DE102006021044A1

DE102006021044A1 - Friction welding and friction welded part

Info

Publication number: DE102006021044A1
Application number: DE102006021044A
Authority: DE
Inventors: Ernst-Peter Schmitz; Peter Kolbe; Josef Dambacher
Original assignee: Gesenkschmiede Schneider GmbH
Current assignee: Gesenkschmiede Schneider GmbH
Priority date: 2006-05-05
Filing date: 2006-05-05
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2026-05-06
Also published as: DE102006021044B4; WO2007128265A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Reibschweißen eines ersten Teils (1) mit einem zweiten Teil (2) beschrieben. Eine zu verschweißende Verbindungsfläche (3) des ersten Teils (1) wird mit einer zu verschweißenden Verbindungsfläche (3) des zweiten Teils (2) zum Reibschweißen zueinander angeordnet, sodass sie eine nicht vollflächige Berührungsfläche ausbilden und dass das erste und zweite Teil 1, 2) unter Ausbilden einer Schweißverbindung gegeneinander reibgeschweißt werden.A method for friction welding a first part (1) with a second part (2) is described. A connecting surface (3) of the first part (1) to be welded is arranged with a connecting surface (3) of the second part (2) to be welded to one another for friction welding, so that they form a non-full-area contact surface and that the first and second parts 1, 2 ) are friction welded against each other while forming a welded joint.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Reibschweißen eines ersten Teils mit einem zweiten Teil sowie auf ein reibgeschweißtes Teil, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.The The invention relates to a method for friction welding a first part with a second part and a friction welded part, that by the method according to the invention is made.

Es ist bekannt zwei Teile durch Reibschweißen miteinander zu verbinden. Insbesondere ist es bekannt, wie beispielsweise in der WO 2006/034862 A1 beschrieben, bei einem Kühlkanalkolben einen Kolbenboden mit einem Kolbenschaft durch Reibschweißen zu verbinden.It It is known to join two parts together by friction welding. In particular, it is known, as for example in WO 2006/034862 A1 described in a cooling channel piston to connect a piston crown to a piston stem by friction welding.

Bei bestimmten Anwendungen ist es jedoch von Nachteil, wenn die durch das Reibschweißen ausgebildete Schweißwulst unerwünscht groß auftritt.at However, certain applications, it is disadvantageous when the through the friction welding trained weld bead undesirable big occurs.

Es ist Aufgabe der Erfindung beim Reibschweißen zumindest an einer Seite der zu verbindenden Teile eine genau definiert kleine Schweißwulst an der Schweißnaht zu erzeugen.It is task of the invention during friction welding at least on one side the parts to be connected to a well-defined small Schweißwulst the weld to create.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass eine zu verschweißende Verbindungsfläche des ersten Teils mit einer zu verschweißenden Verbindungsfläche des zweiten Teils zum Reibschweißen derart zueinander angeordnet werden, sodass sie eine nicht vollflächige Berührungsfläche ausbilden und dass das erste und zweite Teil unter Ausbilden einer Schweißverbindung gegeneinander reibgeschweißt werden.According to the invention Task solved by that one to be welded interface of the first part with a joining surface to be welded second part for friction welding be arranged to each other so that they form a non-solid contact surface and that the first and second parts form a welded joint friction welded against each other become.

Dadurch dass die beiden zu verschweißenden Teile vor dem Verschweißen keine vollflächige Berührungsfläche ausbilden, sondern eine größere Berührungsfläche erst während des Schweißvorgangs entsteht, kann die Ausbildung eines Schweißwulstes zumindest an einer Seite der zu verbindenden Teile definiert genau gesteuert werden.Thereby that the two are to be welded together Parts before welding do not form a full-surface contact surface, but only a larger contact area while the welding process arises, the formation of a Schweißwulstes at least at one Side of the parts to be joined defined to be precisely controlled.

Um keine vollflächige Berührungsfläche zu erzielen, ist mindestens eine der zu verschweißenden Verbindungsflächen des ersten oder zweiten Teils abgeschrägt. Dadurch dass die beiden zu verschweißenden Verbindungsflächen nicht passgenau aufeinander liegen, bilden sie vor dem Schweißvorgang eine kleine Berührungsfläche aus, die sich während des Schweißvorgangs vorteilhaft auf eine maximale Berührungsfläche vergrößert. Es können beide Flächen der verbindenden Teile abgeschrägt sein. Bevorzugt wird jedoch eine ebene Fläche eines Teils mit einer abgeschrägten Fläche eines anderen Teils miteinander reibgeschweißt. Die abgeschrägte Fläche kann entweder geradlinig, konkav, konvex oder spitz ausgebildet sein. Die Gestalt der Abschrägung hängt von der Einstellung des Schweißvorgangs ab und davon ab, was für eine Schweißwulst erzielt werden soll. Ist die Schweißnaht nach einer Seite hin abgeschrägt, so wird auf der Randseite, an der sich weniger Material befindet, eine kleinere bis gar keine Schweißwulst ausgebildet. An der Randseite, an der sich die zu verschweißenden Verbindungsflächen berühren ist mehr Material vorhanden. Es bildet sich eine entsprechend größere Schweißwulst aus, deren Größe nicht genau vorherbestimmt ist.Around no full-surface To achieve contact surface is at least one of the bonding surfaces to be welded beveled first or second part. By that the two to be welded connection surfaces do not lie exactly on each other, they form before the welding process a small interface, which are during the welding process advantageously increased to a maximum contact surface. It can both surfaces of the bevelled connecting parts be. However, a flat surface of a part having a tapered surface is preferred other part friction welded together. The beveled surface can be either rectilinear, concave, convex or pointed. The shape of the bevel depends on the setting of the welding process depending on what a weld bead should be achieved. Is the weld seam to one side? bevelled so on the edge side, where there is less material, a smaller to no weld bead formed. At the Edge side, where the bonding surfaces to be welded is touching more material available. It forms a correspondingly larger weld bead, their size is not is exactly predetermined.

Ist die zu verschweißende Verbindungsfläche nach zwei Seiten d. h. zu zwei Rändern im Querschnitt gesehen abgeschrägt, so befindet sich die Berührungsfläche in der Mitte und die Größe der Schweißwülste kann beidseitig definiert eingestellt werden.is the to be welded interface after two pages d. H. to two edges Beveled in cross-section, so is the contact surface in the Middle and the size of the weld beads can be set on both sides defined.

Von Vorteil ist, wenn die Ausbildung des Schweißwulstes beim Reibschweißen durch eine Führung an mindestens einem der beiden zu verbindenden Teile geleitet wird. Damit kann der sich ausbildende Schweißwulst definiert in eine Richtung geführt werden, sodass eine Entfernung des Schweißwulstes an definierten Orten stattfinden kann. Dies kann bei bestimmten Geometrieanordnungen bzw. Bauraumverhältnissen des reibgeschweißten Teils erforderlich sein.From Advantage is when the formation of Schweißwulstes by friction welding a guide is passed to at least one of the two parts to be joined. This allows the forming weld bead to be defined in one direction guided so that removal of the weld bead at defined locations can take place. This may be true for certain geometry arrangements or space conditions of the friction welded Partly required.

Erfindungsgemäß wird zudem die Aufgabe durch ein reibgeschweißtes Teil, das nach einem oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist, dadurch gelöst, dass die Schweißfläche an einem ersten Teil und/oder einem zweiten Teil vor dem Reibschweißen abgeschrägt ist. Somit lässt sich die Breite der Schweißwulst auf ein definiertes Maß zu der abgeschrägten Seite hin erzeugen. Der größere Anteil des Materialaustritts tritt auf der Seite auf, auf der eine Berührungsfläche vor und während des Schweißvorgangs ausgebildet ist.In addition, according to the invention the task by a friction welded part, which after a top described method is achieved in that the welding surface at one beveled first part and / or a second part before the friction welding. Thus lets the width of the weld bead to a defined degree the beveled Generate page. The larger share the material outlet occurs on the side, on the front of a contact surface and while the welding process is trained.

Die Schweißfläche ist vorteilhafterweise durch eine Führung an mindestens einem von zwei zu verbindenden Teilen verlängert. Der sich umlegende Schweißwulst an der Schweißnaht wird somit von der Führung bei der Ausbildung begrenzt.The Welding surface is advantageously by a guide extended on at least one of two parts to be joined. Of the Tight welding bead at the weld is thus of the leadership limited in training.

Vorteilhaft ist die Führung im Querschnitt gesehen dreiecksförmig ausgebildet. Die Dreiecksform ist mit dem zu verbindenden Teil einstückig verbunden.Advantageous is the lead seen in cross-section triangular educated. The triangular shape is integrally connected to the part to be connected.

Um bei bestimmten Anwendungen die Schweißwulst auf eine bestimmte Größe zu reduzieren und nur bestimmte Zerspanungs- bzw. Drehwerkzeuge einsetzen zu müssen, sind die verbundenen Teile an zumindest einer Seite durch Reibschweißen mit keinem oder einem definiert kleinen Schweißwulst zusammengefügt. Somit wird erreicht, dass ein Schweißwulst vollständig innerhalb einem vorgegebenen definierten Breitenmaß entfernt werden kann.Around in certain applications to reduce the weld bead to a certain size and to have to use only certain cutting or turning tools are the connected parts on at least one side by friction welding no or a defined small weld bead joined together. Consequently is achieved that a welding bead Completely removed within a given defined width measure can be.

Bevorzugt ist das reibgeschweißte Teil ein Teil, bei dem der Schweißwulst stört oder zu entfernen ist, beispielsweise ein Ventil, ein Ventilstößel, ein Einspritzpumpenkolben, ein Kolben für einen Verbrennungsmotor oder ein Doppelrad.Prefers is the friction welded Part of a part in which the Schweißwulst disturbs or is to be removed, for example a valve, a valve lifter, an injection pump piston, a piston for an internal combustion engine or a double wheel.

Um eine gleichmäßige Ausdehnung bei der Erwärmung des reibgeschweißten Teils zu erzielen, sowie erleichterte Fügeeigenschaften beim Reibschweißen, ist der Werkstoff des ersten und zweiten Teils identisch.Around a uniform extension during warming of the friction welded Partial, as well as facilitated joining properties during friction welding, is the material of the first and second part identical.

Um bei bestimmten Anforderungen die Qualität des reibgeschweißten Teils zu verbessern und gleichzeitig ein sehr wirtschaftliches reibgeschweißtes Teil herzustellen, kann es von Vorteil sein, wenn der Werkstoff des ersten und des zweiten Teils in der Legierung verschieden ist. Es kann beispielsweise das erste Teil ein fertiger bzw. eine hoch feste Legierung eingesetzt werden und für das zweite Teil ein minderwertiger/weicherer oder preiswerter Werkstoff eingesetzt werden. Es versteht sich, dass sich die Werkstofflegierungen sowohl auf Stahl oder Aluminiumlegierungen alleine beziehen oder eine Kombination aus Stahl und Aluminiumlegierung.Around for certain requirements, the quality of the friction-welded part to improve and at the same time a very economical friction welded part It may be advantageous if the material of the first and the second part in the alloy is different. It can For example, the first part of a finished or a high-strength Alloy are used and for the second part of an inferior / softer or cheaper material can be used. It goes without saying that the material alloys on both steel or aluminum alloys alone or a combination of steel and aluminum alloy.

Bevorzugt ist bei einem reibgeschweißten Teil, dass nach einem oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist, das erste zu verbindende Teil ein Kolbenboden und das zweite zu verbindende Teil ein Kolbenschaft.Prefers is in a friction welded part, that is produced by a method described above, the first part to be connected to a piston head and the second to be connected Part of a piston stem.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmal nicht an der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind.It It is understood that the above and below to be explained feature not on the specified combination, but also in others Combinations are usable.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf vier dazugehörige Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below with reference to an embodiment with reference to four associated Drawings closer explained. Show it:

1 einen Ausschnitt eines Querschnittes eines Teils zur Herstellung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. 1 a section of a cross section of a part for production by the method according to the invention.

2 einen Ausschnitt eines Querschnitts eines reibgeschweißten Teils. 2 a section of a cross section of a friction welded part.

3 einen vergrößerten Ausschnitt der 3, und 3 an enlarged section of the 3 , and

4 den Ausschnitt gemäß 2 mit einer entfernten Schweißwulst. 4 the clipping according to 2 with a remote weld bead.

Die 1 zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts eines ersten Teils 1 in einem noch nicht zusammen reibgeschweißten Zustand mit einem zweiten, nicht dargestellten Teil 2. Das erste Teil 1 weist in dieser Ausführungsform als spezielle Ausgestaltung eine abgeschrägte Schweißfläche 3 am ersten Teil 1 auf. Diese abgeschrägte Schweißfläche 3 wird beim Zusammenverbinden mit dem nicht gezeigten zweiten Teil 2 durch Reibschweißen auf eine ebene Schweißfläche des zweiten Teils 2 gesetzt. Dadurch ergibt sich, dass sich auf der rechten Seite der 1 mehr Material befindet, als auf der linken Seite der 1. Es liegt also ein keilförmiger Spalt 4 vor dem Reibschweißen vor. Die zu verschweißenden Berührungsflächen des ersten und zweiten Teils 1, 2 sind somit nicht vollflächig verbunden. Eine vollflächige Verbindung ergibt sich erst durch den Reibschweißvorgang. Der keilförmige Spalt 4 kann in einem Winkel Y von ca. 1–15° sein.The 1 shows a section of a cross section of a first part 1 in a not yet friction welded together state with a second, not shown part 2 , The first part 1 has in this embodiment, as a special embodiment, a tapered welding surface 3 on the first part 1 on. This beveled welding surface 3 becomes in connection with the second part, not shown 2 by friction welding on a flat welding surface of the second part 2 set. This results in that on the right side of the 1 more material than on the left side of the 1 , So there is a wedge-shaped gap 4 before friction welding. The contact surfaces of the first and second part to be welded 1 . 2 are thus not fully connected. A full-surface connection results only by the friction welding process. The wedge-shaped gap 4 can be at an angle Y of about 1-15 °.

Das erste Teil 1 weist zudem noch eine Besonderheit auf, dass es auf der einen Seite eine als Ansatz ausgebildete Führung 5 aufweist, die den entstehenden Schweißwulst 7 bei der Ausbildung begrenzt und ihn in einen bestimmte Richtung führt. Somit entsteht ein Schweißwulst 7 mit einer definiert großen Breite B auf der Seite mit dem großen Spalt 4 und der Führung 5.The first part 1 also has a special feature that it is on the one hand as a trained leadership 5 having the resulting Schweißwulst 7 limited in training and leads him in a certain direction. This creates a weld bead 7 with a defined large width B on the side with the big gap 4 and the leadership 5 ,

Die Führung 5 ist in dieser speziellen Ausführungsform dreiecksförmig ausgebildet. Der abstehende Winkel Z zur äußeren Randfläche des ersten Teils 1 ist ungefähr zwischen 10–65°.The leadership 5 is triangular in this particular embodiment. The protruding angle Z to the outer edge surface of the first part 1 is about 10-65 °.

Bei einem vorzugsweise runden ersten Teil 1 vergrößert die ansatzförmige Führung 5 den Durchmesser des ersten Teils 1.In a preferably round first part 1 increases the lug-shaped guide 5 the diameter of the first part 1 ,

Die 2 zeigt als besondere Ausführungsform und besondere Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen reibgeschweißten Teils einen Ausschnitt im Querschnitt von einem Kolben für einen Verbrennungsmotor. Das erste Teil 1 ist ein sogenannter Kolbenboden und das zweite Teil 2 wird als Kolbenring bzw. Kolbenschaft bezeichnet. Die 2 zeigt einen reibgeschweißten Kolben nach dem Zusammenfügen des ersten und zweiten Teils 1, 2 nach dem Reibschweißen. Die 2 zeigt, dass eine Schweißwulst 6 im Innenraum des Kolbens in einer herkömmlichen Weise ausgebildet ist. Die Reibschweißwulst 7 am oberen, ersten Teil 1 ist dagegen kleiner mit einer definierten Breite B während dem Reibschweißvorgang ausgebildet worden. Dies ist bei dieser speziellen Anwendung notwendig, um den Schweißwulst 7 durch eine Öffnung 8 mit einem zerspanenden Werkzeug entfernen zu können.The 2 shows a special embodiment and special application of the method according to the invention and the friction welded part according to the invention a section in cross section of a piston for an internal combustion engine. The first part 1 is a so-called piston bottom and the second part 2 is referred to as a piston ring or piston skirt. The 2 shows a friction welded piston after joining the first and second parts 1 . 2 after friction welding. The 2 shows that a weld bead 6 is formed in the interior of the piston in a conventional manner. The Reibschweißwulst 7 at the top, first part 1 on the other hand, it has been made smaller with a defined width B during the friction welding process. This is necessary with this special application to the Schweißwulst 7 through an opening 8th to remove with a cutting tool.

Die Entfernung des Schweißwulstes 7 hat sich als vorteilhaft herausgestellt, um ein möglichst geringes Störvolumen in einem mit Öl gefüllten Kühlkanal 9 zu erhalten. Außerdem dient die Entfernung des Schweißwulstes 7 zur Qualitätskontrolle, um festzustellen, ob die Reibschweißnaht 10 wie erwartet ausgebildet ist oder ob ein Bruch zwischen erstem und zweitem Teil 1, 2 vorliegt, der die Lebensdauer des reibgeschweißten Teils deutlich senkt.The removal of the weld bead 7 has proven to be advantageous to minimize the disturbance volume in an oil-filled cooling channel 9 to obtain. In addition, the removal of the weld bead is used 7 for quality control, to determine whether the friction weld 10 as expected is formed or whether a break between the first and second part 1 . 2 present, which significantly reduces the life of the friction-welded part.

Die Öffnung 8 wird später zur Funktion als Kühlkanal beispielsweise in einem Verbrennungsmotor durch ein Verfahren gemäß dem Stand der Technik verschlossen.The opening 8th is later closed to function as a cooling channel, for example in an internal combustion engine by a method according to the prior art.

Die 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der 2. Die 3 soll verdeutlichen, wie aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens die Breite B der Schweißwulst 7 derart definiert einstellbar ist, und dass die Breite B geringer ist als die Höhe H der Öffnung 8.The 3 shows an enlarged section of the 2 , The 3 is intended to illustrate how due to the method according to the invention, the width B of the weld bead 7 is defined adjustable, and that the width B is less than the height H of the opening 8th ,

Die 4 zeigt schematisch im Querschnitt das reibgeschweißte Teil mit dem ersten Teil 1 als Kolbenoberteil bzw. Kolbenboden und zweiten Teil 2 als Kolbenunterteil bzw. Kolbenring, die durch das erfindungsgemäße Reibschweißverfahren verbunden worden sind. Bei diesem reibgeschweißten Teil sind insbesondere die Schweißwülste 7 durch ein zerspanendes Verfahren entfernt worden. Der Kühlkanal 9 hat somit kein Störvolumen und die Reibschweißnaht 10 ist durch den Spalt 8 von außen einfach kontrollierbar. Bauteile die fehlerhaft reibverschweißt sind, können somit schnell herausgefunden werden.The 4 shows schematically in cross section the friction welded part with the first part 1 as a piston upper part or piston crown and second part 2 as piston lower part or piston ring which have been joined by the friction welding method according to the invention. In this friction welded part, in particular, the weld beads 7 removed by a machining process. The cooling channel 9 thus has no disturbance volume and the friction weld 10 is through the gap 8th easy to control from the outside. Components that are incorrectly friction-welded can thus be found out quickly.

Der Werkstoff, aus dem das erste Teil 1 hergestellt ist, kann aufgrund der Anforderungen ein sehr hochfestes bzw. widerstandsfähiges Material beispielsweise Stahl oder Aluminium sein. Hingegen das zweite Teil 2 kann aus einem weicheren Werkstoff oder minderwertigeren Werkstoff auch beispielsweise aus Stahl oder Aluminium hergestellt sein kann. Im übrigen wird auf die zeichnerischen Darstellungen der Erfindungen als wesentlich verwiesen. Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft an einem Kolben beschrieben wurde und sich genauso gut auf andere Teile übertragen lässt, deren Wulst unter anderem durch einen engen Spalt der Öffnung entfernt werden soll, wie beispielsweise Doppelräder und Ventile.The material from which the first part 1 is made, can be a very high-strength or durable material such as steel or aluminum due to the requirements. On the other hand, the second part 2 can be made of a softer material or inferior material, for example, made of steel or aluminum. For the rest, reference is made to the drawings of the inventions as essential. It is understood that the method according to the invention has been described by way of example on a piston and can equally well be transferred to other parts whose bead is to be removed inter alia by a narrow gap of the opening, such as double wheels and valves.

11: erstes Teilfirst part
22: zweites Teilsecond part
33: Verbindungsflächeinterface
44: Spaltgap
55: Führungguide
66: Schweißwulstweld bead
77: Schweißwulstweld bead
88th: Öffnungopening
99: Kühlkanalcooling channel
1010: Reibschweißnahtfriction weld

Claims

Method for friction welding a first part ( 1 ) with a second part ( 2 ), characterized in that a joining surface to be welded ( 3 ) of the first part ( 1 ) with a bonding surface to be welded ( 3 ) of the second part ( 2 ) are arranged for friction welding to each other, so that they form a non-all-over contact surface, and that the first and second part ( 1 . 2 ) are friction welded to form a welded joint.

A method according to claim 1, characterized in that at least one of the bonding surfaces to be welded ( 3 ) of the first and second parts ( 1 . 2 ), in particular straight, concave, convex or pointed, bevelled.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the formation of the weld bead ( 7 ) during friction welding by a guide ( 5 ) on at least one of the two parts to be joined ( 1 . 2 ).

Friction-welded part, produced by a method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the welding surface ( 3 ) on a first part ( 1 ) and / or a second part ( 2 ) is chamfered before friction welding.

Friction-welded part according to claim 4, characterized in that the welding surface ( 3 ) through a guided tour ( 5 ) on at least one of the parts to be welded ( 1 . 2 ) is extended.

Friction-welded part according to claim, characterized in that the guide ( 5 ) seen in cross section is triangular.

Friction-welded part, according to one or more of the preceding claims, characterized in that the connected parts ( 1 . 2 ) on at least one side by friction welding with no or a defined small Schweißwulst ( 7 ) are joined together

Reibgeschweißtes Part according to one of the preceding claims, characterized that there is a valve or valve lifter, injection pump piston, a Piston for an internal combustion engine or a double wheel.

Friction-welded part according to one or more of the preceding claims, characterized in that the material of the first and second part ( 1 . 2 ) is identical.

Friction welded part after one or more ren of the aforementioned claims, characterized in that the material of the first and second part ( 1 . 2 ) is different in the alloy.

Friction-welded part according to one or more of the preceding claims, characterized in that the first part to be joined ( 1 ) a piston head and the second part to be connected ( 2 ) is a piston stem.