DE102009021850A1

DE102009021850A1 - Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken

Info

Publication number: DE102009021850A1
Application number: DE102009021850A
Authority: DE
Inventors: Tobias Dipl.-Ing. Baron; Michael Dipl.-Ing. Ruther (Fh)
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-05-19
Filing date: 2009-05-19
Publication date: 2010-03-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken (10, 12), mit den Schritten: a) Anordnen der Werkstücke (10, 12), so dass diese in einem Verbindungsbereich (14) aneinander anliegen, b) Plastifizieren und Durchdringen des ersten Werkstücks (10) im Verbindungsbereich (14) durch ein insbesondere rotierendes Werkzeug (22) mittels Reibungshitze unter Verdrängung des plastifizierten Materials im Durchdringungsbereich, c) Plastifizieren des zweiten Werkstücks (12) im Verbindungsbereich (14) durch das rotierende Werkzeug (22), d) Bewegen des rotierenden Werkzeuges (22) aus dem Durchdringungsbereich und gleichzeitiges Einpressen des verdrängten Materials in den Durchdringungsbereich, wobei in Schritt c) das rotierende Werkzeug (22) axial im Wesentlichen ortsfest gehalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken.
Aus der DE 199 55 737 B4 ist ein Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei aneinanderliegenden Werkstücken nach der Methode des Reibrührschweißens bekannt. Hierbei wird durch ein rotierendes Werkzeug das erste Werkstück plastifiziert und durchdrungen, woraufhin das rotierende Werkzeug eine bestimmte Strecke in das zweite Werkstück eindringt. Das hierdurch verdrängte Material wird durch ein Hülsenelement um das rotierende Werkzeug herum zurückgehalten und bei Zurückziehen des Werkzeugs aus der so entstandenen Vertiefung mittels eines Niederhalters wieder in die Vertiefung gedrückt. Hierdurch ergibt sich eine Punktschweißung zwischen den beiden Werkstücken.
Nachteiligerweise muss insbesondere das zweite Werkstück hierzu eine bestimmte Mindestdicke aufweisen, da das rotierende Werkzeug nicht nur das erste Werkstück durchdringen, sondern auch eine bestimmte Strecke in das zweite Werkstück eindringen muss. Weiterhin kommt es im Fügebereich zwischen den Werkstücken zu einer Werkstoffvermischung zwischen den beiden Werkstücken, welche je nach Materialpaarung nachteilig sein kann und zu schlecht haltbaren Fügeverbindungen führen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, dass sich eine verbesserte Verbindung zweier Werkstücke ergibt und der Spielraum bezüglich Materialpaarungen und Materialstärken der Werkstücke vergrößert wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei einem derartigen Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken werden die Werkstücke zunächst so angeordnet, dass diese in einem Verbindungsbereich aneinander anliegen. In der Folge wird das erste Werkstück insbesondere mittels eines rotierenden Werkzeuges plastifiziert und durchdrungen, wobei der Verbindungsbereich durch die Reibungshitze des rotierenden Werkzeugs erhitzt wird. Das plastifizierte Material wird dabei aus dem Durchdringungsbereich verdrängt. Nach Durchdringen des ersten Werkstücks wird das zweite Werkstück im Verbindungsbereich durch das rotierende Werkzeug ebenfalls plastifiziert. Anschließend wird das rotierende Werkzeug aus dem Durchdringungsbereich bewegt und das verdrängte Material wieder in den Durchdringungsbereich eingepresst.
Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass während des Plastifizierens des zweiten Werkstücks das rotierende Werkzeug axial im Wesentlichen ortsfest gehalten wird. Mit anderen Worten dringt das rotierende Werkzeug nach Durchdringung des ersten Werkstücks nicht in das zweite ein, sondern plastifiziert dieses lediglich im Oberflächenbereich. Es kommt somit im Schweißbereich nicht zu einer Vermischung der Werkstoffe der beiden Werkstücke, es tritt vielmehr eine Diffusionsverschweißung ein. Diese wird durch das teilweise Plastifizieren des zweiten Werkstücks im Verbindungsbereich noch befördert. Diffusionsverschweißungen können bei sehr glatten Fügeflächen bereits im kalten Zustand auftreten, wenn entsprechend hohe Drücke ausgeübt werden. Die Plastifizierung der beiden Werkstücke im Verbindungsbereich in Kombination mit einem hohen Einpressdruck des verdrängten Materials führt zu besonders haltbaren Diffusionsverschweißungen, die auch bei unterschiedlichen Materialpaarungen sehr stabil sind. Dadurch, dass das rotierende Werkzeug nicht in das zweite Werkstück eindringt, ist es möglich, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch sehr dünne Werkstücke miteinander zu verbinden, die für eine Verbindung mit aus dem Stand der Technik bekannten Reibrührschweißverfahren nicht geeignet sind.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung liegt der Einpressdruck des verdrängten Materials bei dessen Einpressen in den Durchdringungsbereich in der Größenordnung der Fließgrenze des Materials des zweiten Werkstücks. Hierdurch ergeben sich besonders stabile Diffusionsschweißverbindungen.
Der Einpressdruck wird dabei bevorzugt zumindest teilweise von dem rotierenden Werkzeug ausgeübt, wobei während des Einpressens die Rotation des Werkzeugs eingestellt wird.
Zur Erhöhung der Genauigkeit des Verfahrens wird weiterhin bevorzugt die Relativlage der Werkstücke durch wenigstens einen Niederhalter gesichert.
Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
1a bis c drei wesentliche Schritte des Ablaufs eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Zum Verbinden zweier plattenförmiger Werkstücke 10 und 12, die aus gleichen oder unterschiedlichen Metalllegierungen bestehen können, werden diese zunächst so angeordnet, dass sie in einem Verbindungsbereich 14 aneinander anliegen. An den Verbindungsbereich 14 wird dann ein Werkzeug 16 angelegt. Dieses umfasst einen äußeren Niederhalter 18, einen inneren Niederhalter 20 sowie ein Reibschweißwerkzeug 22. Der äußere Niederhalter 18 wird dabei in Richtung des Pfeiles 24 an die Werkstücke 10, 12 angepresst, so dass diese im Verbindungsbereich 14 gegeneinander fixiert sind.
Wie in 1b zu erkennen folgt dann ein Vorschub des rotierenden Werkzeugs 22 in Richtung des Pfeiles 26, wobei dieses gleichzeitig in Richtung des Pfeiles 28 rotiert wird. Durch die Reibungshitze beim Kontakt zwischen dem rotierenden Werkzeug 22 und dem ersten Werkstück 10 wird das Material des ersten Werkstückes 10 plastifiziert und durch das rotierende Werkzeug 22 verdrängt. Gleichzeitig wird der innere Niederhalter 20 zurückgezogen, so dass das verdrängte Material des ersten Werkstückes 10 in einen Verdrängungsbereich 30 aufsteigen kann.
Der Vorschub des rotierenden Werkzeugs 22 in Richtung des Pfeiles 26 erfolgt so lange, bis das rotierende Werkzeug 22 das erste Werkstück 10 vollständig durchdrungen hat. Bevor das rotierende Werkzeug 22 in das zweite Werkstück 12 eindringt, wird der Vorschub des rotierenden Werkzeugs 22 gestoppt, so dass dieses im Wesentlichen ortsfest verbleibt. Die Rotation in Richtung des Pfeiles 28 wird jedoch aufrechterhalten. Damit ergibt sich eine Plastifizierung des zweiten Werkstücks 12 im Verbindungsbereich 14. Da jedoch kein Vorschub des rotierenden Werkzeugs 22 mehr erfolgt, wird kein Material des zweiten Werkstücks 12 verdrängt. Das Verfahren ist somit auch bei sehr dünnen Werkstücken 12 einsetzbar.
Sobald durch die Rotationsbewegung des rotierenden Werkzeugs 22 eine hinreichende Plastifizierung des zweiten Werkstücks 12 im Verbindungsbereich 14 erzeugt ist, wird das rotierende Werkzeug 22 bis auf Höhe der Oberfläche 32 des ersten Werkstücks 10 zurückgezogen. Gleichzeitig wird der innere Niederhalter 20 wieder in Richtung auf die Oberfläche 32 des ersten Werkstücks 10 bewegt, so dass das verdrängte Material des ersten Werkstücks 10 aus der Verdrängungszone 30 wieder in den Verbindungsbereich 14 zurückgepresst wird. Zum Herstellen einer Punktverschweißung zwischen den Werkstücken 10 und 12 werden schließlich äußerer Niederhalter 18, innerer Niederhalter 20 und rotierendes Werkzeug 22 gleichzeitig in Richtung der Pfeile 34 angepresst. Der Anpressdruck bewegt sich dabei bevorzugt in der Größenordnung der Fließgrenze des Materials des zweiten Werkstückes 12. Hierdurch ergibt sich im Verbindungsbereich 14 eine Diffusionsverschweißung zwischen den Werkstücken 10 und 12.
Im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist so auch das Fügen von ultrahochfesten und Leichtbaublechen möglich, welche bislang nur gestanznietet werden können. Die Diffusionsverschweißung, die durch den hohen axialen Druck in Richtung der Pfeile 34 entsteht, ist von besonders hoher Qualität, ihre Festigkeit kann im Bereich der Festigkeiten der verwendenden Materialien der Werkstücke 10 und 12 liegen. Es ist dabei zu beachten, dass das Material des zweiten Werkstücks 12 lediglich aktiviert werden muss und nicht unbedingt verflüssigt wird. Es kommt daher zu keiner großräumigen Materialvermischung. Bevorzugt sind die Bedingungen beim in 1c gezeigten Herstellen der Diffusionsverschweißung so gewählt, dass der axiale Anpressdruck im Bereich der Fließgrenze des Materials des zweiten Werkstückes 12 liegt und die Temperatur des zweiten Werkstückes 12 noch knapp unter dessen Solidustemperatur liegt. Durch den Verzicht auf Stanznieten oder ähnliche zusätzliche Verbindungsmittel kann durch das dargestellte Verfahren zusätzlich noch Gewicht eingespart werden, wobei vorteilhafterweise auch eine beidseitig ebene Fügestelle entsteht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19955737 B4 [0002]

Claims

Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken (10, 12), mit den Schritten: a) Anordnen der Werkstücke (10, 12), so dass diese in einem Verbindungsbereich (14) aneinander anliegen, b) Plastifizieren und Durchdringen des ersten Werkstücks (10) im Verbindungsbereich (14) durch ein insbesondere rotierendes Werkzeug (22) mittels Reibungshitze unter Verdrängung des plastifizierten Materials im Durchdringungsbereich, c) Plastifizieren des zweiten Werkstück (12) im Verbindungsbereich (14) durch das rotierende Werkzeug (22), d) Bewegen des rotierenden Werkzeuges (22) aus dem Durchdringungsbereich und gleichzeitiges Einpressen des verdrängten Materials in den Durchdringungsbereich, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) das rotierende Werkzeug (22) axial im wesentlichen ortsfest gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einpressdruck des verdrängten Materials in Schritt d) in der Größenordnung der Fließgrenze des Materials des zweiten Werkstücks (12) liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einpressdruck zumindest teilweise von dem rotierenden Werkzeug (22) ausgeübt wird, wobei in Schritt d) die Rotation des Werkzeuges (22) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass während der Schritte b) bis d) die Relativlage der Werkstücke (10, 12) durch einen Niederhalter (18) gesichert wird.