EP1656232A1 - Verfahren zur erhöhung der festigkeit und/oder belastbarkeit von werkstücken durch die methode des reibschweissens - Google Patents

Verfahren zur erhöhung der festigkeit und/oder belastbarkeit von werkstücken durch die methode des reibschweissens

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EP1656232A1
EP1656232A1 EP04762381A EP04762381A EP1656232A1 EP 1656232 A1 EP1656232 A1 EP 1656232A1 EP 04762381 A EP04762381 A EP 04762381A EP 04762381 A EP04762381 A EP 04762381A EP 1656232 A1 EP1656232 A1 EP 1656232A1
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EP
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hole
workpieces
work piece
strength
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Withdrawn
Application number
EP04762381A
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Inventor
Karl Ulrich Kainer
Norbert Hort
Hajo Dieringa
Jorge Dos Santos
Axel Meyer
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GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Original Assignee
GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
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Publication date
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    • B23K2103/15—Magnesium or alloys thereof
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    • B23K2103/18—Dissimilar materials

Definitions

  • the invention relates to a method for at least locally increasing the strength and / or resilience of workpieces, a first workpiece being initially produced by means of a conventional manufacturing method.
  • a pouring element is brought into the casting mold at the appropriate point and cast with the casting material, so that, as desired, at least a local increase in strength and / or Resilience is achieved.
  • the task is solved according to the invention in that a. the first workpiece is subsequently provided with a hole in the area of the strength and / or load capacity to be increased and subsequently b. a second workpiece consisting of a material that increases strength and / or resilience is introduced into the hole, and c. in this state, the second workpiece is rubbed relative to the first workpiece by the method of friction welding relative to one another until the welding temperature is below the melting temperature of both workpieces in order to create a friction welding connection between the two workpieces.
  • composite workpieces can be produced which, at least locally, have the properties with regard to strength, resilience and resistance at high temperature and high wear resistance, and workpieces produced in this way can thus be used in areas which were previously used for such Workpieces were completely inaccessible.
  • the first workpiece consists of a light metal material
  • all of the advantageous properties of the lightweight etal 1 can be used for the entire workpiece, for example the low weight or its low density, but also at least strength and resilience and temperature resistance properties can be achieved in the local area of the workpieces that were previously only accessible from workpieces made of materials with a very high specific weight or high density or extremely difficult to machine materials and very costly materials.
  • the method according to the invention can be carried out using all variants of friction welding.
  • the hole in the first workpiece is a bore and the second workpiece has a rotationally symmetrical shape
  • the method of friction welding in this case being that of friction stir welding, in which case the friction cone welding can be used, which is a special form of friction stir welding.
  • reinforcements can be achieved in specific local areas of the first workpiece, which overall increase the strength and / or resilience of the workpiece.
  • the hole can either be cylindrical or conical, the rotational symmetry see second workpiece in this case being either cylindrical or correspondingly conical.
  • the hole or the bore can pass through the workpiece at a corresponding point on the first workpiece, but it is also possible to design the hole or the bore as a blind hole or blind bore so that a bottom remains in the first workpiece.
  • the hole or the bore in the first workpiece is at least partially filled by the second workpiece in the connected state, i.e. it is possible to form a through hole or a blind hole or a blind bore already in the second workpiece, corresponding to the shape of the second workpiece, before it is connected to the first workpiece by the friction welding process.
  • the first workpiece can be manufactured using any suitable manufacturing method.
  • the first workpiece is produced in a cast manufacturing process, which has the advantage that the first workpiece can be produced very inexpensively in the form of a mass using known casting techniques, whereas the second workpiece has the specific strength and resilience properties sought can then be sought in the combination of both workpieces for the entire workpiece and can be used, for example, as commercially available semi-finished products, so that the composite workpiece achievable according to the invention also only minimally increases costs compared to a normal casting technical measures manufactured workpiece are recorded.
  • At least the first workpiece consists of a light metal or a light metal 1 alloy, the light metal preferably being magnesium or a magnesium alloy or finally advantageously the light metal being aluminum or an aluminum alloy.
  • Aluminum and magnesium, including their respective alloys, are playing an increasingly important role in the lightweight construction industry, ie in motor vehicle construction and in the aerospace industry.
  • the lightweight construction industry ie in motor vehicle construction and in the aerospace industry.
  • the good castability of magnesium or magnesium alloys or aluminum and aluminum alloys and their good mechanical workability are combined with the properties of the material of the second workpiece, which have high mechanical and electrochemical resilience, but which are less easy to machine and are much more difficult to cast to stick with this example as that of the first workpiece.
  • the workpiece 10 is initially available as the first workpiece 11, which is shown in section in the individual manufacturing steps according to items 1 to 4.
  • the first workpiece 11 can be any suitable workpiece, which in the present case has a flange-like projection 17, cf. Pos. 1.
  • the first workpiece 11 is made, for example, by means of known casting techniques and can for example consist of an aluminum or magnesium alloy or any other suitable material.
  • a hole 13 is drilled in the flange-like projection 17 or made in another suitable manner.
  • the hole 13 is conical in the present case and has no hole bottom. It should be pointed out that the hole or the bore 13 can also be formed in the first workpiece 11 such that a bottom remains in the hole or the bore 13 (not shown).
  • a second workpiece 12 which in the example shown here is rotationally symmetrical and also conical, is subsequently rotated by means of a device not shown here, cf. Arrow 15, offset and in the direction of movement, cf. Arrow 16, inserted into the hole 13 while continuously maintaining the rotational movement in the direction of movement 16.
  • a friction welding process takes place, which is maintained until the welding temperature is below the melting temperature of both workpieces.
  • a state is then gem. Pos. 3. reached the drawing, in which the hole 13 is filled with the second workpiece 12 to form a friction weld between the first workpiece 11 and the second workpiece 12.
  • the second workpiece 12, as shown in item 2 can also be provided with a through hole 14, so that the second workpiece 12 also in the end position or in the last method step according to.
  • Pos. 4. has a through hole 14. In this case, the separate formation of a through hole 14 by means of a drilling or milling process is not necessary.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Abstract

Es wird ein Verfahren zur wenigstens lokalen Erhöhung der Festigkeit und/oder Belastbarkeit von Werkstücken (10) vorgeschlagen, wobei ein erstes Werkstück (11) zunächst mittels eines konventionellen Fertigungsverfahrens hergestellt wird. Das Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf: das erste Werkstück (11) wird nachfolgend im Bereich der zu erhöhenden Festigkeit und/oder zu erhöhenden Belastbarkeit mit einem Loch (13) versehen, nachfolgend wird in das Loch (13) ein aus einem festigkeits- und/oder belastbarkeitserhöhenden Werkstoff bestehendes zweites Werkstück (12) eingebracht, schliesslich wird in diesem Zustand das zweite Werkstück (12) gegenüber dem ersten Werkstück (11) nach der Methode des Reibschweissens relativ zueinander bis zum Erreichen der Schweisstemperatur unterhalb der Schmelztemperatur beider Werkstücke (11, 12) gerieben, so dass eine Reibschweissverbindung zwischen dem ersten Werkstück (11) und dem zweiten Werkstück (12) zur Ausbildung des Werkstücks (10) erfolgt.

Description

VERFAHREN ZUR ERHÖHUNG DER FESTIGKEIT UND/ODER BELASTBARKEIT VON WERKSTÜCKEN DURCH DIE METHODE DES REIBSCHWEISSENS
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur wenigstens lokalen Erhöhung der Festigkeit und/oder Belastbarkeit von Werkstücken, wobei ein erstes Werkstück zunächst mittels eines konventionellen Fertigungsverfahrens hergestellt wird.
Bestimmte Werkstücke, die aus bestimmten Werkstoffen mittels bekannter, konventioneller Fertigungsverfahren hergestellt werden, bspw. mittels gießtechnischer Verfahren, haben in bezug auf ihre Festigkeit und/oder Belastbarkeit bei ihrem Einsatz in den bestimmungsgemäßen Einbauorten bzw. im Hinblick auf den bestimmungsgemäßen Einbauzwecken zwar die bei der Auswahl des das Werkstück bildenden Werkstoffs bspw. ein gewünschtes geringes Gewicht, wie es bspw. bei Leichtmetal 1 Werkstoffen anzutreffen ist, diese zeigen jedoch werkstoffspezifisch vielfach nicht die Festigkeit und/oder Belastbarkeit, die für den bestimmungsgemäßen Gebrauch des Werkstücks erforderlich ist bzw. gewünscht wird. In diesen Fällen der geringen Festigkeit und/oder der geringen Belastbarkeit derartiger aus derartigen Werkstoffen gefertigter Werkstücke, zumindest an hochbeanspruchten Orten des Werkstücks zu begegnen, werden schon im Fertigungsvorgang diese Bereiche mit Werkstoffen "verstärkt", um die angestrebte höhere Festigkeit und/oder Belastbarkeit der Werkstücke wenigstens in diesen lokalen Bereichen zu erreichen. So wird bspw. bei einem aus Leichtmetall unter Verwendung bekannter metallurgischer Gießtechniken hergestellten Werkstück während des Gießvorganges ein Eingußelement an entsprechender Stelle in die Gießform gebracht und mit dem Gießwerkstoff umgössen, so daß tatsächlich, wie angestrebt, zumindest eine lokale Erhöhung der Festigkeit und/oder der Belastbarkeit erreicht wird.
Insbesondere bei metallischen Werkstücken führt das regelmäßig zu Inko patibi 1 itäten hinsichtlich der elektrochemischen Potentiale des Werkstoffs des Werkstückes und des Werkstoffes des Eingußelementes und auch der Eigenspannungen. Daraus ergeben sich, wie die Praxis bei derartigen Verbundwerkstücken gezeigt hat, neben verstärkt auftretenden Korrosionserscheinungen auch die Entstehung von Rissen infolge der besagten ungünstigen Eigeήspan- nungen der beiden Werkstoffe der beiden Werkstücke.
Setzt man derartige Verbundwerkstücke der normalen Umwelt oder gar einer Belastung durch salzhaltige, wässri- ge Lösungen aus, so versagen derartige Werkstücke innerhalb kürzester Zeit. Da hinein spielen auch teilweise sehr unterschiedliche physikalische und mechanische Eigenschaften des das Werkstück bildenden Werkstoffs und des das Eingußelement bildenden Werkstoffs. Schließlich ergeben sich auch nachteilige innere Spannungen, die durch das verwendete eigentliche Gießverfahren im Zuge der Herstellung entstehen.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem wenigstens lokal eine Erhöhung der Festigkeit und/ oder Belastbarkeit von Werkstücken erreicht wird, und zwar bei Werkstücken, die in ihrer Grundkonfiguration mittels unterschiedlicher, allgemein bekannter und ggf. auch konventioneller Herstellungsverfahren hergestellt worden sind, wobei auch eine bei nach bisherigen Fertigungsverfahren hergestellten Werkstücken erhöhte Temperaturfestigkeit erreicht werden soll und wobei das Verfahren kostengünstig und bei geringem apparativem Aufwand durchführbar sein soll.
Gelöst wird die Aufgabe gem. der Erfindung dadurch, daß a. das erste Werkstück nachfolgend im Bereich der zu erhöhenden Festigkeit und/oder erhöhenden Belastbarkeit mit einem Loch versehen wird und nachfolgend b. in das Loch ein aus einem festigkeits- und/ oder belastbarkeitserhohenden Werkstoff bestehendes zweites Werkstück eingebracht wird und c. in diesem Zustand das zweite Werkstück gegenüber dem ersten Werkstück nach der Methode des Reibschweißens relativ zueinander bis zum Erreichen der Schweißtemperatur unterhalb der Schmelztemperatur beider Werkstücke zur Schaffung einer Reibschweißverbindung zwischen beiden Werkstücken gerieben werden. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorteilhafterweise erreicht, daß sich Verbundwerkstücke herstellen lassen, die wenigstens lokal die Eigenschaften in bezug auf Festigkeit, Belastbarkei und Beständigkeit bei hoher Temperatur und eine hohe Verschleißbeständigkeit aufweisen und derart hergestellte Werkstücke somit in Bereichen eingesetzt werden können, die bisher für derartige Werkstücke völlig unzugänglich waren. Dabei können, wenn bspw. das erste Werkstück aus einem Leichtmetall Werkstoff besteht, für das Gesamtwerkstück alle vorteilhaften Eigenschaften des Leicht etal 1 es genutzt werden, beispielsweise das geringe Gewicht bzw. dessen geringe Dichte, darüber hinaus aber auch Festigkeitsund Belastbarkei ts- und Temperaturbeständigkeitseigenschaften zumindest im lokalen Bereich der Werkstücke erreicht werden, die bisher nur Werkstücken aus Werkstoffen mit sehr großem spezifischem Gewicht bzw. großer Dichte oder extrem schwer bearbeitbaren Werkstoffen und sehr kostenträchtig bereitstellbaren Werkstoffen zugänglich waren.
Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren unter Heranziehung aller Varianten des Reibschweißens durchgeführt werden.
Gem. einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist das Loch im ersten Werkstück eine Bohrung und das zweite Werkstück weist eine rotationssymmetrische Form auf, wobei die Methode des Reibschweißens in diesem Falle die des Reibrührschweißens ist, wobei in diesem Fall das Reibkegel schweißen zur Anwendung kommen kann, das eine spezielle Form des Reibrührschweißens ist. Auf diese Weise können gezielt in bestimmten lokalen Bereichen des ersten Werkstücks Verstärkungen erreicht werden, die die Festigkeit und/oder Belastbarkeit des Werkstücks insgesamt erhöhen. So kann bspw. das Loch entweder zy- lindrisch oder konisch ausgebildet sein, wobei das rota- tionssysmmetri sehe zweite Werkstück in diesem Falle entweder zylindrisch oder entsprechend konisch ausgebildet ist.
Das Loch bzw. die Bohrung kann an entsprechender Stelle des ersten Werkstücks das Werkstück durchqueren, es ist aber auch möglich, das Loch bzw. die Bohrung als Sackloch bzw. Sackbohrung auszubilden, so daß ein Boden im ersten Werkstück verbleibt.
Gem. einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das Loch oder die Bohrung im ersten Werkstück durch das zweite Werkstück im miteinander verbundenen Zustand wenigstens teilweise ausgefüllt, d.h. es ist möglich, schon im zweiten Werkstück ein Durchgangsloch oder ein Sackloch bzw. eine Sackbohrung auszubilden, entsprechend der Form des zweiten Werkstücks, bevor dieses durch den Reibschweißvorgang mit dem ersten Werkstück verbunden wird.
Grundsätzlich kann das erste Werkstück unter Heranziehung eines beliebigen geeigneten Herstellungsverfahrens hergestellt werden. Vorzugsweise wird das erste Werkstück jedoch in einem Gußfertigungsverfahren hergestellt, was den Vorteil hat, daß das erste Werkstück sehr kostengünstig in Form eines massenweise unter Heranziehung bekannter gießtechnischer Verfahren hergestellt werden kann, wohingegen das zweite Werkstück das die speziellen angestrebten Festigkeits- und Belastbarkeitseigenschaften aufweist, die dann im Verbund beider Werkstücke für das Gesamtwerkstück angestrebt werden und bspw. als im Handel kommerziell verfügbare Halbzeuge herangezogen werden können, so daß auch durch das erfindungsgemäß erreichbare Verbundwerkstück nur minimale Kostensteigerungen gegenüber einem normalen mittels gieß- technischer Maßnahmen hergestellten Werkstück zu verzeichnen sind.
Gem. einer weiteren vorteilhaften anderen Ausgestaltung der Erfindung besteht wenigstens das erste Werkstück aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetal 1 -Legierung, wobei vorzugsweise das Leichtmetall Magnesium oder eine Magnesiumlegierung ist oder schließlich vorteilhafterweise das Leichtmetall Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist.
Aluminium und Magnesium einschl. seiner jeweiligen Legierungen, kommen in der Leichtbauindustrie, d.h. im Kraftfahrzeugbau sowie in der Luft- und Raumfahrtindustrie eine immer stärker werdende Rolle zu. Insbesondere im Bereich des Kraftfahrzeugbaues ergibt sich neben der geringen Dichte von Aluminium und Magnesium auch die Forderung, Werkstücke bzw. Bauteile aus diesen Werkstoffen äußerst kostengünstig bereitstellen zu können, so daß Werkstücke in diesem Bereich schon jetzt insbesondere mittels bekannter gießtechnischer Verfahren hergestellt werden. Dennoch ergibt sich für diese Fälle die Forderung, daß diese zumindest lokal hohen mechanischen und elektrochemischen Beanspruchungen standhalten müssen. Erfindungsgemäß kombiniert man die gute Gießbarkeit von Magnesium bzw. Magnesiumlegierungen bzw. Aluminium und Aluminiumlegierungen sowie deren gute mechanische Bearbeitbarkeit mit den Eigenschaften des Werkstoffs des zweiten Werkstücks, die eine hohe mechanische und elektrochemische Belastbarkeit aufweisen, die allerdings weniger gut bearbeitbar und sehr viel schlechter gießbar sind, um bei diesem Beispiel zu bleiben, als der des ersten Werkstücks. Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die einzige Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles eingehend beschrieben. Diese zeigt:
In vier Schritten die Ausführung des Verfahrens zum Erhalt eines Verbundwerkstücks aus zwei Werkstücken, die mittels der Methode des Reibschweißens miteinander verbunden werden.
Das Werkstück 10 liegt zunächst als erstes Werkstück 11 vor, das in den einzelnen Fertigungsschritten gemäß den Pos. 1. bis 4. im Schnitt dargestellt ist. Das erste Werkstück 11 kann ein beliebiges geeignetes Werkstück sein, das im vorliegenden Falle einen flanschähnlichen Vorsprung 17 aufweist, vgl. Pos. 1. Das erste Werkstück 11 ist bspw. mittels bekannter gießtechnischer Verfahren hergestellt und kann bspw. aus einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung oder einem beliebigen anderen geeigneten Werkstoff bestehen.
In den flanschartigen Vorsprung 17 wird ein Loch 13 gebohrt, oder auf sonstige geeignete Weise eingebracht. Das Loch 13 ist im vorliegenden Falle konisch ausgebildet und weist keinen Lochboden auf. Es sei darauf hingewiesen, daß das Loch bzw. die Bohrung 13 auch derart im ersten Werkstück 11 ausgebildet sein kann, daß ein Boden im Loch bzw. der Bohrung 13 verbleibt (nicht dargestellt) .
Nachfolgend wird ein zweites Werkstück 12, das in dem hier dargestellten Beispiel rotationssymmetrisch und ebenfalls konisch ausgebildet ist, mittels einer hier nicht dargestellten Einrichtung in Rotation, vgl. Pfeil 15, versetzt und in Bewegungsrichtung, vgl. Pfeil 16, in das Loch 13 unter fortlaufender Beibehaltung der Rotationsbewegung in Bewegungsrichtung 16 eingeführt. Infolge des Kontaktes zwischen erstem Werkstück 11 und zweitem Werkstück 12 erfolgt ein Reibschweißvorgang, der so lange aufrechterhalten wird, bis die Schweißtemperatur unterhalb der Schmelztemperatur beider Werkstücke erreicht ist.
Dabei wird dann ein Zustand gem. Pos. 3. der Zeichnung erreicht, bei der das Loch 13 mit dem zweiten Werkstück 12 unter Ausbildung einer Reibschweißverbindung zwischen dem ersten Werkstück 11 und dem zweiten Werkstück 12 gefüllt ist.
Gem. der Pos. 4. kann das zweite Werkstück 12, wie es in Pos. 2. dargestellt ist, auch mit einem Durchgangsloch 14 versehen sein, so daß das zweite Werkstück 12 auch in der Endposition bzw. im letzten Verfahrensschritt gem. Pos. 4. ein Durchgangsloch 14 aufweist. In diesem Falle ist die gesonderte Ausbildung eines Durchgangsloches 14 mittels eines Bohr- bzw. Fräsvorganges nicht erforderlich. \ \
Es ist abe;r auch möglich, das Durchgangsloch 14 durch das zweite , Werkstück 12 hindurchzubohren bzw. zu -fräsen, nachdem es gem. der Pos. 3. ausgebildet worden ist, d.h. nachdem eine Reibschweißverbindung zwischen dem ersten Werkstück 11 und dem zweiten Werkstück 12 erreicht ist.
Bezuqszeichenl iste
10 Werkstück
11 erstes Werkstück
12 zweites Werkstück
13 Loch/Bohrung
14 Durchgangsloch
15 Pfeil (Rotation)
16 Pfeil (Bewegungsrichtung)
17 Vorsprung

Claims

Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit und/oder Belastbarkeit von WerkstückenPatentansprüche
1. Verfahren zur wenigstens lokalen Erhöhung der Festigkeit und/oder Belastbarkeit von Werkstücken, wobei ein erstes Werkstück zunächst mittels eines konventionellen Fertigungsverfahrens hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß a. das erste Werkstück nachfolgend im Bereich der zu erhöhenden Festigkeit und/oder erhöhenden Belastbarkeit mit einem Loch versehen wird und nachfolgend b. in das Loch ein aus einem festigkeits- und/ oder belastbarkeitserhohenden Werkstoff bestehendes zweites Werkstück eingebracht wird und c. in diesem Zustand das zweite Werkstück gegenüber dem ersten Werkstück nach der Methode des Reibschweißens relativ zueinander bis zum Erreichen der Schweißtemperatur unterhalb der Schmelztemperatur beider Werkstücke zur Schaffung einer Reibschweißverbindung zwischen beiden Werkstücken gerieben werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Loch im ersten Werkstück eine Bohrung ist und das zweite Werkstück eine rotationssymmetrische Form aufweist, wobei die Methode des Reibschweißens die des Reibrührschweißens oder des Reibkegel Schweißens ist.
3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Loch oder die Bohrung im ersten Werkstück durch das zweite Werkstück im miteinander verbundenen Zustand wenigstens teilweise ausgefüllt wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Werkstück in einem Gießfertigungsverfahren hergestellt wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens das erste Werkstück aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetallegierung besteht.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Leichtmetall Magnesium oder eine Magnesiumlegierung ist.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Leichtmetall Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist.
nd/mk
EP04762381A 2003-08-19 2004-07-14 Verfahren zur erhöhung der festigkeit und/oder belastbarkeit von werkstücken durch die methode des reibschweissens Withdrawn EP1656232A1 (de)

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