DE602004011317T2

DE602004011317T2 - Exzentrische Niete und Verfahren zum Reibrührnieten

Info

Publication number: DE602004011317T2
Application number: DE200460011317
Authority: DE
Inventors: Robin Bloomfield Stevenson; Pei-Chung Troy Wang
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2009-01-15
Anticipated expiration: 2024-02-20
Also published as: DE602004011317D1; EP1566234A1; EP1566234B1

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft das Reibrührschweißen und -nieten, im Spezielleren Verfahren zum Verbinden mehrerer Werkstücke unter Verwendung eines präzedierenden Rührniets, um eine mechanische Verbindung, eine Schweißverbindung und eine Diffusionsverbindung zu erzeugen.
Hintergrund der Erfindung
Reibrührschweißen (friction stir welding = FSW) ist ein Verfahren, das verwendet wird, um Metallwerkstücke zu verbinden. Das Verfahren verwendet allgemein ein zylindrisches, mit einer Schulter versehenes Werkzeug mit einem Profilstift, der an der Verbindungslinie zwischen zwei Werkstücken rotiert wird, während er entlang der Verbindungslinie bewegt wird. Die Rotationsbewegung des Werkzeugs erzeugt Reibungswärme, die dazu dient, die Werkstücke weich zu machen und zu erweichen. Dieses weich gemachte Material, das von beiden Werkstücken beigetragen wird, vermischt sich und wird durch die Stiftschulter verdichtet. Wenn sich der Stift seitlich bewegt, wird die Reiberwärmung reduziert und das weich gemachte Material erhärtet und erzeugt eine Verbindung zwischen den zwei Werkstücken. Das beste aktuelle Verständnis des Vorgangs besteht darin, dass kein Schmelzen erfolgt und die Schweißnaht in einem dichtgefügten, warm verarbeiteten Zustand ohne eingeschlossene Oxide oder Gasdurchlässigkeit belassen wird.
Eine übliche Konstruktion von FSW-Rührstäben ist derart, dass das Reibelement im Wesentlichen symmetrisch mit einer gewissen Unregelmäßigkeit ist, um eine Rührbewegung zu induzieren. Das Äußere des Rührsta bes ist oft mit einem Gewinde versehen ähnlich wie eine Schraube. Um jedoch das Vermischen zu unterstützen und das erweichte Material solange wie möglich in der Schweißzone zu halten, ist die Richtung der Rotation des Stabes derart, dass die Gewinde das erweichte Material nach unten tragen, um eine möglichst turbulente Strömung und ein möglichst effizientes Vermischen zu erzeugen. Insbesondere für Metallwerkstücke lokalisiert die hohe Wärmeleitfähigkeit den Bereich stark, der plastisch genug ist, um durch die Rührwirkung verformt zu werden. Daher ist die Breite des gerührten Bereiches im Wesentlichen gleich der Breite des Rührstabes.
Die US 2003/01 359 74 A1 offenbart einen Niet und ein Verfahren zur Verwendung eines Niets gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein/en verbessertes/n Niet und Verfahren zum Verbinden schmelzbarer Werkstücke vorzusehen.
Dieses Ziel wird durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Ansprüche erreicht.
Die Erfindung beruht auf einem neu entwickelten Verfahren, das wir Reibrührnieten nennen. Dieses Verfahren verbessert das Reibrührschweißen durch Verwenden eines Rührstabes als einen Niet. Der Rührniet wird rotiert und in mehrere Werkstücke vorgeschoben, um das Material um den Niet herum zu erweichen, um die Werkstücke miteinander rührzuverschweißen. Der Niet wird dann in der Position belassen, um eine Schweißnaht zwischen dem Niet und dem erhärteten oder verfestigten Material zu bilden.
Die vorliegende Erfindung sieht einen modifizierten Rührniet vor, der einen angewinkelten Körper umfasst, der asymmetrisch um eine Rotationsachse herum ist. Der Körper liegt vorzugsweise auf einer Mittellinie, die sich auswärts und nach unten von der Rotationsachse erstreckt, so dass die Körpermittellinie präzediert, während sie auf der Rotationsachse rotiert.
Der Niet besitzt einen oberen und einen unteren Abschnitt. Der obere Abschnitt des Niets umfasst eine Kappe, die als Kopf des Niets dient, und umfasst eine Oberseite, eine Unterseite und eine Außenfläche. Eine ausgenommene Buchse ist zentral entlang der Rotationsachse der Oberseite der Kappe angeordnet. Die Unterseite der Kappe ist einwärts ausgenommen und ist mit einem länglichen Körper verbunden.
Der untere Abschnitt des Niets umfasst den länglichen Körper mit Seitenwänden und einer unteren Stirnfläche. Der Körper besitzt einen Querschnitt, der entlang der Länge des länglichen Körpers von der Kappe nach unten zu dem unteren Ende glatt zunimmt, was zur Folge hat, dass der Körper des Niets Wiedereintrittsmerkmale besitzt. Das untere Ende des Körpers ist knollenförmig mit einer birnenartigen Form. Alternative Formen für den Körper des Niets umfassen kegelförmige, zylindrische und kugelförmige Formen. Ein Abschnitt der Seitenwand ist einwärts in Richtung der Rotationsachse des Niets angewinkelt, was einen Wiedereintrittsabschnitt entlang zumindest einer Seite des länglichen Körpers erzeugt. Der untere Abschnitt des Niets besitzt spiralförmige Kehlen, die die Länge des längliche Körpers entlang verlaufen, um verdrängtes Material zurück zu der unteren Fläche des Niets zu lenken.
Die Kappe dient als ein Halteelement, um zu verhindern, dass erweichtes Material aus dem Hohlraum verdrängt wird. Insbesondere wenn die Kappe in Kontakt mit dem ersten Werkstück gelangt, treibt die einwärts ausgenommene Unterseite der Kappe verdrängtes Material zurück in den Hohlraum. Wenn das Material wieder in den Hohlraum eintritt, drücken die an dem länglichen Abschnitt des Niets angeordneten spiralförmigen Kehlen das Material nach unten zu der unteren Fläche des Niets, um das Material um das untere Ende des Niets herum zu verdichten.
Um den Niet zu rotieren, wird eine Rotationsvorrichtung in die ausgenommene Buchse des Niets eingesetzt. Die ausgenommene Buchse ist zentral auf der oberen Fläche der Kappe angeordnet und ist mit der Rotationsachse des Niets ausgerichtet. Der untere Abschnitt des Niets ist entlang der Präzessionsachse, die unter einem Winkel zu der Rotationsachse verläuft, ausgerichtet. Ein Versetzen der Ausrichtung des unteren Abschnitts des Niets relativ zu der Rotationsachse hat zur Folge, dass sich der untere Abschnitt, wenn er rotiert wird, in einer Präzessionsbewegung bewegt.
Die Präzessionsbewegung des Niets erzeugt mehr Kontakt um die Seitenwände des Niets herum und vergrößert den Rührradius um den Niet herum. Der zusätzliche Kontakt zwischen der Seitenwand und den zu schweißenden Werkstücken unterstützt den Rührschweißvorgang, indem ein größerer Bereich um den Niet herum aufgerührt wird. Infolgedessen wird mehr erweichtes Material vermischt und verschmolzen. Auch erzeugt die durch die Präzessionsbewegung des Niets erzeugte zusätzliche Reibung zusätzliche Wärme, die den Vorgang weiter unterstützt.
Ein Scheuern der Seitenwände des Niets entfernt eine Oxidation von dem Niet, was zulässt, dass sich eine bessere Verbindung zwischen dem Niet und dem gerührten Material bildet. Wenn die Oxidation nicht von den Seitenwänden des Niets entfernt wird, wird die Verbindung, die sich zwischen dem Niet und dem gerührten Material bildet, durch die Oxidationsschicht um den Niet herum beeinträchtigt.
Die Schweißnahtfestigkeit wird durch den Wiedereintrittsabschnitt des Niets weiter erhöht. Der längliche Körper des Niets erzeugt einen Wiedereintrittsabschnitt entlang der angewinkelten Seitenwände des Niets. Der Wiedereintrittsabschnitt erstreckt sich von dem unteren Abschnitt des Niets bis zu der Unterseite der Kappe. Diese Konstruktion lässt zu, dass erweichtes Material zwischen die Kappe und die untere Fläche des Niets gefüllt wird, wodurch dass mechanische Rückhaltevolumen um den Wiedereintrittsabschnitt des Niets herum erhöht wird.
Der Niet sollte aus einem Metall mit einem relativ hohen Schmelzpunkt oder einem hoch schmelzenden Metall gebildet sein, so dass der Niet einen höheren Schmelzpunkt besitzt als die zu verbindenden Werkstücke. Der Niet sollte vorzugsweise einen Schmelzpunkt besitzen, der um mindestens 37,8° Celsius (100° Fahrenheit) höher und bevorzugter mindestens 93,3° Celsius (200° Fahrenheit) höher als der der Werkstücke wie z. B. Aluminium ist. Des Weiteren sollte der Niet aus einem Metall mit einer wesentlich größeren Härte als die der zu verbindenden Werkstücke gebildet sein. Beispielhafte Metalle umfassen Kohlenstoffstahl, Titan (z. B. Titan 6-4) und dergleichen. Der Niet sollte vorzugsweise aus einem Metall gebildet sein, das in der Lage ist, eine Diffusionsverbindung mit den zu verbindenden Metallwerkstücken zu bilden.
Eine geeignete Rotationsvorrichtung wird verwendet, um den Niet zu rotieren und in die zu verbindenden Werkstücke zu pressen. Das Eindringen des Niets ist am besten, wenn er bei Drehzahlen zwischen 4.500 und 27.000 Umdrehungen pro Minute rotiert wird. Der Druckbetrag, der notwendig ist, um zuzulassen, dass der Niet in das Metallwerkstück eindringt, ist von der Rotationsgeschwindigkeit abhängig. Die Eindringgeschwindigkeit ist erhöht, wenn der Betrag des aufgebrachten Drucks erhöht ist, oder wenn die Umdrehungen pro Minute erhöht sind. Unter guten Bedingungen kann der Reibrührniet in Aluminium bis zu 27 Millimeter pro Minute eindringen.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung bestimmter spezifischer Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen ist:
1 eine Seitenansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Reibrührniets gemäß der Erfindung;
2 eine Seitenansicht des Reibrührniets von 1., rotiert um 90°; und
3 eine Querschnittsansicht, die den Reibrührniet von 1 am Ende einer Rotation während eines Rührnietens der zwei Werkstücke miteinander zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Unter Bezugnahme zuerst auf die 1 und 2 der Zeichnungen im Detail, bezeichnet die Ziffer 10 allgemein einen Reibrührniet. Der Niet 10 umfasst einen länglichen Rührkörper 12 und eine Kappe 14. Der längliche Körper 12 umfasst eine Seitenwand 16 und ein unteres Ende 18. Der Querschnitt des Körpers 12 nimmt von der Kappe 14 nach unten zu dem unteren Ende 18, das optional eine halbkugelförmige Form besitzt, glatt zu. Die Seitenwand 16 besitzt einen angewinkelten Abschnitt 20, der einwärts in Richtung der Rotationsachse 22 des Niets 10 geneigt ist, um einen Wiedereintrittsabschnitt 24 zu erzeugen. Der längliche Körper 12 besitzt spiralförmige Kehlen 26.
Die Kappe 14 dient als Kopf des Niets 10 und umfasst eine Oberseite 28, eine Unterseite 30 und eine Außenfläche 32. Ein ausgenommener Buchse 34 ist zentral entlang der Rotationsachse 22 der Oberseite 28 der Kappe 14 angeordnet. Eine Rotationsvorrichtung steht mit der ausgenommenen Buchse 34 in Eingriff, um den Niet 10 zu rotieren und zu treiben. Die Unterseite 30 der Kappe 14 besitzt einen einwärts ausgenommen Abschnitt 36, der mit dem länglichen Körper 12 verbunden ist. Der Körper 12 ist relativ zu der Rotationsachse 22 des Niets versetzt und entlang einer Präzessionsachse 38, die einen Winkel mit der Rotationsachse 22 bildet, ausgerichtet.
Unter Bezugnahme auf 3 ist der Niet 10 in Verwendung zum Rührnieten eines ersten Werkstückes 40 wie z. B. einer schmelzbaren Aluminiumtafel oder -platte an ein zweites Werkstück 42 wie z. B. einen schmelzbare Aluminiumrahmen oder einen anderen Träger gezeigt. Im Gebrauch wird der Niet 10 um seine Rotationsachse 22 herum rotiert, während der läng liche Körper 12, der sich entlang der Präzessionsachse 38 erstreckt, mit der Achse 38 in einer präzessionsartigen Bewegung rotiert.
Während der Rotation wird eine Abwärtskraft auf den Niet 10 aufgebracht, die zur Folge hat, dass das untere Ende 18 in Reibkontakt mit einer frei liegenden Fläche 44 des ersten Werkstücks 40 gelangt. Die Abwärtskraft und die Rotation des Niets 10 haben zur Folge, dass ein Abschnitt des ersten Werkstücks 40 erweicht, was zulässt, dass der Niet 10 eindringt und einen Hohlraum 46 bildet, der zum Teil oder vollständig mit erweichtem Material 52 gefüllt ist. Wenn der Niet 10 durch eine nicht freiliegende Fläche 48 des ersten Werkstücks 40 getrieben wird, gelangt der Niet 10 mit einer nicht freiliegenden Fläche 50 des zweiten Werkstücks 42 in Reibkontakt. Die Abwärtskraft und die Rotation des Niets 10 haben zur Folge, dass ein Abschnitt des zweiten Werkstücks 42 erweicht, was zulässt, dass der Niet 10 weiter in den Hohlraum 46 eindringt. Wenn der Niet 10 durch das erste Werkstück 40 in das zweite Werkstück 42 getrieben wird, wird das erweichte Material 52 vermischt.
Wenn der Niet 10 weiter in die Werkstücke 40, 42 getrieben wird, gelangt die Unterseite 30 der Kappe 14 mit der freiliegenden Fläche 44 in Kontakt, was zur Folge hat, dass die Kappe 14 als ein Halteelement dient, das erweichtes Material 52 vor einem Entweichen während des Reibrührniet-Vorgangs eingrenzt. Insbesondere der einwärts ausgenommene Abschnitt 36 der Unterseite 30 treibt das erweichte Material 52 in die spiralförmigen Kehlen 26. Wenn der Niet im Uhrzeigersinn rotiert wird, wie durch den Richtungspfeil 54 angezeigt, drücken die Kehlen 26 erweichtes Material 52 die Länge des Niets 10 hinunter zu dem unteren Ende 18, was das Material um das untere Ende 18 des Niets 10 herum verdichtet.
Die Präzessionsbewegung des Körpers 12 vergrößert den Kontakt zwischen der Seitenwand 16 des Niets 10 und dem Hohlraum 46. Der zusätzliche Kontakt, der durch die Seitenwand 16 des Niets 10 erzeugt wird, unterstützt den Schweißvorgang, indem ein größerer Bereich um den Niet 10 herum aufgerührt wird, was zur Folge hat, dass mehr erweichtes Material vermischt wird.
Der zusätzliche Kontakt zwischen der Seitenwand 16 und dem Hohlraum 46 reibt eine Oxidation von der Seitenwand 16 ab. Ein Entfernen einer Oxidation um den Niet herum, lässt zu, dass sich eine bessere Verbindung zwischen dem Niet 10 und dem erweichten Material 52 bildet. Wenn die Oxidation nicht von der Seitenwand 16 des Niets 10 entfernt wird, wird die Oxidationsschicht die chemische Verbindung zwischen dem Niet 10 und dem erweichten Material 52 stören.
Vorzugsweise wird der Niet 10 durch das erste Werkstück 40 hindurch und teilweise in das zweite Werkstück 42 hinein getrieben, bis die Kappe 14 des Niets 10 teilweise in die freiliegende Fläche 44 des ersten Werkstücks 44 hinein ausgenommen ist. Danach wird die Rotationsbewegung des Niets 10 gestoppt, was zulässt, dass sich lokal erweichtes Material 52 verfestigt und mehrere Schweißnähte bildet. Der Niet 10 bildet eine mechanische Verbindung zwischen dem ersten Werkstück 40 und dem zweien Werkstück 42. Erweichtes Material 52 bildet vorzugsweise eine Diffusionsverbindung zwischen dem Niet 10 und dem ersten und dem zweiten Werkstück 40, 42. Überdies bildet das erweichte Material 52 eine Schweißverbindung zwischen dem ersten Werkstück 40 und dem zweiten Werkstück 42.
Die Schweißnahtfestigkeit wird durch die Wiedereintrittsabschnitte des Niets 10 weiter erhöht. Der längliche Körper 12 des Niets 10 erzeugt Wie dereintrittsabschnitte um die Seitenwände 16, 20 des Niets 10 herum. Der Wiedereintrittsabschnitt 24 erstreckt sich von dem unteren Abschnitt 18 des Niets bis zu der Unterseite 30 der Kappe 14. Diese Konstruktion lässt zu, dass erweichtes Material 52 zwischen die Kappe 14 und die untere Fläche 18 des Niets 10 gefüllt wird, wodurch die mechanische Rückhaltefestigkeit um die Seitenwände 16, 20 des Niets 10 herum erhöht wird.
Die vorhergehende Beschreibung zielt beispielhaft auf ein Verbinden von Aluminiummetall-Werkstücken mit einem Rührniet, der aus einem Metall mit einem Schmelzpunkt bei einer höheren Temperatur hergestellt ist, ab. Es sollte jedoch einzusehen sein, dass weitere schmelzbare Materialien unter Verwendung desselben Verfahrens mit einer geeigneten Auswahl von kompatiblen Materialien verbunden werden können. Daher können auch andere Metalle oder thermoplastische Kunststoffe mit einem Rührniet und -verfahren innerhalb der oben beschriebenen Richtlinien erfolgreich verbunden werden.
Während die Erfindung durch Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte einzusehen sein, dass zahlreiche Änderungen innerhalb des Geistes und Umfangs der beschriebenen erfindungsgemäßen Konzepte vorgenommen werden könnten. Demzufolge soll die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein, sondern den gesamten durch die nachfolgenden Ansprüche erlaubten Umfang umfassen.

Claims

Reibrührniet (10) mit einer Kappe (14) und einem länglichen Rührkörper (12), der sich von der Kappe (14) nach unten erstreckt, wobei der Körper (12) ein unteres Ende (18) und Seitenwände (16) aufweist, die das untere Ende (18) mit einer Unterseite (30) der Kappe (14) verbinden, wobei: der Niet (10) eine vorbestimmte Rotationsachse (22) besitzt; dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (12) eine Mittellinie (38) aufweist, die nach unten und auswärts von der Rotationsachse angewinkelt ist; und der Körper (12) einen Querschnitt besitzt, der von der Kappe (14) zu dem unteren Ende (18) glatt zunimmt, um einen Wiedereintrittsbereich entlang zumindest einer Seite (16) des Körpers (12) zu erzeugen.
Niet (10) nach Anspruch 1, wobei der Körper (12) eine angewinkelte Kehle (26) entlang der Seitenwände (16) besitzt, die während der Rotation des Niets (10) dazu dient, fließbares Material nach unten in Richtung dem unteren Ende (18) des Niets (10) zu treiben.
Niet (10) nach Anspruch 2, wobei die Kappe (14) eine Scheibe ist und die Unterseite (30) einwärts ausgenommen ist, um Material einwärts in Richtung einem oberen Ende der Kehle (26) zu lenken.
Niet (10) nach Anspruch 1, mit einem Rotationsantriebsmerkmal (34) an der Kappe (14).
Niet (10) nach Anspruch 1, wobei der längliche Körper (12) birnenförmig ist, um einen Wiedereintrittsabschnitt um die Seitenwände (16) herum zu erzeugen.
Niet (10) nach Anspruch 1, wobei der längliche Körper (12) relativ zu der Rotationsachse (22) asymmetrisch ist.
Niet (10) nach Anspruch 1, wobei das untere Ende (18) des Körpers (12) allgemein halbkugelförmig ist.
Verfahren zur Verwendung eines Niets (10), um schmelzbare Werkstücke an einem Eingriffspunkt zu verbinden, mit den Schritten, dass: ein Niet (10) mit einer Kappe und einem länglichen Körper (12) vorgesehen wird, der aus einem Material ausgebildet wird, das einen Schmelzpunkt aufweist, der wesentlich höher als der der Werkstücke ist; der Niet (10) um eine Rotationsachse (22) rotiert wird und gleichzeitig der präzidierende Körper (12) durch ein erstes Werkstück (40) und in ein in Eingriff stehendes zweites Werkstück (42) getrieben wird, wodurch eine Reibung zwischen dem Niet (10) und den Werkstücken (40, 42) erzeugt wird, die ein vergrößertes Materialvolumen um den Niet (10) herum lokal erweicht; eine weitere Rotation und ein weiteres Einwärtstreiben des Niets (10), nachdem eine gewünschte Tiefe erreicht ist, gestoppt wird; und die Werkstücke (40, 42) und der Niet (10) gekühlt werden, bis eine Verfestigung des erweichten Materials auftritt und die schmelzbaren Werkstücke durch das erhärtete oder verfestigte Material und durch den Niet (10), der in den Werkstücken (40, 42) gehalten ist, an dem Eingriffspunkt zusammengehalten werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (12) eine Mittellinie (38) besitzt, die nach unten und auswärts von der Rotationsachse (22) angewinkelt ist, so dass der Körper von der Rotationsachse (22) nach außen angewinkelt ist, was zur Folge hat, dass der Körper in einer präzessionsartigen Bewegung rotiert, und der Körper einen Querschnitt besitzt, der von der Kappe glatt in das unteren Ende übergeht.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend, dass der Niet (10) aus einem Material geformt wird, das mit demjenigen der schmelzbaren Werkstücke (40, 42) kompatibel ist, so dass während des Kühlens des erweichten Materials, das den Niet (10) umgibt, eine Diffusionsbindung zwischen dem Niet (10) und dem umgebenden Material erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Kühlschritt bewirkt, dass die schmelzbaren Werkstücke (40, 42) miteinander verschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Kühlschritt den Niet (10) einbettet, um eine mechanische Bindung zwischen den verbundenen Werkstücken (40, 42) zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die schmelzbaren Werkstücke (40, 42) Metall sind.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend, dass eine Kappe (14) an dem Körper (12) mit einer ausgenommenen Unterseite benachbart des Körpers (12) vorgesehen wird, um verdrängtes Material zurück in einen Rührbereich um den Niet (10) zu treiben.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend, dass eine angewinkelte Kehle (26) um Seitenwände (16) des Körpers (12) vorgesehen wird, um verdrängtes Material nach unten in Richtung dem Ende des Niets (10) zu lenken.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Körper (12) des Niets (10) relativ zu der Rotationsachse (22) asymmetrisch ist.