Reibschweißverbindung von mehreren aufeinanderliegenden Platten

Die Erfindung bezieht sich auf eine Reibschweißverbindung von mehreren aufeinanderliegenden Platten, die von einem Verbindungskörper zusammengehalten sind, der mit einem Bund auf der oberen Platte aufsitzt und als in einer Spitze auslaufender, als schlanker Konus ausgebildet ist, wobei der Verbindungskörper im Bereich seines Bundes einen Mitnehmer für den Ansatz eines Druck- und Rotati- onswerkzeuges aufweist.

Eine derartige Reibschweißverbindung ist aus der WO-Schrift WO 02/062581 Al bekannt. In deren Figur 7c ist ein für eine solche Reibschweißverbindung vorgesehener Verbindungskörper dargestellt, der einerseits einen Bund zum Anliegen an einer oberen Platte aufweist und andererseits im Wesentlichen aus einem schlanken Konus besteht, der in Richtung von dem Bund weg eine flache Spitze bildet, die durch einen entsprechend stumpfwinkligen kurzen Konus im Anschluss an den schlanken Konus geformt ist. Dieser Verbindungskörper dient dazu, unter Rotation in zwei aufeinanderliegende Platten eingedrückt zu werden, bis der Bund auf der oberen Platte aufliegt. Aufgrund der Rotation des Verbindungskörpers und die hierdurch entstehende Reibung zwischen dem Verbindungskörper und den beiden Platten wird das Material der gegeneinander reibenden Teile plastifiziert, so dass daraus eine Reibschweißzone entsteht, von der aus Material aus der Reibschweißzone über den Randbereich auf der Oberseite der oberen Platte austritt. Weitere Verbindungskörper sind in den Figuren 9a bis d dargestellt, die im Bereich ihres Bundes Mitnehmer für den Ansatz eines Druck- und Rotationswerkzeuges aufweisen, wobei ein Sechskant und ein Schlitz dargestellt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs erwähnte Reibschweißverbindung durch eine besondere Gestaltung mit besonders hoher Festigkeit zu schaffen. Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, dass ein von dem schlanken Konus ausgeformter, aus der oberen Platte in die untere Platte eindringender Durchzug und ein aus der unteren Platte herausragender Durchzug längs ihrer Innenflächen eine sich auf den schlanken Konus erstreckende Reibschweißzone bildet.

Die Erfindung macht sich eine besondere Gestaltung der Reibschweißzone zunut- ze, nämlich die sich beim Reibschweißen bei ausreichendem Druck und hoher Reibung ausbildenden Durchzüge, die die Verbindung zwischen den aneinanderliegenden Platten nicht nur über den Verbindungskörper, sondern auch über das beim Reibschweißvorgang herausgedrückte Material der Platten herbeiführen. Dabei wird insbesondere der aus de oberen Platte ausgeformte Durchzug, der in die untere Platte eindringt, ausgenutzt, der mit seiner Reibschweißzone die beiden aufeinanderliegenden Platten innig verbindet und somit die Kräfte, die die beiden Platten zusammen halten, vor allem dem beim Reibschweißen herausgedrückten Material der Platten überträgt, die dazu in ausreichender Menge Reibschweißmaterial zur Verfügung stellen. Der von dem schlanken Konus auf der oberen Platte ausgeformte Durchzug ragt in das Material des unteren Platte hinein, wobei der Durchzug wie eine Hülse aus dem Material sowohl des Verbindungskörpers als auch der Platten eine durchgehende Reibschweißzone bildet, das die beiden Platten sicher miteinander verbindet.

Zweckmäßig gestaltet man den schlanken Konus so, dass seine Spitze von einem gegenüberliegenden schlanken Konus, der sich über die wesentliche Länge des schlanken Konus erstreckt, steileren kurzen Konus gebildet ist. Aufgrund dieser Gestaltung lässt sich der Verbindungskörper unter entsprechendem axialen Druck und bei Rotation ohne Schwierigkeiten in die beiden aufeinanderliegenden Platten eindrücken, wobei er aufgrund seiner Reibung an seinem Umfang das Material der Platten aufschmilzt und damit als Konus mit entsprechender Kraftkomponente

das aufgeschmolzene Material der Platten in axialer Richtung vor sich herschiebt, wobei aufgrund seiner Form der Verbindungskörper ohne Schwierigkeiten die beiden aufeinanderliegenden Platten durchdringt und die Platten im Bereich ihrer Berührung mit dem Verbindungskörper schnell zum Erschmelzen bringt, womit über den sich dabei ergebenden Durchzug aus der oberen Platte, das in die untere Platte gewissermaßen hineinwandert, eine innige Verbindung zwischen den beiden Platten entsteht.

Bei der Gestaltung der Reibschweißverbindung kann man diese so weit ausbilden, dass die Spitze aus der unteren Platte herausragt. Es ist aber auch möglich, die Reibschweißverbindung nur so weit zu gestalten, dass die Spitze von dem Material des unteren Blechteils eingeschlossen ist.

Vorteilhaft kann die Spitze zusätzlich gehärtet werden. Eine besonders harte Spit- ze lässt sich aber auch dadurch erzielen, dass man die Spitze mit einem gegenüber dem schlanken Konusmaterial härteren Material überzieht. Bei einer derart behandelten Spitze wird das Eindringen in die Platten erleichtert.

Es ist auch möglich, eine harte Spitze als Ergänzungsstück an dem Metallstück anzubringen, z.B. durch Anschweißen.

Der den Verbindungskörper bildende schlanke Konus kann über seine Wirkung, als Verbindungskörper zu wirken, darüber hinaus weitere Funktionen erfüllen, nämlich als Bolzen oder als Mutter, wozu der schlanke Konus ein Sackloch auf- weist. Um das beim Reibschweißen in Richtung auf den Bund abfließende plasti- fϊzierte Material, insbesondere der oberen Platte, aufzunehmen, gibt man zweckmäßig dem Bund auf seiner der oberen Platte zugewandten Seite eine Hohlkehle.

Die Reibschweißzone kann man über den Bereich der Durchzüge bis in die dem oberen Metallteil zugewandte Seite des Bundes erstrecken, womit der Reibschweißzone eine besonders hohe Festigkeit gegeben wird.

Eine besonders intensive Verbindung zwischen den Verbindungskörpern und der oberen Platte kann man dadurch herbeiführen, dass der Bund auf seiner der oberen Platte zugewandten Seite mit Heißklebstoff beschichtet ist. Der Heißklebstoff wird beim Entstehen der Reibschweißverbindung mit erhitzt und damit verflüssigt und stellt dann beim Abkühlen eine zusätzliche Verbindung zwischen dem Bund und der Platte her, wobei diese Verbindung außerdem einen Korrosionsschutz bildet.

Häufig ist es nötig, insbesondere eine besonders dünne Platte zu verstärken. In diesem Falle lässt sich die Reibschweißverbindung günstig einsetzen, indem nämlich die eine Platte als Verstärkung der anderen Platte ausgebildet ist. Beide Platten sind dann durch die Reibschweißverbindung fest miteinander verbunden, womit der sich über die Verstärkung hinaus erstreckenden Platte die notwendige Fes- tigkeit der Verbindung gegeben wird, wobei beide Platten für das Reibschweißen gegeneinander arretiert werden.

Um dem schlanken Konus bei seinem Aufsetzen und Eindrehen in die beiden Platten von vorneherein eine Führung zu geben, kann man mindestens eines der beiden Platten mit einem Loch versehen. Insbesondere handelt es sich dabei um die obere Platte, das mit einem Loch die Spitze des schlanken Konus aufnimmt, wobei aber natürlich das bzw. die Löcher so eng sein müssen, dass durch den schlanken Konus aus der Wandung der Löcher immer noch genügend Material für das Reibschweißen und das Bilden der Durchzüge zur Verfügung steht. Außer- dem ergibt sich damit ein schnelleres Durchdringen der beiden Platten.

Als Material für eine besonders harte Spitze des Verbindungskörpers lässt sich zweckmäßig auch dadurch herstellen, dass dem Verbindungskörper ein Mitnehmerstift gegeben wird, der die Spitze des Verbindungskörpers bildet. In diesem Falle liegt also eine zweiteilige Ausbildung des Verbindungskörpers vor.

AIs Material fiir die Platten und den Verbindungskörper kann man in erster Linie Metall verwenden, es ist aber auch möglich, die Platten und den Verbindungskörper aus Kunststoff oder einer Materialkombination zu gestalten.

In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Figur 1 zwei aufeinanderliegende Platten und darüber der Verbindungskörper vor seinem Absenken auf die Platten;

Figur 2 den in die beiden Platten eingedrehten Verbindungskörper unter Ausbildung einer Reibschweißzone und Durchzügen an den beiden Platten, wobei der Verbindungskörper vollständig von dem Material der unteren Platte umhüllt ist;

Figur 3 eine ähnliche Gestaltung wie dargestellt in Figur 2, jedoch mit aus der unteren Platte heraustretender Spitze des Verbindungskörpers;

Figur 4 einen Verbindungskörper mit Gewindebolzen;

Figur 5 einen mit einem koaxialen Sackloch versehenen Verbindungskörper;

Figur 6 einen Verbindungskörper mit einer Ausnehmung am unteren Rand seines Bundes;

Figur 7 einen in zwei Platten eingedrehten Verbindungskörper unter Ausbildung einer bis unter den Bund des Verbindungskörpers reichenden Reibschweißzone;

Figur 8 einen Verbindungskörper mit einer Schicht aus Heißkleber am unteren Rand seines Bundes;

Figur 9 einen Verbindungskörper mit zwei Platten, von denen eine eine Verstärkung bildet;

Figur 10 einen Verbindungskörper mit vorgelochten Platten;

Figur 11 einen Verbindungskörper mit Platten, von denen nur das obere vorgelocht ist;

Figuren 12 und 13 einen aus zwei Teilen zusammensetzbaren Verbindungskörper.

In der Figur 1 sind zwei aufeinanderliegende Platten 1 und 2 sowie der Verbindungskörper 3 dargestellt, der einen als Sechskant ausgebildeten Bund 4, einen die größere Länge des Verbindungskörpers 3 im Wesentlichen ausmachenden schlanken Konus 5 und einen sich an diesen anschließenden steileren kurzen Konus 6 aufweist. Der Verbindungskörper 3 und die beiden Platten 1 und 2 sind in einer Lage dargestellt, in der sie sich vor dem Beginn der Herstellung einer Reibschweißverbindung befinden.

Die sich aus den in Figur 1 dargestellten Bauteilen ausbildende Reibschweißverbindung ist in der Figur 2 dargestellt. Durch Rotation und Eindrücken des Verbindungskörpers 3 dringt dieser in die Platten 1 und 2 ein, wobei er die Platte 2 nicht vollständig durchdringt. Bei dem Vorgang des Reibschweißens des Verbindungskörpers 3 durch das Eindringen des kurzen Konus 6 und des schlanken Konus 5 in das Material der beiden Platten 1 und 2 ergibt sich aufgrund der Rotation des Verbindungskörpers eine so hohe Reibung gegenüber dem Material der Platten 1 und 2, dass sich entlang des schlanken Konus 5 und des steileren Konus 6 eine Reibschweißzone ausbildet, die durch die fette Linienführung 7 dargestellt ist. Dabei werden sowohl aus der Platte 1 als auch aus der Platte 2 jeweils ein Durchzug 8 und ein Durchzug 9 aus den Platten 1 und 2 herausgedrückt, wobei sich der

Durchzug 8 teilweise in den Bereich des Materials der Platte 2 erstreckt und der Durchzug 9 einen überzug über den kurzen Konus 6 und die Spitze 10 bildet.

Aufgrund dieser Gestaltung ergibt sich eine feste Verbindung zwischen den Plat- ten 1 und 2, die sich über die Reibschweißzone 7 erstreckt und die erheblichen Abreißkräften ausgesetzt werden kann, ohne dass sie sich aus dem Verbund mit den beiden Platten 1 und 2 lösen kann.

Zu Figur 3 ist eine Variante zu der Darstellung in Figur 2 gezeigt, bei der der schlanke Konus so lang ausgebildet ist, dass die Spitze 10 des Verbindungskörpers die Platte 2 insgesamt durchsetzt und mit dem Bereich des kurzen Konus und der Spitze 10 die untere Platte völlig durchdringt und aus dieser herausragt. Die Reibschweißzone ist in Figur 3 wieder mit dem Bezugszeichen 7 versehen. Die in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Verbindungskörper besitzen an ihrem oberen Rand jeweils einen Bund, der hier als Sechskant ausgebildet ist. Die betreffenden Verbindungskörper können also leicht durch ein entsprechendes schnell laufendes Drehwerkzeug eingesetzt werden, mit dem dann der Verbindungskörper in die notwendige Rotation versetzt werden kann, mit der die Reibschweißzone 7 erzeugt wird.

Der Verbindungskörper gemäß Figur 4 weist noch eine weitere Besonderheit auf. Sein schlanker Konus 12 läuft gleichmäßig unter einem gleichbleibenden Konuswinkel bis in die Spitze 13 aus, die Reibschweißzone dieses Verbindungskörpers erstreckt sich dann durchgehend gleichmäßig von dem Bund 4 ab bis zur Spitze 13. An dem Bolzen 11 mit seinem Gewinde kann dann irgendein weiteres Bauteil befestigt werden.

Welche Gestaltung des Verbindungskörpers, nämlich mit steilerem kurzen Konus oder durchgehend schlanken Konus, für den jeweiligen Anwendungsfall gewählt wird, hängt von den Materialien ab, in die der Verbindungskörper einzudrehen ist.

In der Figur 5 ist ein Verbindungskörper dargestellt, der demjenigen gemäß den Figuren 1 und 2 ähnlich ist. Jedoch ist der Konus des Verbindungskörpers 4 anders geformt als dies in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, da nämlich sich an den schlanken Konus 14 mit einem abgerundeten übergang 15 ein steilerer Endkonus 16 anschließt, der schließlich in der Spitze 17 endet. Der Verbindungskörper 3 gemäß Figur 5 besitzt weiterhin das Sackloch 18, das z.B. mit einem Innengewinde versehen werden kann, um später einen Bolzen in den Verbindungskörper 3 einzudrehen.

In der Figur 6 ist ein Verbindungskörper 3 dargestellt, der dem Verbindungskörper 3 gemäß den Figuren 1 bis 3 weitgehend entspricht, allerdings besitzt er zum Zwecke der Mitnahme für die Drehung einen Innenantrieb 19, in den irgendein Werkzeug mit entsprechendem Außenangriff eingesetzt werden kann. Außerdem weist der Verbindungskörper 3 auf der Unterseite seines Bundes 20 eine Hohlkeh- Ie 21 auf, die dazu dient, beim Eintreiben des Verbindungskörpers in die beiden aneinanderliegenden Platten 1 und 2 aufsteigendes Material aufzunehmen und gegebenenfalls damit zu verschweißen.

In der Figur 7 ist ein Verbindungskörper dargestellt, der weitgehend demjenigen gemäß Figur 3 entspricht. Allerdings ist der Verbindungskörper so weit in die beiden Platten 1 und 2 eingedreht, dass sich auch an der Unterseite des Bundes 4 eine Reibschweißzone einstellt, die durchgehend mit der Reibschweißzone entlang des schlanken Konus verbunden ist. Die Reibschweißzone 22 unterhalb des Bundes 4 wird gegebenenfalls durch ein besonders starkes Eindrücken des Ver- bindungskörpers in die Platten 1 und 2 herbeigeführt, womit nach Erkalten der Reibschweißzone sich eine besonders feste Verbindung zwischen Verbindungskörper und den Platten 1 und 2 ergibt.

In der Figur 8 ist ein Verbindungskörper ähnlich demjenigen gemäß Figur 1 dar- gestellt, der allerdings an seinem Bund auf der Unterseite mit einem Heißkleber

23 beschichtet ist. Beim Aufsetzen des Bundes 4 des Verbindungskörpers 3 auf

einer oberen Platte ergibt sich eine Reibung zwischen Heißkleber 23 und der O- berfläche der betreffenden Platte, wobei der Heißkleber verflüssigt wird und schließlich nach Ausbildung der Reibschweißzone und danach folgender Beendigung des Antriebs des Verbindungskörpers sich gegen eine obere Platte presst und mit dieser bei erkaltendem Heißkleber 23 schließlich auch in diesem Bereich eine ähnliche Verbindung herbeiführt, die insbesondere zur Abdichtung und als Korrosionsschutz ausgenutzt werden kann.

Die erfindungsgemäße Reibschweißverbindung kann auch dazu benutzt werden, eine relativ dünne Platte aus Gründen einer erwünschten Verstärkung entsprechend zu behandeln. Dies ist in der Figur 9 dargestellt. Hier ist unter der Platte 24 die wesentlich dickere Stützplatte 25 vorgesehen, die zur Verstärkung der dünnen Platte 24 dient. Mit der Verstärkungsplatte 25 erhält der betreffende Bereich der Platte 24 eine besonders hohe Steifigkeit. Dabei wird durch die Einprägungen 26 und die entsprechenden Aufnahmen in der Stützplatte 25 der Gesamtkonstruktion eine besonders hohe Festigkeit gegeben. Dabei sind, wie bei den Ausführungsbeispielen gemäß Figur 2 und 3, die Durchzüge 8 und 9 ausgebildet.

In den Figuren 10 und 11 ist ein Verbindungskörper ähnlich demjenigen gemäß Figur 3 dargestellt, der hier in vorgelochte Bleche 1 und 2 eingesetzt werden könnte. Bei der Figur 10 handelt es sich um ein die beiden Platten 1 und 2 durchsetzendes Durchgangsloch 27, während bei der anderen gemäß Figur 11 nur die obere Platte 1 mit einem Durchgangsloch 28 versehen ist. In beiden Fällen ergibt sich wie bei der Anordnung gemäß Figur 3 die Ausbildung von Durchzügen und einer oberflächlichen Reibschweißzone, über die die beiden Platten 1 und 2 fest miteinander verbunden werden, wobei lediglich der Durchbruch 27 bzw. 28 für ein schnelleres Eindrehen des Verbindungskörpers in die Platten sorgt, was besonders bei sehr festen Werkstoffen vorteilhaft sein kann.

m den Figuren 12 und 13 ist eine weitere Variante des Verbindungskörpers dargestellt, bei dem die Spitze nicht durch den Verbindungskörper selbst, sondern

durch einen Mitnehmerstift 29 gebildet ist. Der Mitnehmerstift 29 lässt sich in das Durchgangsloch 30 des Verbindungskörpers 31 einsetzen und durchsetzt diesen bei voller Einführung, wie in Figur 13 dargestellt, so weit, dass der schlanke Konus 32 des Verbindungskörpers 31 weitgehend übergangsfrei in den stumpferen Konus 33 mit der Spitze 33 übergeht. Die Mitnahme des Mitnehmerstiftes 29 erfolgt hier durch den Sechskant 35 am Ende des Mitnehmerstiftes 29, der in eine entsprechende Aufnahme 36 im Bund 37 des Verbindungskörpers 31 passt. Der Antrieb des Verbindungskörpers 31 erfolgt hier wie bei der Gestaltung gemäß Figur 1 über ein Sechskant. Der Mitnehmerstift 29 ist dann besonders vorteilhaft, wenn er über eine hohe Härte verfügt und damit in harte Werkstoffe eindringen kann. Es ist möglich, den Mitnehmerstift 29 nach erfolgter Verschweißung zurückzuziehen und für weitere Reibschweißvorgänge zu verwenden.