaterials mit der Reibbehandlung beaufschlagt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinden durch zusätzlich zugeführte Vibrationsenergie im Schall- und Ultraschallbereich oder durch zusätzlich geführte elektrische oder thermische Energie unterstützt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenmaterial in unmittelbarer Nähe der miteinander zu verbindenden Materialien angeordnet wird, jedoch nicht in direktem Kontakt mit diesen Materialien.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als metallisches Aluminium eine Aluminiumfolie verwendet wird.