blechartiger Bauteile

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Reibquetschschweißen zweier flacher, blechartiger Bauteile als auch zum An- und Aufschweißen von draht- oder bandförmigen Bauteilen auf blechartige Werkstücke gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Im Einzelnen betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Reibquetschschweißen zweier flacher, blechartiger als auch draht- oder bandförmiger Bauteile, bei weichem mittels zumindest eines rotierenden Reibquetschwerkzeugs unter Aufbringung einer Anpresskraft eine Erwärmung und ein Fügen der Bauteile erfolgt.

Ein Verfahren der oben genannten Art ist beispielsweise aus der WO 2013/087176 A1 vorbekannt.

Beim Reibquetschschweißen zweier Bauteile, beispielsweise für Überlappverbindungen oder zum Auftragsschweißen werden die Materialien der zu fügenden Bauteile durch das Reibquetschwerkzeug auf Plastifizierungstemperatur erwärmt. Das durch die Reibwärme plastifizierte Material der beiden Bauteile wird dabei mittels des Reibquetschwerkzeugs zusammengepresst, so dass sich eine stabile Fügeverbindung einstellt. Dabei können sich jedoch Probleme ergeben, wenn die Oberflächen der Werkstücke verschmutzt oder oxidiert sind. Derartige Oberflächenschichten oder Oxidschichten führen dazu, dass die plastifizierten Materialien nicht ausreichend miteinander in Kontakt gebracht werden können. Die Folge ist eine unzureichende Fügeverbindung. Dabei kann es sich als besonders ungünstig erweisen, wenn bei Verwendung nur eines Reibquetschwerkzeugs das zweite Bauteil nicht ausreichend erwärmt wird. Grund hierfür kann ebenfalls eine Oxidschicht oder eine Oberflächenschicht sein, die wärmeisolierend wirkt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Fügen von im Wesentlichen flachen oder blechartigen als auch draht- oder bandförmigen Werkstücken zu schaffen, welches bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Anwendbarkeit ein sicheres Fügen der Werkstücke auch bei vorhandenen Oberflächenschichten oder Oxidschichten ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass in Arbeitsrichtung vor dem rotierenden Quetschwerkzeug im Kontaktbereich der Bauteile zumindest ein Vorreibelement angeordnet ist, welches eine Relativbewegung zu den zu fügenden Flächen der Bauteile ausführt. Das erfindungsgemäße Vorreibelement kontaktiert somit die zu fügenden Flächen der beiden Bauteile. Hierbei erfolgt zum einen eine Erwärmung dieser Oberflächen, zum anderen erfolgt eine mechanische Bearbeitung, die Oberflächenschichten oder Oxidschichten entfernt oder aufbricht, so dass diese für die nachfolgende Bearbeitung durch das Reibquetschwerkzeug und den damit verbundenen Fügevorgang vorbereitet ist.

Abhängig von einem bevorzugterweise auf das Vorreibelement bzw. den Kontaktbereich zwischen dem Vorreibelement und den Bauteilen aufzubringenden Anpressdruck erfolgt durch das Vorreibelement nicht nur eine Säuberung der Oberflächen von Oxiden und anderen Schichten, sondern auch eine Erwärmung durch die auftretende Reibung, so dass der nachfolgende Fügevorgang mittels des Reibquetschwerkzeugs effizienter durchgeführt werden kann. Durch geeignete Aufbringung des Anpressdrucks und durch geeignete Auswahl der Relativbewegung kann die Vorerwärmung und Vorplastifizierung durch die erzeugte Reibwärme gezielt gesteuert werden.

Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, das Vorreibelement zur Erzeugung der Relativbewegung zwischen den zu kontaktierenden und zu fügenden Bereichen oder Flächen der Bauteile in Rotation zu versetzen oder das Vorreibelement in einer Longitudinalbewegung zu bewegen. Die Longitudinalbewegung kann reversierend oder schwingend ausgebildet sein, es ist auch möglich, ein endloses Vorreibelement zwischen den Bauteilen zu bewegen. Entscheidend ist in jedem Falle die Erzeugung einer ausreichenden Reibkraft, und, damit verbunden, eine Vorerwärmung der zu fügenden Bereiche, wobei sich Oberflächenschichten, Oxidschichten oder Ähnliches entfernen lassen. Erfindungsgemäß können die Bauteile einander an den Randbereichen überlappend angeordnet sein, wobei das Vorreibelement im Überiappungsbereich zwischen den Bauteilen wirksam ist. Die Bauteile können an den zu fügenden Randbereichen oder auch mit einer Fase versehen werden, wobei das Vorreibelement mit den angefasten Bereichen in Kontakt gebracht wird. Alternativ hierzu ist es auch möglich, die zu fügenden Randbereiche umzubördeln, beispielsweise um 90° umzubiegen, wobei das Vorreibelement mit den umgebördelten Bereichen in Kontakt gebracht wird.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist es auch möglich, in den Fügebereich der Bauteile ein drahtförmiges oder stabförmiges Zusatzmaterial einzubringen. In beiden Fällen handelt es sich um ein längliches, rundes oder profiliertes Material, welches ebenfalls mit dem zumindest einen Vorreibelement in Kontakt gebracht wird.

Im Rahmen der Erfindung versteht der Fachmann unter dem Begriff„flaches, blechartiges Bauteil" ein dreidimensionales Bauteil, welches in einer dritten Dimension eine wesentlich geringere Ausdehnung hat, als in den beiden anderen Dimensionen. Der Fachmann weiß, was er unter dem Begriff „Blech" zu verstehen hat. Ein blechartiges Bauteil kann plattenförmig, streifenförmig oder in ähnlicher Weise ausgebildet sein, es wird bevorzugterweise aus einer Blechtafel als Vormaterial gefertigt. Somit ist der Begriff des flachen, blechartigen Bauteils im Sinne der Erfindung definiert und für den Fachmann nicht unklar. Das Gleiche gilt für ein draht- oder bandförmiges Werkstück. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt: eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines ersten

Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem scheibenförmigen Reibquetsch- und Vorreibwerkwerkzeug und überlappenden Randbereichen der zu fügenden Bauteile,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Anordnung gemäß Fig. 1 ,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung eines zweiten Reibquetschwerkzeugs,

Fig. 4 Seitenansicht, analog Fig. 2, des Ausführungsbeispiels der Fig. 3, Fig. 5 eine perspektivische vereinfachte Darstellung eines weiteren

Ausführungsbeispiels unter Verwendung eines oszillierenden Vorreibelements, Fig. 6 eine vereinfachte Seitenansicht-Anordnung der Fig. 5,

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung, analog Fig. 5, unter Verwendung eines zweiten Reibquetschwerkzeugs,

Fig. 8 eine Seitenansicht, analog Fig. 6, des Ausführungsbeispiels der Fig. 7, Fig. 9 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels mit einem einseitig gelagerten oszillierenden Vorreibelement,

Fig. 10 eine vereinfachte Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig. 9,

Fig. 11 ein weiteres Ausführungsbeispiel in perspektivischer Darstellung, analog

Fig. 9, mit einem weiteren Reibquetschwerkzeug, Fig. 12 eine vereinfachte Seitenansicht gemäß Fig. 11 ,

Fig. 13 ein weiteres Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht unter

Verwendung eines umlaufenden drahtförmigen Vorreibelements,

Fig. 14, 15 vereinfachte Draufsicht und Seitenansicht der Darstellung der Fig. 13,

Fig. 16 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels mit angefasten

Verbindungsbereichen der zu fügenden Bauteile,

Fig. 17, 18 eine Draufsicht und eine stirnseitige Ansicht der Darstellung gemäß Fig. 16,

Fig. 19 ein weiteres Ausführungsbeispiel, analog Fig. 16, unter Verwendung eines weiteren zusätzlichen Reibquetschwerkzeugs,

Fig. 20 eine stirnseitige Ansicht, analog Fig. 18, der Anordnung der Fig. 19, Fig. 21 eine perspektivische Darstellung des Fügeaufbaues unter Verwendung eines in den Fügebereich einzubringenden Zusatzmaterials,

Fig. 22 eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig. 21 ,

Fig. 23 ein weiteres Ausführungsbeispiel, analog Fig. 21 , unter Verwendung eines weiteren Reibquetschwerkzeugs, Fig. 24 eine stirnseitige Ansicht der Anordnung der Fig. 23,

Fig. 25 ein weiteres Ausführungsbeispiel, in schematischer Seitenansicht, bei der

Verwendung von gebördelten Bauteilen, Fig. 26, 27 eine Draufsicht und eine stirnseitige Ansicht der Darstellung der Fig. 25,

Fig. 28 ein weiteres Ausführungsbeispiel, analog den Fig. 25 bis 27, unter

Verwendung eines oszillierenden Vorreibelements,

Fig. 29 eine stirnseitige Ansicht der Darstellung der Fig. 28, Fig. 30 eine Seitenansicht der Darstellung der Fig. 28,

Fig. 31 eine perspektivische Anordnung eines stabförmigen Vorreibelements bei überlappenden Randbereichen der Bauteile,

Fig. 32, 33 eine Seitenansicht und eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig. 31 ,

Fig. 34 eine perspektivische Darstellung, ähnlich Fig. 31 , unter Verwendung eines bürstenartigen Vorreibelements, und

Fig. 35 eine stirnseitige Ansicht der Anordnung der Fig. 34.

Bei der Beschreibung der nachfolgenden Ausführungsbeispiele sind gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem auf einem Arbeitstisch 5 einander an den Randbereichen überlappende flache, blechartige Bauteile 2, 3 angeordnet sind. Oberhalb der Bauteile 2, 3 ist ein scheibenförmiges Reibquetschwerkzeug 1 angeordnet, welches um eine Welle 9 rotiert und mittels einer Anpresskraft 15 auf die Bauteile 2, 3 aufgepresst wird. Hierdurch erfolgt durch die eingebrachte Reibwärme eine Plastifizierung der zu fügenden Bereiche der Bauteile 2, 3 und die Ausbildung einer Fügenaht 11. Der Reibquetschfügevorgang ist per se vorbekannt, es wird deshalb vollinhaltlich auf die WO 2013/087176 A1 Bezug genommen.

Die Fig. 1 zeigt weiterhin, dass vor dem Reibquetschwerkzeug 1 ein scheibenförmiges Vorreibelement 4 angeordnet ist, welches zwischen den überlappenden Bereichen der Bauteile 2, 3 positioniert ist. Das scheibenförmige Vorreibelement 4 rotiert um eine Welle 12 und wird mit einer Anpresskraft 16 (Fig. 2), die gegen das oben liegende Bauteil 2 wirkt, zwischen den beiden Bauteilen 2, 3 gepresst, so dass die beiden Oberflächen des scheibenförmigen Vorreibelements 4 in Kontakt mit den zu fügenden Oberflächen der Bauteile 2, 3 kommen und dort Oberflächenschichten erwärmen und beseitigen.

Die Fig. 3 und 4 zeigen ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel, bei welchem im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 zusätzlich ein weiteres unteres Reibquetschwerkzeug 17 für den Fügevorgang verwendet wird, welches um eine Welle 18 rotiert.

Die Fig. 5 und 6 zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei welchem das Vorreibelement 4 stangenförmig oder streifenförmig ausgebildet ist und mittels seitlicher Oszillatoren 6 in eine reversierende oder schwingende Bewegung versetzt wird. Auch hierbei erfolgt, wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 und bei den nachfolgenden Ausführungsbeispielen in analoger Weise eine Aufbringung einer Anpresskraft 16, um einen Reibkontakt zwischen dem Vorreibelement 4 und den zu fügenden Oberflächen der Bauteile 2 und 3 sicherzustellen. Die Fig. 7 und 8 zeigen ein Ausführungsbeispiel in Abänderung des Ausführungsbeispiels der Fig. 5 und 6, wobei ein zusätzliches unteres Reibquetschwerkzeug 17 zur Anwendung kommt.

Die Fig. 9 und 10 zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei welchem, in Abänderung des Ausführungsbeispiels der Fig. 5 und 6, das streifenförmige oder stabförmige Vorreibelement 4 nur einseitig mittels eines Oszillators 6 gelagert und in Relativbewegung zu den Oberflächen der Bauteile 2, 3 gebracht wird.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 11 und 12 verwendet, analog dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7 und 8, in Weiterbildung des Ausführungsbeispiels der Fig. 9 und 10 ein zusätzliches unteres Reibquetschwerkzeug 17, welches um eine Welle 18 rotiert. Die Fig. 13 bis 15 zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei welchem das Vorreibelement 4 in Form eines Ringes, beispielsweise aus Draht, einem Band oder aus einem Seil ausgebildet ist, wobei das ringförmige Vorreibelement 4 mittels Führungsrollen 10 umgelenkt und geführt wird. Auch hierbei wird eine Anpresskraft, analog Fig. 2, aufgebracht. Die Fig. 16 bis 18 zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die zu fügenden Randbereiche der Bauteile 2, 3 angefast sind. Das scheibenförmig ausgebildete Vorreibelement 4 ist, analog zu dem Winkel der Fase, schräggestellt, so dass es die beiden zu fügenden Flächen der Bauteile 2, 3 kontaktiert. Dies ist insbesondere aus der Darstellung der Fig. 18 ersichtlich.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 19 und 20 ist ein zusätzliches Reibquetschwerkzeug 17 an der Unterseite der Anordnung der Bauteile 2, 3 vorgesehen. Die Fig. 21 und 22 zeigen ein Ausführungsbeispiei, bei welchem ein drahtförmiger oder stangenförmiger Zusatzwerkstoff 7 zugeführt wird. Die beiden Kanten der Bauteile 2, 3 sind entsprechend angefast, so dass der Zusatzwerkstoff 7, welcher einen V-förmigen oder dreieckigen Querschnitt aufweist, passend einlegbar ist. Entsprechend sind die scheibenförmigen Vorreibelemente 4 schräggestellt, um die angefasten Flächen der Bauteile 2, 3 sowie die Seitenflächen des Zusatzwerkstoffs 7 zu kontaktieren.

Die Fig. 23 und 24 zeigen eine Ausgestaltungsvariante des Ausführungsbeispiels der Fig. 21 und 22, bei welcher ein zusätzliches unteres Reibquetschwerkzeug 17 verwendet wird.

In den Fig. 25 bis 27 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei welchem die Randbereiche der blechartigen Bauteile 2, 3 gebördelt sind. Unter Bördeln versteht der Fachmann im Sinne der Erfindung ein Umbiegen der Randbereiche um ca. 90°, so wie dies in Fig. 27 dargestellt ist. Entsprechend ist das Reibquetschwerkzeug an seinem Außenumfang nicht zylindrisch, sondern mit einer umlaufenden Hohlkehle versehen, welche die umgebördelten Bereiche quetscht und zusammendrückt. Die umgebördelten Bereiche werden mittels seitlicher Anpressrollen 8, welche drehbar gelagert sind, zusammengedrückt, um eine Anpresskraft analog der Anpresskraft 16 (Fig. 2) aufzubringen, damit das scheibenförmige Vorreibelement 4 die Oberflächen der umgebördelten Ränder der blechartigen Baubauteile 2, 3 berührt und durch die Reibungswärme erwärmt und die Oberflächen reinigt. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 28 bis 30 zeigt ebenfalls umgebördelte Ränder der Bauteile 2, 3, wobei zwischen die umgebördelten Ränder ein stiftförmiges Vorreibelement 4 eingebracht ist, welches mittels eines Oszillators 6 in Relativbewegung versetzt wird.

Die Fig. 31 bis 33 zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei welchem das Vorreibelement in Form eines rotierenden Stabes ausgestaltet ist, welcher zwischen die überlappenden Randbereiche der Bauteile 2, 3 eingeführt ist und entsprechend mit einer Anpresskraft 16 (analog Fig. 2) zwischen den Bauteilen 2, 3 gepresst wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 34 und 35 ist in Weiterbildung des Ausführungsbeispiels der Fig. 31 bis 33 das Vorreibelement 4 in Form einer Bürste ausgebildet, welche an einer rotierenden Welle 12 befestigt ist. Bezugszeichenliste

1 Reibquetschwerkzeug

2 Bauteil

3 Bauteil

4 Vorreibeiement

5 Arbeitstisch

6 Oszillator

7 Zusatzwerkstoff

8 Anpressrolle

9 Welle

10 Führungsrolle

11 Fügenaht

12 Welle

13 Reibrolle

14 Nut

15 Anpresskraft

16 Anpresskraft

17 Reibquetschwerkzeug

18 Welle