DE102008028687A1

DE102008028687A1 - Reibschweißverbindung von mehreren aufeinanderliegenden flächigen Bauteilen

Info

Publication number: DE102008028687A1
Application number: DE102008028687A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. Dubiel; Eberhard Dr.-Ing. Christ; Jörg Dipl.-Ing. Thiem; Torsten Dipl.-Ing. Fuchs; Marco Werkmeister
Original assignee: Ejot GmbH and Co KG
Current assignee: Ejot SE and Co KG
Priority date: 2008-06-17
Filing date: 2008-06-17
Publication date: 2009-12-24
Also published as: FR2932405A1; FR2932405B1; US20090317179A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Reibschweißverbindung von mehreren aufeinanderliegenden flächigen Bauteilen, die von einem Verbindungskörper zusammengehalten sind, der mit einem Bund auf dem oberen Bauteil aufsitzt und der nach Durchdringen des oberen Bauteils mit seiner Stirnseite als Reibschweißfläche eine durch Rotation und Druck des Verbindungskörpers erzeugte Reibschweißzone an dem unteren Bauteil bildet. Diese Kombination enthält folgende Merkmale: a) von der Reibschweißfläche des aus Stahl bestehenden Verbindungskörpers ist eine gegebenenfalls vorhandene Korrosionsschutzschicht oder Korrosionsschicht entfernt, b) das untere Bauteil besteht aus Stahl, c) das obere Bauteil besteht aus einem gegenüber dem unteren Bauteil weicheren Material.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Reibschweißverbindung von mehreren aufeinanderliegenden flächigen Bauteilen, die von einem Verbindungskörper zusammengehalten sind, der mit einem Bund auf dem oberen Bauteil aufsitzt und der nach Durchdringen des oberen Bauteils mit seiner Stirnseite als Reibschweißfläche eine durch Rotation und Druck des Verbindungskörpers erzeugte Reibschweißzone an dem unteren Bauteil bildet.
Eine derartige Reibschweißverbindung ist aus der US-PS 3,477,115 bekannt. Dabei handelt es sich um die Zusammenfügung zweier aufeinanderliegender flächiger Bauteile mittels eines Verbindungskörpers aus Stahl, der das obere aus einem weichen Material bestehende Bauteil (weicher Stahl, Aluminium, Kupfer, Plastik) über den Verbindungskörper an dem unteren Bauteil festhält, das aus einem gegenüber dem oberen Bauteil härteren Material besteht. In der Praxis hat sich gezeigt, dass bei dieser Reibschweißverbindung offenbar durch Verunreinigungen eine sichere feste Reibschweißzone nicht gewährleistet werden kann, so dass sich diese bekannte Praxis der Herstellung einer Reibschweißverbindung von mehreren aufeinanderliegenden flächigen Bauteilen nicht durchgesetzt hat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem vorstehend herausgestellten Grundgedanken des Aufbaus einer Reibschweißverbindung eine solche mit mehreren aufeinanderliegenden flächigen Bauteilen zu schaffen, die sich durch eine hohe Festigkeit und Bestandssicherheit auszeichnet. Erfindungsgemäß geschieht dies durch die Kombination folgender Merkmale:

a) Von der Reibschweißfläche des aus Stahl bestehenden Verbindungskörpers ist eine gegebenenfalls vorhandene Korrosionsschutzschicht oder Korrosionsschicht entfernt,
b) das untere Bauteil besteht aus Stahl,
c) das obere Bauteil besteht aus einem gegenüber dem unteren Bauteil weicheren Material.

Bei dieser Gestaltung bestehen die miteinander durch eine Reibschweißzone verbundenen Bestandteile, nämlich der Verbindungskörper und das untere Bauteil aus Stahl, wobei sich an dem unteren Bauteil eine besonders feste Verbindung durch die Reibschweißzone ausbildet, die wegen der vorhergehenden Beseitigung einer gegebenenfalls vorhandenen Korrosionsschutzschicht oder Korrosionsschicht an der Reibschweißfläche des Verbindungskörpers keinerlei Verunreinigungen aufweist und daher sich durch eine besondere Festigkeit auszeichnet. Dabei erleichtert das Material des oberen Bauteils, das weicher ist als der Stahl des unteren Bauteils, dass der Verbindungskörper mit relativ geringem Energieaufwand das obere Bauteil durchdringen kann, dessen Material dabei seitlich wegfließt und aus dem Bereich zwischen der Stirnseite des Verbindungskörpers und dem unteren Bauteil problemlos nach außen weggedrückt werden kann, so dass es von der Reibschweißzone ferngehalten wird. Die durch die beiden Stahlteile, nämlich Verbindungskörper und unteres Bauteil, gebildete homogene Reibschweißzone ist damit besonders fest und sicher und damit auch größeren Beanspruchungen gewachsen.
Es sei noch auf die DE 196 20 814 A1 hingewiesen, in der eine Reibschweißverbindung von zwei aufeinanderliegenden flächigen Bauteilen beschrieben ist, die derjenigen gemäß der oben erwähnten US-PS 3,477,115 ähnlich ist. Für die aus der DE 196 20 814 A1 bekannte Reibschweißverbindung ist der Verbindungskörper aus Stahl vorgesehen, der auch mit Oberflächenschutz versehen sein kann.
Dabei ist die aus zwei flächigen Bauteilen bestehende Struktur derart aufgebaut, dass bevorzugt die zu verbindenden Bauteile aus gleichem Werkstoff, insbesondere Aluminium, bestehen. Damit ergibt sich für die Reibschweißzone eine Verbindung aus dem Stahl des Verbindungskörpers und dem Aluminium des unteren Bauteils, die aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der beiden Metalle keine besonders hohe Festigkeit besitzt und daher zwar leicht in der Verarbeitung ist, aber besonderen Belastungen nicht gewachsen ist.
Die Entfernung einer Korrosionsschutzschicht oder Korrosionsschicht wird zweckmäßig so intensiv durchgeführt, dass die Stirnseite des Verbindungskörpers metallisch rein ist.
Die Stirnseite des Verbindungskörpers kann man verschieden gestalten. So ist es möglich, die Stirnseite z. B. durch den Abschluss eines runden Zapfens oder den Abschluss eines Rohrstücks zu bilden. Dabei kann man die Stirnseite eben oder auch konisch gestalten.
Um die Reibung zwischen den Bauteilen, insbesondere dem unteren Bauteil und der Stirnseite des Verbindungskörpers zu intensivieren, kann man die Stirnseite aufrauen, wodurch sich die gewünschte Reibschweißzone besonders schnell ergibt.
Für das obere Bauteil kann man z. B. Aluminium verwenden, es ist aber auch möglich, für das obere Bauteil Kunststoff zu verwenden.
In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 eine Reibschweißverbindung von zwei aufeinanderliegenden flächigen Blechteilen mit einem Verbindungskörper, dessen Stirnseite konisch gestaltet ist;
2 eine ähnliche Darstellung wie in 1 gezeigt, jedoch mit einem Verbindungskörper, dessen Stirnseite eben gestaltet ist;
3 eine ähnliche Darstellung wie in 1 gezeigt, jedoch mit einem Verbindungskörper, dessen Stirnseite den Abschluss eines Rohrstücks bildet.
Die in der 1 dargestellte Reibschweißverbindung enthält die beiden flächigen Bauteile 1 und 2, die über den Verbindungskörper 3 miteinander verbunden sind. Der Verbindungskörper 3 weist auf seiner einen Seite den Sechskant 4 auf, der von einem entsprechenden Futter aufgenommen und für die Herstellung einer Reibschweißverbindung in Drehung versetzt wird. An den Sechskant 4 schließt sich als Bestandteil des Verbindungskörpers 3 der Flansch 5 an, der auf der Oberfläche des oberen flächigen Bauteils 1 aufliegt. Der Verbindungskörper 3 weist weiterhin den runden Zapfen 6 auf, der in den Konus 7 übergeht. Der Konus 7 ist teilweise in das untere flächige Bauteil 2 eingedrungen und bildet dort mit seiner Spitze die Reibschweißzone 8, die durch eine entsprechend fette Linienführung dargestellt ist.
Zur Herstellung der in der 1 dargestellten Verbindung werden die beiden Bauteile 1 und 2 aufeinander gelegt und gegen Verschiebung gesichert. Daraufhin wird der in Drehung versetzte Verbindungskörper 3 mit seinem Konus 7 auf das obere Bauteil 1 aufgesetzt, das aus relativ weichem Material besteht, insbesondere Aluminium oder Kunststoff, so dass aufgrund der entstehenden Reibungserwärmung der Konus 7 das Material des oberen Bauteils 1 zum Schmelzen bringt und das Bauteil 1 durchdringt, bis auch die Spitze des Konus 7 in das untere Bauteil 2 eindringt und hier die Reibschweißzone 8 bildet, durch die das untere Bauteil 2 mit dem Konus 7 nach Erkalten der Reibschweißzone 8 fest verbunden ist. Dabei liegt der Flansch 5 des Verbindungskörpers 3 satt an der Oberfläche des Bauteils 1 an, womit das Bauteil 1 zwischen dem Flansch 5 und dem Bauteil 2 über die Reibschweißzone 8 festgehalten wird.
Um diese Funktionen technisch sicher ausführen zu können, bestehen der Verbindungskörper 3 und das untere Bauteil 2 aus Stahl, so dass sich im Bereich der Spitze des Konus 7 eine nur Stahl enthaltende Reibschweißzone 8 ausbilden kann. Um diese Reibschweißzone 8 durch keinerlei Verunreinigung zu schwächen, war der Konus 7 vor dem vorstehend beschriebenen Vorgang behandelt worden, wobei eine gegebenenfalls vorhandene Korrosionsschutzschicht oder eine Korrosionsschicht entfernt worden war, so dass der Konus 7 für die Ausbildung der Reibschweißzone 8 praktisch metallisch rein für die gegenseitige Reibung von Konus 7 und Bauteil 2 zur Verfügung stand. Um den Vorgang des Durchdringens des oberen Bauteils 1 durch den Zapfen 6 für einen problemlos ablaufenden Reibschweißvorgang zu gestalten, ist für das obere Bauteil 1 ein gegenüber dem unteren Bauteil 2 weicheres Material verwendet, nämlich Aluminium. Das obere Bauteil 1 kann auch aus Kunststoff bestehen.
Das in der 2 dargestellte Ausführungsbeispiel enthält ebenfalls die beiden Bauteile 1 und 2 und den Verbindungskörper 3, der jedoch einen mit einer ebenen Abschlussfläche 9 versehenen Zapfen 6 aufweist. Zum Verbinden der beiden Bauteile 1 und 2 setzt also der Verbindungskörper 3 mit seiner ebenen Abschlussfläche 9, bei der eine gegebenenfalls vorhandene Korrosionsschutzschicht oder eine Korrosionsschicht vorher entfernt wurde, satt auf der Oberfläche des Bauteils 1 auf, bringt das Material des Bauteils 1 zum Schmelzen, durchsetzt das Bauteil 1 und dringt dann in das untere Bauteil 2 ein, wobei sich zwischen dem Zapfen 6 und dem Bauteil 2 eine ebene Reibschweißzone 10 ausbildet, in der der Stahl des Verbindungskörpers 3 sich mit dem Stahl des unteren Bauteils 2 verbunden hat. Das obere Bauteil 1 ist hier wie bei der Ausführung gemäß 1 aus Aluminium gebildet, es kann sich dabei aber auch um Kunststoff oder ein ähnliches weiches Material handeln.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 handelt es sich um einen Verbindungskörper 3, dessen Stirnseite den Abschluss des Rohrstücks 11 bildet. Das Rohrstück 11 durchsetzt das obere Bauteil 1 und hat insbesondere am unteren Bauteil 2 die Reibschweißzone 12 geschaffen, durch die das Rohrstück 11 und damit der Verbindungskörper 3 dauerhaft mit dem unteren Bauteil 2 verbunden ist. Aufgrund der Gestaltung der Stirnseite des Verbindungskörpers 3 als Rohrstück 11 ergibt sich eine besonders günstige und schnelle Durchdringung des oberen Bauteils 1 bei Aufsetzen und Drehen des Verbindungskörpers 3, da das Rohrstück 11 mit seinem relativ schmalen Rand gegenüber dem unteren Bauteil 2 dieses gewissermaßen durchschneidet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 3477115 [0002, 0005]
- DE 19620814 A1 [0005, 0005]

Claims

Reibschweißverbindung von mehreren aufeinanderliegenden flächigen Bauteilen (1, 2), die von einem Verbindungskörper (3) zusammengehalten sind, der mit einem Bund (5) auf dem oberen Bauteil (1) aufsitzt und der nach Durchdringen des oberen Bauteils (1) mit seiner Stirnseite (7) als Reibschweißfläche eine durch Rotation und Druck des Verbindungskörpers (3) erzeugte Reibschweißzone (8, 10, 12) an dem unteren Bauteil (2) bildet, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: a) von der Reibschweißfläche des aus Stahl bestehenden Verbindungskörpers (3) ist eine gegebenenfalls vorhandene Korrosionsschutzschicht oder Korrosionsschicht entfernt, b) das untere Bauteil (2) besteht aus Stahl, c) das obere Bauteil (1) besteht aus einem gegenüber dem unteren Bauteil (2) weicheren Material.
Reibschweißverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseite (7, 9) metallisch rein ist.
Reibschweißverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseite (7, 9) den Abschluss eines runden Zapfens (6) bildet.
Reibschweißverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseite den Abschluss eines Rohrstücks (11) bildet.
Reibschweißverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseite (9) eben gestaltet ist.
Reibschweißverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseite (7) konisch gestaltet ist.
Reibschweißverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseite (7, 9) aufgeraut ist.
Reibschweißverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Bauteil (1) aus Kunststoff besteht.
Reibschweißverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Bauteil (1) aus Aluminium besteht.