DE60133299T2

DE60133299T2 - Reibrührverbindungswerkzeug, reibrührverbindungsverfahren und herstellungsverfahren für verbundene glieder

Info

Publication number: DE60133299T2
Application number: DE60133299T
Authority: DE
Inventors: Takenori Showa Denko K.K. Oyama-shi HASHIMOTO; Shigetoshi Showa Denko K.K. Oyama-shi JHOGAN; Yoshitaka Showa Denko K.K. Oyama-shi NAGANO
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2000-09-21
Filing date: 2001-09-20
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2021-09-21
Also published as: US20040108359A1; CN1462220A; EP1324854A1; KR100805530B1; ATE389494T1; DE60133299D1; EP1324854A4; CN1232378C; EP1324854B1; KR20030064754A; US6915939B2; WO2002024393A1; AU2001290251A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Reibrührschweißwerkzeug gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Reibrührschweißverfahren. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Reibrührschweißwerkzeug zum Aneinanderfügen von Fügeteilen, die aus Metall wie Aluminium oder seiner Legierung hergestellt sind, und ein Reibrührschweißverfahren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein Reibrührschweißverfahren, das ein Typ eines Festphasenfügeverfahrens ist, weist Vorteile darin auf, dass das Verfahren an verschiedenartigen Fügeteilen unabhängig von der Art der Metallmaterialien angewendet werden kann, und wegen der Aneinanderfügung weniger thermische Spannungen verursacht. In den letzten Jahren wurde dieses Verfahren als Verbindungsmittel zum Herstellen eines Fügeteiles verwendet, das als Bodenteil, Wandteil, Deckenteil, Aufhängearmteil, usw. für Schiffe, Automobile und Schienenfahrzeuge verwendet wird.
Ein Reibrührschweißwerkzeug des oben erwähnten Typs ist beispielsweise aus GB-A-2 306 366 bekannt.
Ein konventionelles Reibrührschweißverfahren wird nun mit Bezug auf 11 beschrieben, in der zwei, aus einer Aluminiumlegierung hergestellte, plattenförmige Fügeteile auf stumpf gestoßene Weise einstückig aneinandergefügt werden.
In 11 zeigt das Bezugszeichen 110A ein konventionelles Reibrührschweißwerkzeug an. Das Fügewerkzeug 110A ist mit einem säulenförmigen Rotor 111 und einer stiftförmigen Sonde 113 versehen, die einen kleineren Durchmesser als der Rotor 111 hat. Die Sonde 113 steht einstückig aus einem Rotationszentrum einer Endfläche 112 des Endabschnitts des Rotors 111 vor. Die Endfläche 112 des Rotors 111 ist in einer ebenen Oberfläche senkrecht zur Rotationsachse Q' des Rotors 111 ausgebildet.
Zusammen mit dem Fügewerkzeug 110A wird die Sonde 113 gemäß der Rotation des Rotors 111 rotiert. Die Rotationssonde 113 wird in einem stumpf gestoßenen Abschnitt 103 der Fügeteile 101a und 101b eingebracht, so dass der Endabschnitt des Rotors 111 die Oberflächen der Fügeteile 101a und 101b berührt. Dann wird unter Beibehaltung dieses Zustands der Endabschnitt des Rotors 111 entlang des stumpf gestoßenen Abschnitts 103 vorgerückt.
Durch die Reibwärme, die wegen der Rotation der Sonde 113 erzeugt wird, und durch die Reibwärme, die wegen der Reibung zwischen der Endfläche 112 des Endabschnitts des Rotors 111 und den Oberflächen der Fügeteile 101a und 101b erzeugt wird, werden die Fügeteile 101a und 101b um den Abschnitt der Fügeteile 101a und 101b herum erweicht, wo der Endabschnitt des Rotors 111 und der Sonde 113 in Kontakt stehen. Dann werden die Materialien in dem erweichten Abschnitt die Rotationskraft des Endabschnitts des Rotors 111 und die Rotationskraft der Sonde 113 empfangen, so dass sie verrührt und vermischt werden. Außerdem werden aufgrund des Vorrückens des Endabschnitts des Rotors 111 die erweichten Materialien plastisch fluidisiert, so dass sie eine Nut auffüllen, die ausgebildet worden ist, nachdem der Endabschnitt des Rotors 111 und der Sonde 113 vorbeigefahren worden ist. Danach werden durch den plötzlichen Verlust der Reibwärme sich die Materialien abkühlen und verfestigen. Dieses Phänomen wird gemäß dem Vorrücken des Endabschnitts des Rotors 111 wiederholt, um dabei die Fügeteile 101a und 101b an dem stumpf gestoßenen Abschnitt 103 (einem Verbindungsabschnitt 104) einstückig aneinanderzufügen. So kann ein Fügeteil erzielt werden.
Nebenbei gibt es bei diesem Reibrührschweißverfahren, wenn der Endabschnitt des Rotors 110 den stumpf gestoßenen Abschnitt 103 entlang vorgerückt wird, die Tendenz, dass die durch Reibwärme erweichten Materialien der Fügeteile 101a und 101b hin zu den Außenflächen der Fügeteile 101a und 101b durch das Aufnehmen des vordringenden Druckes des Endabschnittes des Rotors 111 hinausgedrückt werden. Dies bewirkt die folgenden Nachteile. Es können Fügefehler (z. B. hohle Abschnitte) wegen Materialmangels im Verbindungsabschnitt 104 vorkommen. Es können Grate, die aus den hinausgedrückten Materialien gebildet worden sind, an der Oberfläche des Fügebereichs 104 vorkommen. Die Dicke des Fügebereiches 104 kann wegen der hinausgedrückten Materialien abnehmen. Demnach kann kein Fügeteil mit guten Fügeeigenschaften erzielt werden.
Um die oben erwähnten Probleme zu lösen, wurde der konventionelle Fügearbeitsvorgang wie folgend durchgeführt. Wie in 11 gezeigt, wird innerhalb des Vorrückens des Endabschnittes des Rotors 111 die Rotationsachse Q' des Rotors 11 relativ zu der Verbindungsrichtung rückwärts geneigt (d. h. rückwärts zur Bewegungsrichtung), so dass der vorrückende vordere Rand der Endfläche 112 des Endabschnittes des Rotors 111 aus der Oberfläche der Fügeteile 101a und 101b hinausgehoben wird. Unter Beibehaltung jenes Neigezustandes wird der Endabschitt des Rotors 111 entlang dem stumpf gestoßenen Abschnitt 103 vorgerückt. In 11 zeigt das Bezugszeichen T' die Nennlinie an der Anlegeposition der Sonde auf der Oberfläche der Fügeteile 101a und 101b an. Das Bezugszeichen θ' zeigt den Neigungswinkel der Rotationsachse Q' zu der Nennlinie T' an, wenn die Rotationsachse Q' des Rotors 111 relativ zu der Verbindungsrichtung rückwärts geneigt ist.
In jenem Verfahren wird der Endabschnitt des Rotors 111 vorgerückt, während der Neigezustand beibehalten wird, mit dem der vorgerückte Rand der Endfläche 112 des Endabschnittes des Rotors 111 aus der Oberfläche der Fügeteile 101a und 101b angehoben worden ist, so dass die Materialien der Fügeteile 101a und 101b von der Endfläche 112 des Rotors zurückgehalten werden, um ein Entkommen der Materialien davon zu verhindern. So kann das oben erwähnte Problem gelöst werden.
Jedoch war es mit dem konventionellen Fügewerkzeug 110A schwierig, die Materialien der Fügeteile 101a und 101b mittels der Endfläche 112 zurückzuhalten, da die Endfläche 112 des Endabschnittes des Rotors 111 in einer ebenen Oberfläche ausgebildet worden ist.
Außerdem musste gemäß jenem Verfahren der Endabschnitt des Rotors 111 in einer Lage vorgerückt werden, in der die Rotationsachse Q' des Rotors 111 zur Verbindungsrichtung rückwärts geneigt war. Daher war es schwierig den Fügearbeitsvorgang durchzuführen. Der Fügearbeitsvorgang war besonders schwierig, wenn der Verbindungsabschnitt entlang einer kreisförmigen Linie oder dergleichen gekrümmt war. Die Erfindung wurde angesichts des oben erwähnten technischen Hintergrunds durchgeführt. Das Ziel der Erfindung ist, ein Reibrührschweißwerkzeug und ein Reibrührschweißverfahren vorzusehen, die die Materialien der Fügeteile, die von der Reibwärme erweicht worden sind, zurückhalten können und ein Fügeteil mit guten Fügeeigenschaften vorsehen können.
Andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden von den folgenden, bevorzugten Ausführungsformen sichtbar.
Offenbarung der Erfindung
Das obige Ziel der Erfindung wird mit einem Reibrührschweißwerkzeug, das die Merkmale von Anspruch 1 aufweist, und einem Reibrührschweißverfahren erzielt, das die Merkmale von Anspruch 5 aufweist. Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß der Erfindung weist ein Reibrührschweißwerkzeug einen Rotor mit einem auf mindestens einer Oberfläche von Fügeteilen zu drückenden Endabschnitt und eine in einen Verbindungsabschnitt der Fügeteile einzubringende Sonde auf, wobei die Sonde einen kleineren Durchmesser als der Rotor aufweist, wobei eine Endfläche des Endabschnitts des Rotors mit einer konkaven Fläche ausgebildet ist, die vom äußeren Rand der Endfläche in Richtung zum Rotationszentrum der Endfläche gekerbt ist, die Sonde vom Rotationszentrum der Endfläche aus hervorsteht und der Rotor mit stufenartigen Abschnitten auf einer gesamten Peripherie des Endabschnitts des Rotors versehen ist, wobei sich die stufenartigen Abschnitte der Sonde stufenförmig nähern.
Bei dem erfindungsgemäßen Fügewerkzeug sind die stufenartigen Abschnitte, die sich stufenförmig der Sonde nähern, an der äußeren Peripherie des Endabschnittes des Rotors ausgebildet. So wird, wenn der Endabschnitt des Rotors auf die Oberfläche der Fügeteile gedrückt wird, der Schulterabschnitt jedes stufenartigen Abschnittes fest auf die Oberflächen der Fügeteile gedrückt. Als Ergebnis wird wirkungsvoller verhindert, dass die Materialien in Richtung Oberfläche der Fügeteile hinausgedrückt werden. Außerdem kann die Rückhaltekraft der Materialien weiter verbessert werden. So kann ein Fügeteil mit höherer Fügequalität erzielt werden. Außerdem können unter Durchführung des Fügearbeitsvorganges unter Verwendung jenes Fügewerkzeuges die Materialien der Fügeteile sicher zurückgehalten werden, ohne dass die Rotationsachse des Rotors relativ zu der Verbindungsrichtung rückwärts geneigt ist. Daher kann der Endabschnitt des Rotors einfach relativ zu den Fügeteilen entlang dem Verbindungsabschnitt vorgerückt werden, selbst in Fällen, in denen der Verbindungsabschnitt der Fügeteile gekrümmt ist und sich auch gerade erstreckt.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird bevorzugt, dass der Rotor mit einer Vielzahl von stufenartigen Abschnitten versehen ist. In diesem Fall wird die Außenumfangsfläche des Endabschnittes fester auf die Oberflächen der Fügeteile gedrückt. Als Ergebnis wird wirksamer verhindert, dass die Materialien in Richtung der Oberflächen der Fügeteile hinausgedrückt werden.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung wird bevorzugt, dass eine Radiusdifferenz s der stufenartigen Abschnitte in einen Berech von 0,3 bis 1 mm fällt. In jenem Fall können die oben erwähnten Materialrückhalteeffekte sicher erzielt werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird bevorzugt, dass die Sonde an ihrer Außenfläche mit einem Rührvorsprung versehen ist. In jenem Fall können die Materialien wirksam verrührt werden.
Gemäß der Erfindung weist ein Reibrührschweißverfahren, bei dem ein erstes Fügeteil und ein zweites Fügeteil an ihrem Verbindungsabschnitt verbunden werden, die Schritte auf: Verwenden des erfindungsgemäßen Reibrührschweißwerkzeug, Einbringen der rotierenden Sonde in den Verbindungsabschnitt der Fügeteile, Drücken des Endabschnitts des rotierenden Rotors auf zumindest eine der Oberflächen der Fügeteile und Vorrücken des Endabschnitts des Rotors relativ zu den Fügeteilen entlang des Verbindungsabschnitts.
Mit jenem Reibrührschweißverfahren wird unter Verwendung des erfindungsgemäßen Reibrührschweißwerkzeuges wirksam verhindert, dass die Materialien in Richtung Oberflächen der Fügeteile hinausgedrückt werden. Ein Fügeteil mit guten Fügeeigenschaften kann erzielt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es sollte beachtet werden, dass die erste und die zweite Ausbildungsform kein Teil der Erfindung sind.
1 ist eine Perspektivansicht, die die Lage zeigt, mit der ein Fügearbeitsvorgang unter Verwendung des Fügewerkzeuges gemäß einer ersten Ausführungsform durchgeführt wird.
2 ist eine vergrößerte Teilschnittansicht gemäß der Schnittlinie 2-2 in 1.
3 ist eine vergrößerte Unteransicht des Fügewerkzeuges der ersten Ausführungsform.
4 ist eine Querschnittansicht gemäß der Schnittlinie 4-4 in 3.
5 ist eine Unteransicht eines Fügewerkzeuges gemäß einer zweiten Ausführungsform.
6 ist eine Querschnittansicht gemäß der Schnittlinie 6-6 in 5.
7 ist eine Teilquerschnittseitenansicht des Fügewerkzeuges gemäß der dritten Ausführungsform.
8 ist eine vergrößerte Querschnittansicht eines Abschnittes A, der von der unterbrochenen Linie in 7 umgeben ist.
9 ist eine Teilquerschnittseitenansicht des Fügewerkzeuges, das in dem Vergleichsbeispiel 1 verwendet wird.
10 ist eine Teilquerschnittseitenansicht des Fügewerkzeuges, das in dem Vergleichsbeispiel 2 verwendet wird.
11 ist eine Perspektivansicht, die die Lage zeigt, mit der der Fügearbeitsvorgang unter Verwendung eines konventionellen Fügewerkzeuges durchgeführt wird.
Beste Ausführungsart der Erfindung
Die Erfindung wird mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben.
1 bis 4 zeigen eine erste Ausführungsform. In 1 zeigt das Bezugszeichen 1a ein ebenes, metallisches, erstes Fügeteil an und das Bezugszeichen 1b zeigt ein ebnes, metallisches, zweites Fügeteil an. In jener Ausführungsform sind sowohl das Fügeteil 1a als auch 1b aus Aluminium oder seiner Legierung hergestellt. Die Dicke des ersten Fügeteiles 1a und des zweiten Fügeteiles 1b hat dieselbe Abmessung. Die seitlichen Seiten des ersten Fügeteiles 1a und des zweiten Fügeteiles 1b werden stumpf gestoßen, so dass ihre Oberflächen zueinander bündig sind. In jener stumpf gestoßenen Lage werden diese Fügeteile 1a und 1b von einem Stützelement (nicht gezeigt) von ihren unteren Oberflächen aus abgestützt.
In jener Ausführungsform werden der Stoßabschnitt 3 des Fügeteiles 1a und 1b mittels eines Reibrührschweißverfahrens entlang des Stoßabschnittes zum Erzeugen eines stumpf gestoßenen Fügeteiles aneinandergefügt. Demnach bilden in jener Ausführungsform der Stoßabschnitt 3 der Fügeteile 1a und 1b einen Verbindungsabschnitt oder einen aneinanderzufügenden Abschnitt aus.
In 1 zeigt das Bezugszeichen 10A ein Fügewerkzeug zum Durchführen eines Reibrührschweißverfahrens an. Das Fügewerkzeug 10A ist mit einem säulenförmigen Rotor 11 und einer stiftförmigen Sonde 13 versehen, die einen Durchmesser kleiner als der Rotor 11 aufweist. Der Endabschnitt des Rotors 11 wird auf die Oberflächen der Fügeteile 1a und 1b gedrückt. Die Sonde 13 wird in den stumpf gestoßenen Abschnitt 3 eingebracht. Der Rotor 11 und die Sonde 13 sind aus wärmebeständigen Materialien hergestellt, die härter als die Fügeteile 1a und 1b sind und Reibungswärme standhalten können, die zum Zeitpunkt des Aneinanderfügens erzeugt wird.
In dem Fügewerkzeug 10A, wie in 4 gezeigt, sind der Eckabschnitt 11a der Umfangsfläche des Endabschnittes des Rotors 11 und die Endfläche 12 entlang dessen gesamten Umfangs abgefast. Dies kann die Flächen der Fügeteile 1a und 1b vor Schaden bewahren, wenn der Eckabschnitt 11a auf die Oberflächen gedrückt wird.
Die Endfläche 12 des Endabschnittes des Rotors 11 ist als konkave Fläche eines umgedrehten V-förmigen Querschnittes ausgebildet, der in die Peripherie der Endfläche 12 in Richtung seines Rotationszentrums mit einer vorbestimmten Neigung gekerbt ist. Aus dem Rotationszentrumsabschnitt der Endfläche 12 steht die Sonde 13 einstückig vor, so dass sie mit der Rotationsachse Q des Rotors 11 übereinstimmt.
Außerdem sind, wie in 3 gezeigt, an der Endfläche 12 des Rotors 11 zwei Spiralnuten 15 und 15 ausgebildet, so dass sie die Sonde 13 mit 180°-Phasendifferenz umgeben. Diese Nuten 15 und 15 sind von dem Bereich des Basisendes der Sonde 13 aus bis zu dem Außenumfang der Endfläche 12 ausgebildet. Wie in 4 gezeigt, ist jede Nut 15 mit U-förmigen Querschnitt ausgebildet, so dass sie die Materialien der Fügeteile 1a und 1b einfangen kann, die durch die Reibwärme erweicht worden sind, so dass die Rückhaltekraft der Materialien innerhalb der konkaven Endfläche 12 zum Zeitpunkt des Aneinanderfügens verbessert wird.
Es wird bevorzugt, dass die Weite w1 der Nut 15 in den Bereich von 0,5 mm bis 2,0 mm fällt. Es wird bevorzugt, dass die Durchschnittstiefe h1 der Nut 15 in den Bereich von 0,5·w1 bis 2,0·w1 mm fällt. Außerdem wird bevorzugt, dass die Gewindesteigung p1 der Nut 15 in der Querschnittsebene, die die Rotationsachse Q des Rotors 11 aufweist, in den Bereich von 1,5·w1 bis 4,0·w1 mm fällt. Durch bestimmen der Werte wie oben erwähnt, können die zuvor erwähnten Funktionen sicher erzielt werden.
Andererseits ist an der Außenfläche der Sonde 13 ein spiralförmiger Rührvorsprung 13a, der einen dreieckigen Querschnitt hat, entlang im Wesentlichen der gesamten Länge der Sonde 13 ausgebildet. In jener Ausführungsform ist die Sonde 13 wie der Schaft einer M5-Schraube ausgebildet und der spiralförmige Rührvorsprung 13a korrespondiert mit dem Gewinde der Schraube. Der Rührvorsprung 13a ist zum wirksamen Verrühren der Materialien der Fügeteile 1a und 1b, die von der Reibwärme erweicht sind, vorgesehen.
Wie in 1 gezeigt, wird, wenn der stumpf gestoßene Abschnitt 3 der Fügeteile 1a und 1b unter Verwendung des Fügewerkzeuges 10A, das die zuvor erwähnte Struktur hat, aneinandergefügt werden, der Rotor 11 um die Rotationsachse Q herum in der vorbestimmten Rotationsrichtung R rotiert (die Rotationsrichtung R wird später beschrieben). So wird die Sonde 13 zusammen mit dem Rotor 11 rotiert. Dann wird die Rotationssonde 13 in den stumpf gestoßenen Abschnitt 3 aus der oberen Oberfläche der Fügeteile 1a und 1b eingebracht, bis der Endabschnitt des Rotationsrotors 11 auf die Oberflächen mit der Rotationsachse Q des Rotors gedrückt ist, die mit der Nennlinie T an der Einbringposition der Sonde 13 übereinstimmt. Zu diesem Zeitpunkt wird durch Drücken des Endabschnittes des Rotors 11 auf die Flächen der Fügeteile 1a und 1b der Endabschnitt des Rotors 11 etwas in die Fügeteile 1a und 1b wie in 2 gezeigt eingebracht. Während diese Lage beibehalten wird, wird der Endabschnitt des Rotors 11 zum Vorrücken entlang des stumpf gestoßenen Abschnittes 3 gebracht. Diese Vorrückrichtung M ist die Verbindungsrichtung. Die Sonde kann in den stumpf gestoßenen Bereich 3 von dem Längsende der Fügeteile 1a und 1b aus eingebracht werden.
Dann werden mittels der Reibwärme, die gemäß der Rotation der Sonde 13 erzeugt wird, und der Reibwärme, die gemäß der Reibung zwischen der Endfläche 12 und dem Endabschnitt des Rotors 11 und den Flächen der Fügeteile 1a und 1b erzeugt wird, die Fügeteile 1a und 1b um den Kontaktabschnitt herum zwischen den Fügeteilen 1a und 1b und dem Endabschnitt des Rotors 11 und der Sonde 13 erweicht. Die erweichten Materialien der Fügeteile 1a und 1b werden innerhalb der konkaven Endfläche 12 des Rotors 11 durch Empfangen der Druckkraft aus dem Endabschnitt des Rotors 11 gehalten. So wird wirksam verhindert, dass die Materialien in Richtung Außenfläche der Fügeteile 1a und 1b hinausgedrückt werden. Außerdem werden durch Empfangen der Druckkraft aus dem Endabschnitt des Rotors 11 die Materialien in der Nut 15 angefüllt, was das Entkommen der Materialien sicher verhindert.
Auf diese Weise werden die Materialien der Fügeteile 1a und 1b, die innerhalb der konkaven Endfläche 12 des Endabschnittes des Rotors 11 zurückgehalten werden, mittels der Rotationskraft des Endabschnittes des Rotors 11 und der Sonde 13 gerührt und vermischt. Die Materialien sind plastisch fluidisiert, so dass sie eine Nut befüllen, die gebildet wird, nach dem der Endabschnitt des Rotors 11 und der Sonde 13 gemäß der Vorrückbewegung des Endabschnittes des Rotors 11 vorbei gefahren wird. So werden sich die Materialien sofort nach dem Verlust der Reibwärme abkühlen und verfestigen. Jenes Phänomen wird gemäß der Vorrückbewegung des Endabschnittes des Rotors 11 wiederholt. Dies ermöglicht, dass die Fügeteile 1a und 1b entlang der Gesamtlänge des stumpf gestoßenen Abschnittes 3 miteinander einstückig ausgebildet werden, wodurch ein vorgeschriebenes Fügeteil erzielt werden kann. In 1 zeigt das Bezugszeichen 4 einen Verbindungsabschnitt an, der an dem stumpf gestoßenen Abschnitt 3 der Fügeteile 1a und 1b ausgebildet ist.
In der ersten Ausführungsform ist die Rotationsrichtung R des Rotors 11 in der in 3 gezeigten Richtung eingestellt. D. h. der Rotor 11 wird in der Richtung angetrieben, dass die Nut 15 sich aus dem Zentrum der Endfläche 12 des Rotors 11 hin zu dem Umfang der Endfläche 12 erstreckt, von der Endfläche 12 des Rotors 11 aus gesehen. Dies ermöglicht, dass die von der Nut 15 eingefangenen Materialien zum Ansammeln hin zu der Sonde 13 gemäß der Rotation der Endfläche 12 des Rotors 11 plastisch fluidiziert werden. Daher kann das Entkommen der Materialien sicherer verhindert werden, um dadurch einen besseren Verbindungsabschnitt 4 auszubilden.
In dem zuvor erwähnten Reibrührschweißverfahren wird das Fügewerkzeug 10A verwendet, in dem die Endfläche 12 des Endabschnittes des Rotors 11 in der zuvor erwähnten konkaven Fläche ausgebildet ist, die die zuvor erwähnte spiralförmige Nut 15 aufweist. Daher können die Materialien der Fügeteile 1a und 1b innerhalb der konkaven Endfläche 12 ohne rückwärts neigen der Rotationsachse Q des Rotors 11 relativ zu der Verbindungsrichtung M sicher zurückgehalten werden. So kann mit dem Fügewerkzeug 10A der Vorrückarbeitsvorgang des Endabschnittes des Rotors 11 (d. h. der Fügearbeitsvorgang) in der Lage durchgeführt werden, dass die Rotationsachse Q des Rotors 11 mit der Nennlinie T der Oberflächen der Fügeteile 1a und 1b an der besagten Einbringposition (d. h. Q = T) übereinstimmt, oder in der Lage, dass die Rotationsachse Q in der ebenen Ebene positioniert ist, die senkrecht zur Verbindungsrichtung M ist. Demnach kann der Vorrückarbeitsvorgang des Endabschnittes des Rotors 11 (d. h. der Fügearbeitsvorgang) in den Fällen einfach durchgeführt werden, in denen der stumpf gestoßene Abschnitt 3 gekrümmt ist (nicht gezeigt) sowie in denen der stumpf gestoßene Abschnitt 3 sich gerade erstreckt, wie in der Ausführungsform.
Außerdem können gemäß dem Fügewerkzeug 10A, da die Materialien der Fügeteile 1a und 1b innerhalb der konkaven Endfläche 12 beständig zurückgehalten werden können, Fügestörungen (z. B. Hohlabschnitte) wegen Materialmangel und Grate wegen des Entkommens der Materialien verhindert werden. Zusätzlich kann verhindert werden, dass die Dicke des Verbindungsabschnittes verkleinert wird. Demnach kann ein Fügeteil mit guten Fügeeigenschaften unter Verwendung des zuvor erwähnten Fügewerkzeuges 10A erzielt werden.
Zusätzlich kann der Rotor 11 eine oder eine Vielzahl von spiralförmigen Nuten 15 aufweisen. Es wird insbesondere bevorzugt, dass der Rotor 11 eine Vielzahl von Spiralen aufweist.
5 und 6 zeigen ein Fügewerkzeug 10B gemäß einer zweiten Ausführungsform. In jenen Figuren werden dieselben Bezugszeichen den korrespondierenden Elementen des Fügewerkzeuges 10A der ersten Ausführungsform zugewiesen.
In dem Fügewerkzeug 10B sind an der Endfläche 12 des Endabschnittes des Rotors 11 drei kreisförmige Nuten 16 mit unterschiedlichen Radien exzentrisch um das Rotationszentrum herum vorgesehen, so dass sie die Sonde 13 umgeben. Die bevorzugte Weite w2, die Durchschnittstiefe h2 und die Gewindesteigung p2 der Nut 16 sind dieselben wie die der Nut 15 des Fügewerkzeuges 10A gemäß der ersten Ausführungsform.
Die anderen Strukturen des Fügewerkzeuges 10B sind dieselben wie die des Fügewerkzeuges 10A gemäß der ersten Ausführungsform. Das Fügeverfahren, in dem das Fügewerkzeug 10A verwendet wird, ist dasselbe wie das Verfahren, das in der ersten Ausführungsform erläutert worden ist. Demnach wird dieselbe Erläuterung weggelassen.
In dem Fügewerkzeug 10B werden durch Empfangen der Druckkraft aus dem Endabschnitt des Rotors 11 die Materialien der Fügeteile 1a und 1b innerhalb der konkaven Endfläche 12 des Endabschnittes des Rotors 11 zurückgehalten. Zusätzlich können die Materialien von der Nut 16 sicher zurückgehalten werden, was ein Fügeteil mit guten Fügeeigenschaften ergibt.
Der Rotor 11 kann eine oder eine Vielzahl von kreisförmigen Nuten 16 aufweisen. Es wird bevorzugt, dass der Rotor 11 eine Vielzahl von Nuten 16 aufweist.
7 und 8 zeigen ein Fügewerkzeug 10C gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In jenen Figuren werden dieselben Bezugszeichen für korrespondierende Elemente des Fügewerkzeuges 10A gemäß der ersten Ausführungsform vergeben.
In dem Fügewerkzeug 10C ist an der Endfläche 12 des Endabschnittes des Rotors 11 keine Nut 15 vorgesehen, sondern es sind stufenförmige Abschnitte vorgesehen, die jeweils einen L-förmigen Querschnitt auf der gesamten Peripherie des Endabschittes des Rotors 11 um die Rotationsachse Q des Rotors 11 herum aufweisen. Die stufenartigen Abschnitte sind so ausgebildet, dass sie sich der Sonde stufenförmig von oben nach unten nähern. In 8 gibt das Bezugszeichen 17 einen Schulterabschnitt von jedem stufenartigen Abschnitt an.
Die anderen Strukturen des Fügewerkzeuges 10C sind dieselben wie jene des Fügewerkzeuges 10A gemäß der ersten Ausführungsform. Das Fügeverfahren, das das Fügewerkzeug 10C verwendet, ist dasselbe wie das Verfahren, das in der ersten Ausführungsform erläutert worden ist. Demnach wird dieselbe Erläuterung weggelassen.
In dem Fügewerkzeug 10C können, da die zweifach abgestuften Abschnitte an der gesamten Peripherie des Endabschnittes des Rotors 11 ausgebildet sind, die Schulterabschnitte 17 und 17 auf die Fügeteile 1a und 1b durch Drücken des Endabschnittes des Rotors 11 auf die Oberflächen der Fügeteile 1a und 1b gedrückt werden. Als Ergebnis kann die Außenumfangsfläche des Endabschnittes des Rotors 11 sicher auf die Oberfläche der Fügeteile 1a und 1b gedrückt werden. Demnach wird wirksam verhindert, dass die Materialien der Fügeteile 1a und 1b, die in der konkaven Endfläche 12 zurückgehalten werden, daraus entkommen. Daher kann auf einfache Weise ein stumpf gestoßenes Fügeteil mit guten Fügeeigenschaften erzielt werden.
In dem Fügewerkzeug 10C wird, um die oben erwähnten Effekte sicher zu erzielen, bevorzugt, dass die Radiusdifferenz s der benachbarten stufenartigen Abschnitte in den Bereich von 0,3 bis 1,0 mm fällt.
In der Erfindung kann der Rotor 11 einen, drei oder mehrere stufenartige Abschnitte aufweisen. Am bevorzugtesten weist der Rotor 11 eine Vielzahl von stufenartigen Abschnitten auf.
Die obige Erläuterung ist auf die erste bis dritte Ausführungsform gerichtet. Jedoch ist die Erfindung nicht auf die jeweilige Ausführungsform beschränkt, sondern kann verschiedenartig variiert werden.
Beispielsweise kann die Endfläche 12 an dem Endabschnitt des Rotors 11 des Fügewerkzeuges in einer konkaven Oberfläche ausgebildet sein, die einen bogenförmigen Querschnitt aufweist, der aus der Peripherie der Endfläche 12 zu seinem Rotationszentrum hin eingekerbt ist.
Das Fügewerkzeug kann mit stufenartigen Abschnitten an den Umfangsflächen des Endabschnittes des Rotors 11 und einer spiralförmigen Nut 15 oder kreisförmigen Nuten 16 an der Endfläche 12 des Rotors 11 versehen sein.
Bei dem Fügearbeitsvorgang kann es möglich sein, einen Fügearbeitsvorgang durchzuführen, so dass die Fügeteile 1a und 1b mit der Position des feststehenden Rotors 11 vorgerückt werden, so dass der stumpf gestoßene Abschnitt 3 an dem Endabschnitt des Rotors 11 vorbeifährt.
Außerdem kann in der Erfindung das Reibrührschweißwerkzeug und das Reibrührschweißverfahren, bei dem ein derartiges Werkzeug verwendet wird, nicht nur bei Fügearbeitsvorgängen eines stumpf gestoßenen Abschnittes von Fügeteilen, wie oben erläutert, verwendet werden, sondern auch in einem Fügearbeitsvorgang mit verschiedenartigen Verbindungsabschnittstypen, wie beispielsweise einem gestapelten Abschnitt von Fügeteilen und einer Schnittstelle von Fügeteilen.
Als nächstes werden Beispiele beschrieben.
<Beispiel 1>
Es wurden zwei ebene Fügeteile, oder das erste und das zweite Fügeteil, die aus einer Aluminiumlegierung hergestellt sind, die gleiche Gestalt und die gleiche Abmessung haben vorbereitet (Materialien: JIS A6063-T5, Abmessung: 200 mm Lang·100 mm Breit·4 mm Dick). Die seitlichen Seiten des ersten Fügeteils 1a und des zweiten Fügeteils 1b wurden aneinander stumpf gestoßen, so dass ihre Oberflächen bündig zueinander sind. Dann wurde der stumpf gestoßene Abschnitt 3 der Fügeteile 1a und 1b entlang seiner Gesamtlänge unter Verwendung des Fügewerkzeuges 10A gemäß der ersten Ausführungsform, die in 3 und 4 gezeigt ist, gemäß dem Fügeverfahren der ersten Ausführungsform aneinandergefügt. In diesem Beispiel wurde das Aneinanderfügen in der Lage durchgeführt, dass die Rotationsachse Q des Rotors 11 mit der Nennlinie T der Oberflächen der Fügeteile 1a und 1b an der Sondenenbringposition übereinstimmen, d. h. der Rückwärtsneigewinkel θ der Rotationsachse Q des Rotors 11 gegen die Nennlinie T war 0°.
In dem in jenem Beispiel verwendeten Fügewerkzeug 10A hatte die Sonde 13 die gleiche Schaftausbildung wie die Schraube M5, wobei der Durchmesser des Endabschnittes des Rotors 11 15 mm und die Länge der Sonde 13 4 mm war. Die Abmessung der Nut 15 des Fügewerkzeuges 10A und die Fügebedingungen, die in jenem Beispiel angewendet wurden, waren wie folgt:
[Abmessung der Nut des Fügewerkzeuges]

Weite der Nut w1 ... 1 mm
Durchschnittstiefe der Nut h1 ... 1 mm
Gewindesteigung der Nut p1 ... 2 mm

[Fügebedingungen]

Drehgeschwindigkeit des Rotors ... 1000 U/min
Fügegeschwindigkeit ... 600 mm/min

<Beispiel 2>
Der stumpf gestoßene Abschnitt der zuvor erwähnten Fügeteile wurde entlang seiner Gesamtlänge unter Verwendung des Fügewerkzeuges 10B gemäß der in 5 und 6 gezeigten zweiten Ausführungsform aneinandergefügt. Die Abmessung der Nut des Fügewerkzeuges 10B und die Fügebedingungen, die in jenem Beispiel angewendet wurden, sind unten gezeigt. Die anderen Abmessungen des Fügewerkzeuges und die Fügebedingungen waren die gleichen wie in dem obigen Beispiel 1.
[Abmessung der Nut des Fügewerkzeuges]

Weite der Nut w2 ... 1 mm
Durchschnittstiefe der Nut h2 ... 1 mm
Gewindesteigung der Nut p2 ... 2 mm

<Beispiel 3>
Der stumpf gestoßene Abschnitt der zuvor erwähnten Fügeteile wurde entlang seiner Gesamtlänge unter Verwendung des Fügewerkzeuges 10C gemäß der in 7 und 8 gezeigten dritten Ausführungsform aneinandergefügt. Die Abmessung der Nut des Fügewerkzeuges 10C und die Fügebedingungen, die in jenem Beispiel angewendet wurden, sind unten gezeigt. Die anderen Abmessungen des Fügewerkzeuges und die Fügebedingungen waren die gleichen wie in dem obigen Beispiel 1.
[Abmessung des stufenartigen Abschnitts des Fügewerkzeuges]

Radiusdifferenz zwischen benachbarten, stufenartigen Abschnitten s ... 0,5 mm

<Vergleichsbeispiel 1>
Der stumpf gestoßene Abschnitt der zuvor erwähnten Fügeteile wurde entlang seiner Gesamtlänge unter Verwendung des in 9 gezeigten Fügewerkzeuges 210A aneinandergefügt. Die anderen Fügebedingungen waren die gleichen wie in dem zuvor erwähnten Beispiel 1. Hier wurde die Endfläche 212 des Endabschnittes des Rotors 211 des Fügewerkzeuges 210A in einer ebenen Fläche senkrecht zur Rotationsachse Q' ausgebildet. Keine Nut wurde an der Endfläche 212 vorgesehen. Die andere Struktur des Fügewerkzeuges 210A war die gleiche wie die des Fügewerkzeuges 10A der ersten Ausführungsform.
<Vergleichsbeispiel 2>
Der stumpf gestoßene Abschnitt der zuvor erwähnten Fügeteile wurde entlang seiner Gesamtlänge unter Verwendung des in 10 gezeigten Fügewerkzeuges 210B aneinandergefügt. Die anderen Fügebedingungen waren die gleichen wie in dem zuvor erwähnten Beispiel 1. Hier wurde die Endfläche 212 des Endabschnittes des Rotors 211 des Fügewerkzeuges 210B in einem umgekehrt V-förmigen, konkaven Querschnitt aus der Peripherie der Endfläche 212 zu seinem Rotationszentrum hin eingekerbt. Keine Nut wurde in der Endfläche 212 vorgesehen. Die andere Struktur des Fügewerkzeuges 210B war die gleiche wie die des Fügewerkzeuges 10A der ersten Ausführungsform.
<Vergleichswerkzeug 3>
Der stumpf gestoßene Abschnitt der zuvor erwähnten Fügeteile wurde entlang seiner Gesamtlänge unter Verwendung des in 10 gezeigten Fügewerkzeuges 210B aneinandergefügt. Hier war der Rückwärtsneigewinkel θ des Rotors 11 gegen die Nennlinie T 3°. Die anderen Fügebedingungen waren die gleichen wie in dem zuvor erwähnten Beispiel 1.

Hinsichtlich jedes Fügeteils, das mittels der zuvor erwähnten Beispiele 1 bis 3 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 erzielt worden ist, wurde eine Sichtprüfung zum Überprüfen der Oberflächenzustände ab dem Verbindungsabschnitt durchgeführt und eine Röntgenstrahlen-Untersuchung wurde durchgeführt, um die Fügestörungen zu finden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. [Tabelle 1]

	Fügewerkzeug	Neigungswinkel θ	Oberflächenzustand des Verbindungsabschnitts	Innenstörungen des Verbindungsabschnitts
Beispiel 1	10A	0°	⌾	Keine
Beispiel 2	10B	0°	O	Keine
Beispiel 3	10C	0°	Δ	Keine
Vergleichsbeispiel 1	210A	0°	X	Ja
Vergleichsbeispiel 2	210B	0°	O	Ja
Vergleichsbeispiel 3	210B	3°	O	Keine

In der Spalte von "Oberflächenzustand des Verbindungsabschnitts" in Tabelle 1 zeigt Zeichen X, dass der Oberflächenzustand des Verbindungsabschnittes schlecht ist. Andererseits zeigen die Zeichen Δ, O, ⌾, dass der Oberflächenzustand des Verbindungsabschnittes gut ist. Das Zeichen ⌾ gibt den besten Zustand an, das Zeichen O gibt den zweitbesten Zustand an und das Zeichen Δ gibt den drittbesten Zustand an.
Wie in Tabelle 1 gezeigt, ist in den Beispielen 1 bis 3 jeder Oberflächenzustand des Verbindungsabschnittes gut, keine Innenstörung, wie beispielsweise ein Hohlabschnitt, ist in dem Verbindungsabschnitt erzeugt worden und die Dicke des Verbindungsabschnittes hat nicht abgenommen. Dies verrät, dass ein guter Verbindungsabschnitt durch Verwendung jener Fügewerkzeuge erzielt werden kann, selbst wenn die Rotationsachse des Rotors zum Fügezeitpunkt nicht relativ zu der Verbindungsrichtung rückwärts geneigt ist. Insbesondere in Beispiel 1 wurde ein Verbindungsabschnitt mit besonders guten Oberflächeneigenschaften ausgebildet. Daher wurde bestätigt, dass ein stumpf gestoßenes Fügeteil mit extrem hoher Fügequalität erzielt werden kann.
Andererseits wurden in den Vergleichsbeispielen 1 und 2 die Innenstörungen, wie beispielsweise Hohlabschnitte, in dem Verbindungsabschnitt erzeugt und es konnte kein guter Verbindungsabschnitt ausgebildet werden. Außerdem wurden in dem Vergleichsbeispiel 1 auf der Oberfläche des Verbindungsabschnittes Grate erzeugt und der Oberflächenzustand war schlecht. In dem Vergleichsbeispiel 3 war der Fügearbeitsvorgang schwierig, da der Fügearbeitsvorgang in der Lage durchgeführt werden musste, dass die Rotationsachse des Rotors gegen die Verbindungsrichtung rückwärts geneigt war.
Wie oben erwähnt, die Erfindung kann wie folgt zusammengefasst werden.
Gemäß dem Reibrührschweißwerkzeug der Erfindung kann die Umfangsfläche des Endabschnittes des Rotors fest auf die Oberflächen der Fügeteile zum Fügezeitpunkt gedrückt werden. So kann das Entkommen der Materialien verhindert werden. Zusätzlich kann mit jenem Fügewerkzeug zum Fügezeitpunkt der Fügearbeitsvorgang vereinfacht werden, da die Materialien der Fügeteile ohne Neigen der Rotationsachse des Rotors relativ zur Verbindungsrichtung zurückgehalten werden können.
Gemäß dem Reibrührschweißverfahren gemäß der Erfindung kann ein Fügeteil mit einer extrem hohen Fügequalität erzielt werden und der Fügearbeitsvorgang kann einfach durchgeführt werden.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Wie oben erwähnt, wird das Reibrührschweißwerkzeug gemäß der Erfindung als geeignetes Fügewerkzeug zum Herstellen verschiedenartiger Fügeteile, wie beispielsweise Bodenteile, Wandteile, Deckenteile, Aufhängearmteile für Schiffe, Automobile oder Schienenfahrzeuge verwendet.
Das Reibrührschweißverfahren gemäß der Erfindung wird als geeignetes Reibrührschweißverfahren zum Herstellen verschiedenartiger Fügeteile, wie beispielsweise Bodenteile, Wandteile, Deckenteile, Aufhängearmteile für Schiffe, Automobile oder Schienenfahrzeuge verwendet.

Claims

Reibrührschweißwerkzeug (100), das einen Rotor (11) mit einem auf wenigstens eine Oberfläche von Fügeteilen (1a, 1b) zu drückenden Endabschnitt und eine in einen Verbindungsabschnitt (3) der Fügeteile (1a, 1b) einzubringende Sonde (13) umfasst, wobei die Sonde (13) einen kleineren Durchmesser als der Rotor (11) aufweist, wobei: eine Endfläche (12) des Endabschnitts des Rotors (11) mit einer konkaven Fläche (12) ausgebildet ist, die vom äußeren Rand der Endfläche (12) in Richtung zum Rotationszentrum (Q) der Endfläche (12) gekerbt ist; und die Sonde (13) vom Rotationszentrum (Q) der Endfläche (12) aus hervorsteht; dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (11) mit stufenartigen Abschnitten (17) auf einer gesamten Peripherie des Endabschnitts des Rotors (11) versehen ist, wobei sich die stufenartigen Abschnitte (17) der Sonde (13) stufenförmig nähern.
Reibrührschweißwerkzeug (100) nach Anspruch 1, wobei der Rotor (11) mit einer Vielzahl von stufenartigen Abschnitten (17) versehen ist.
Reibrührschweißwerkzeug (100) nach Anspruch 1, wobei eine Radiusdifferenz s der stufenartigen Abschnitte (17) in einen Bereich von 0,3 bis 1 mm fällt.
Reibrührschweißwerkzeug (100) nach Anspruch 1, wobei die Sonde (13) auf ihrer Außenfläche mit einem Rührvorsprung (13a) versehen ist.
Reibrührschweißverfahren, bei dem ein erstes Fügeteil (1a) und ein zweites Fügeteil (1b) an einem Verbindungsabschnitt (3) verbunden werden, das die Schritte umfasst: Verwenden des Reibrührschweißwerkzeugs (10C) nach Anspruch 1, Einbringen der rotierenden Sonde (13) in den Verbindungsabschnitt (3) der Fügeteile (1a, 1b), Drücken des Endabschnitts des rotierenden Rotors (13) auf zumindest eine der Oberflächen der Fügeteile (1a, 1b) und Vorrücken des Endabschnitts des Rotors (13) relativ zu den Fügeteilen (1a, 1b) entlang des Verbindungsabschnitts (3), ohne die Rotationsachse (Q = T) des Rotors (13) relativ zur Verbindungsrichtung (M) zu neigen.