WO2007006669A1 - Friction stir welding tool and method and assembly for the real-time control of a friction stir welding process - Google Patents

Friction stir welding tool and method and assembly for the real-time control of a friction stir welding process Download PDF

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WO2007006669A1
WO2007006669A1 PCT/EP2006/063758 EP2006063758W WO2007006669A1 WO 2007006669 A1 WO2007006669 A1 WO 2007006669A1 EP 2006063758 W EP2006063758 W EP 2006063758W WO 2007006669 A1 WO2007006669 A1 WO 2007006669A1
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stir welding
welding tool
tool
friction
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PCT/EP2006/063758
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Jean Pierre Bergmann
Johannes Wilden
Frank BARTHELMÄ
Bernd Aschenbach
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Technische Universität Ilmenau
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Publication date
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    • B23K20/122Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
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    • B23K20/1255Tools therefor, e.g. characterised by the shape of the probe

Definitions

  • the invention relates to a friction stir welding tool and a method and an arrangement for real-time control of a friction stir welding process.
  • Friction welding has been used industrially for a number of decades for a variety of joining tasks in which rotationally symmetric or flat workpieces are joined.
  • the heat is generated by friction of the joining surfaces, which is generated by the relative movement of the joining partners to each other.
  • Friction Stir Welding is a further development of friction welding technology and was patented in the early 1990s (GB 2 270 864). This method is due to the low joining ⁇ temperatures and the excellent property profile of the compounds of.
  • both the frictional heat and the pressure are generated by wear-resistant tool stir bolts. These consist of a shoulder and a pin and are pressed in rotation in the joining area in the workpiece material until the shoulder is in contact with the workpiece surface ⁇ piece. The friction between the workpiece material and the shoulder produces the required heat for plasticizing the workpiece material.
  • the plasticized material is stirred by the pin inside the seam and transported to its rear side.
  • It is therefore an object of the present invention to provide a compact, universally applicable friction stir welding tool as well as a method and an arrangement for real-time control provide a Rillonreibsch resumereas with which it is possible the joining process mieren easy and inexpensive to opti ⁇ so that in its result, the quality requirements ⁇ stakes corresponding joint seam without the need for post-processing occurs and the load on the friction stir welding mini ⁇ mized is.
  • Fig. 1 - representation of the velocity field during a friction stir welding process
  • FIG. 2 - schematic representation of a friction stir welding tool according to the invention
  • FIG. 3 schematic representation of a control loop for the friction stir welding process
  • Fig. 1 illustrates the components of a speed ⁇ field, as occurs in an ordinary Rhakreibsch resume polish.
  • FIG. 2 schematically shows a friction stir welding tool according to the invention, which is attached to a non-illustrated
  • Known friction stir welding Tools consist essentially of a tool body 2 made of tempered tool steel and a horrendbolzen 3, the latter being composed of a shoulder and a pin, which are firmly connected together.
  • the attachment of the istrandbolzens 3 on the tool base body 2 ⁇ takes place in a tool holder, for example a collet or chuck for parallel according to DIN 1835 part 1 and 2.
  • FIG. 1 A tool holder, for example a collet or chuck for parallel according to DIN 1835 part 1 and 2.
  • the heat generated in the friction stir welding process is dissipated via a closed cooling system 4.
  • the coolant is supplied to the tool via the inner coolant supply (IKZ) 5 of the machine spindle and via a radially rotatably mounted on the outer circumference of the tool coolant ring 6 derived.
  • IKZ inner coolant supply
  • the supply and discharge can be carried out via a modified coolant ring.
  • a correspondingly designed sensor arrangement 7 enables the detection of selected, process-related irregularities which are essentially due to changes in the material flow or in the friction behavior at the interface pin / substrate surface.
  • This Unre ⁇ larities, which originally result from a change in the rotational speed, the acceleration occurring in the tool can be determined by the measurement.
  • the acceleration can be multiaxial, for example, by means of a commercially available triaxial acceleration sensor based on piezos be measured. After further processing and evaluation of these measured values, it is then possible to make a statement about the vibrations occurring and loads on the machine.
  • the solution presented here offers the unique possibility of actively gaining information about the self-adjusting material flow in the case of non-similar material pairings (eg steel / aluminum, titanium / aluminum, etc.).
  • the different flow properties of the materials used lead to an untypical velocity field, which can only be defined by measuring the resulting velocity changes (accelerations).
  • the compact design according to the invention and the intelligent arrangement of the sensors in the friction stir welding head represent an essential feature of the invention, since thus the user can be offered a holistic, real-time process control "in one hand”.
  • the energy for the tool-internal electronics is inductively fed via a coupling point 9.
  • a stator 10 has the shape of a ⁇ preferably Kreisringaus section.
  • Fig. 3 the control circuit of a fiction, ⁇ friction stir welding system is shown schematically.
  • the respective sensor signals via a data pre-processing and a bidirectional telemetry unit are transmitted ⁇ unit to an evaluation .
  • the data is prepared and commands for controlling the action logic in the welding system are generated.
  • the generated commands for system control are transmitted via suitable interfaces, which in turn transmit the relevant process parameters, such as processing speed. speed, processing power and working temperature. This ensures that the process parameters are adapted to the changing process conditions during the welding process and that the welding process can be carried out in a quality-oriented manner.
  • the compact design of the friction stir welding tool according to the invention which is compatible with various welding systems or machining centers, proves to be very advantageous since it can be used universally and, in particular, offers small companies the possibility of reacting very flexibly to corresponding market requirements.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Abstract

The invention relates to a friction stir welding tool and to a method and an assembly for the real-time control of a friction stir welding process. The aim of the invention is to provide a compact friction stir welding tool for universal application and a method and an assembly for the real-time control of a friction stir welding process, in order to produce a weld seam that conforms to quality standards without the need for subsequent finishing and to minimise the stress exerted on the friction stir welding installation. To achieve this, the oscillations of a friction stir welding tool are recorded in the x-, y- and z-directions and the processing forces that emanate from the friction stir welding tool, together with the working temperatures that occur directly at the welding point, are recorded during the friction stir welding process with the aid of appropriate sensors. The recorded data is then telemetrically transmitted to an evaluation unit, where said data is prepared by computer. The process parameters processing speed, processing force and working temperature are regulated by a control unit.

Description

RÜHRREIBSCHWEISSWERKZEUG SOWIE VERFAHREN UND ANORDNUNG ZUR ECHTZEIT-KONTROLLE EINES RÜHRREIBSCHWEISSPROZESSES DURCH ERFASSUNG DER BESCHLEUNIGUNGSKRÄFTE UND/ODER SCHWINGUNGEN AN DEM WERKZEUGKÖRPERROUGHBED WELDING TOOL AND METHOD AND ARRANGEMENT FOR REAL-TIME CHECKING OF AN ERROR WRITING PROCESS BY DETECTING THE ACCELERATOR AND / OR VIBRATION TO THE TOOLBODY
Die Erfindung betrifft ein Rührreibschweißwerkzeug sowie ein Verfahren und eine Anordnung zur Echtzeit-Kontrolle eines Rührreibschweißprozesses .The invention relates to a friction stir welding tool and a method and an arrangement for real-time control of a friction stir welding process.
Reibschweißen wird seit einigen Jahrzehnten industriell für eine Vielzahl von Fügeaufgaben eingesetzt, bei denen rotationssymmetrische oder flächige Werkstücke gefügt werden. Beim konventionellen Reibschweißen entsteht die Wärme durch Reibung der Fügeflächen, die durch die Relativbewegung der Fügepartner zueinander erzeugt wird.Friction welding has been used industrially for a number of decades for a variety of joining tasks in which rotationally symmetric or flat workpieces are joined. In conventional friction welding, the heat is generated by friction of the joining surfaces, which is generated by the relative movement of the joining partners to each other.
Das Rührreibschweißen (FSW - Friction Stir Welding) stellt eine Weiterentwicklung der Reibschweißtechnik dar und ist Anfang der 90er Jahre patentiert (GB 2 270 864) worden. Dieses Verfahren zeichnet sich auf Grund der niedrigen Füge¬ temperaturen und des hervorragenden Eigenschaftsprofils der Verbindungen aus. Beim FSW werden sowohl die Reibungswärme als auch der Druck durch verschleißfeste Werkzeugrührbolzen erzeugt. Diese bestehen aus einer Schulter und einem Stift und werden rotierend im Fügebereich in den Werkstückstoff hineingedrückt, bis die Schulter in Kontakt mit der Werk¬ stückoberfläche ist. Durch die Reibung zwischen Werkstückstoff und Schulter entsteht die erforderliche Wärme zur Plastifizierung des Werkstückstoffes. Bei der Bewegung des Rührreibwerkzeuges entlang des Fügebereiches wird das plasti- fizierte Material durch den Stift im Inneren der Naht verrührt und an seine Rückseite transportiert. Grundlegende Erläuterungen zu dieser Technik finden sich in Dalle Donne, C; Braun, R.; Staniek, G.; Jung, A.; Kaysser, W. A.: Mikro- strukturelle, mechanische und korrosive Eigenschaften reib- rührgeschweißter Stumpfnähte in Aluminiumlegierungen; in: Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 29, (1998), 609-617.Friction Stir Welding (FSW) is a further development of friction welding technology and was patented in the early 1990s (GB 2 270 864). This method is due to the low joining ¬ temperatures and the excellent property profile of the compounds of. In the FSW, both the frictional heat and the pressure are generated by wear-resistant tool stir bolts. These consist of a shoulder and a pin and are pressed in rotation in the joining area in the workpiece material until the shoulder is in contact with the workpiece surface ¬ piece. The friction between the workpiece material and the shoulder produces the required heat for plasticizing the workpiece material. During the movement of the friction stir tool along the joining area, the plasticized material is stirred by the pin inside the seam and transported to its rear side. Basic explanations of this technique can be found in Dalle Donne, C; Braun, R .; Staniek, G .; Jung, A .; Kaysser, WA: Micro- structural, mechanical and corrosive properties of friction-welded butt welds in aluminum alloys; in: Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 29, (1998), 609-617.
Jedoch stellen die beim Rührreibschweißen in der Phase des Tauchens auftretenden Kräfte besondere Anforderungen an die verwendeten Werzeugmaschinen und Anlagen. Diese müssen ausreichend steif sein, da auftretende Schwingungen während des Rührreibschweißprozesses zu einer unregelmäßigen Nahtaus- bildung führen und die Prozesssicherheit sowie seine Reprodu¬ zierbarkeit dadurch stark beeinflusst werden. In Blach, 0.; Senne, F.: Reibrührschweißen aus der Sicht eines Anwenders im Schienenfahrzeugbau; in: 2. GKSS Workshop, (2002), 85-94; wird als Grund für die mangelnde Reproduzierbarkeit die Über- belastung der verwendeten Bearbeitungszentren angegeben. An der Nahtoberfläche sind trotz angezeigter konstanter Werte der Höhenposition (z-Position) des Werkzeugrührbolzen Schwankungen in der Eintauchtiefe erkennbar. Aufgrund einer unzu¬ reichenden Steifigkeit der Maschine kommt es während des Prozessesablaufes zum „Rucken". Daneben bewirken die im Bear- beitungsprozess auftretenden Axialkräfte von bis zu 30 kN eine Lebensdauerreduzierung der Werkzeugrührbolzen und der Wälzlager der Schweißanlage.However, the forces occurring during friction stir welding in the diving phase make special demands on the used machine tools and systems. These must be sufficiently rigid because vibrations occurring during Rührreibschweißprozesses to irregular Nahtaus- lead education and process reliability as well as its reproduction ¬ ibility be greatly affected. In Blach, 0 .; Senne, F .: friction stir welding from the perspective of a user in rail vehicle construction; in: 2. GKSS Workshop, (2002), 85-94; the reason given for the lack of reproducibility is the overloading of the machining centers used. Despite the displayed constant values of the height position (z position) of the tool stir pin, fluctuations in the immersion depth can be recognized on the seam surface. Due is insufficiently ¬ reaching rigidity of the machine occur during the process sequence to the "jerk". In addition, axial forces cause the processing process occurring in the machining of up to 30 kN, a reduction in service life of the rolling bearing and the Werkzeugrührbolzen of the welding system.
Alle diese negativen Erscheinungen treten vermehrt beim Bearbeiten zäher Werkstoffklassen, wie beispielsweise Stähle oder Mischverbindungen, auf. Um FSW-Verbindungen aus artgleichen und/oder unterschiedlichen Werkstoffen in einem größeren Umfang prozesssicher herstellen zu können, ist daher eine Echtzeit-Prozesskontrolle erforderlich. Um darüber hinaus konstante Rührbedingungen gewährleisten zu können, muss der Verschleiß des Werkzeugrührbolzens (Stift und Schulter) ständig überwacht werden. Die Kontrolle des Schweißprozesses ist jedoch sehr problematisch, da die Fügestelle nur sehr schwer zugänglich ist. In der Literatur wird an vereinzelten Stellen über online-Prozesskontrollsysteme berichtet. So z.B. werden in Kailee, S.; Nicholas, D.E.; Thomas, W.: Friction Stir Welding: Invention, Innovations and Applications; in: 2. GKSS Workshop, (2002), 9-22; die auftretenden Kräfte durch einen Dynamometer und eine Kraftmessdose erfasst, wobei eine Rückkopplung mit der Maschinensteuerung nicht erfolgt. Diese Messung ermöglicht lediglich das Erfassen der Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz und kann zur Überwachung der Eintauchtiefe bei Prozessbeginn eingesetzt werden.All these negative phenomena occur more frequently when working on tough material classes, such as steels or mixed compounds. Therefore, in order to be able to produce FSW connections of identical and / or different materials to a greater extent in a process-reliable manner, a real-time process control is required. In order to be able to guarantee constant stirring conditions, the wear of the tool stirring pin (pin and shoulder) must be be constantly monitored. The control of the welding process is very problematic because the joint is very difficult to access. The literature occasionally reports on online process control systems. For example, in Kailee, S .; Nicholas, DE; Thomas, W .: Friction Stir Welding: Invention, Innovations and Applications; in: 2. GKSS Workshop, (2002), 9-22; the forces occurring detected by a dynamometer and a load cell, with a feedback with the machine control does not occur. This measurement allows only the detection of the force components F x , F y and F z and can be used to monitor the immersion depth at the beginning of the process.
In Kleiner, D.; Bird, CR.: Signal Processing for quality assurance in friction stir welds; in: 42nd Annual British Conference on NDT, (2003), 169-174; werden Schallkörperemissionen während des laufenden Prozesses gemessen und ausgewertet. Durch die Transformation dieser Signale ist es möglich, eine Regelung des Prozesses vorzunehmen. So kann z.B. das Auftreten von Kavitäten und Unregelmäßigkeiten in der Schweißnaht (Kissing Bonds) mit Hilfe eines Verarbei¬ tungs-Algorithmus aus diesen auf diese Weise gewonnenen Signalen sicher abgeleitet werden. Das Monitoring durch Schallkörperemissionen wird jedoch durch die in einer Ferti- gungshalle auftretenden Nebengeräusche stark beeinträchtigt.In Kleiner, D .; Bird, CR .: Signal Processing for quality assurance in friction stir welds; in: 42nd Annual British Conference on NDT, (2003), 169-174; Sound emissions are measured and evaluated during the ongoing process. By transforming these signals, it is possible to perform a control of the process. For example, can be safely discharged, the occurrence of cavities and irregularities in the weld seam (Kissing bonds) with the aid of a proces ¬ tung algorithm from these thus obtained signals. However, the monitoring of sound emissions is greatly impaired by the background noises occurring in a production hall.
Eine weitere Anordnung zur Steuerung des FSW-Prozesses mit einem doppelschulterigen Bolzen wird in der WO 00/2699 Al dargestellt. Auch in diesem Fall werden nur integrierte Informationen über Wegänderung und Druckbeaufschlagung ermittelt. Die Regelung erfolgt dann über einen Aktuator. In der WO 03/064100 Al wird die Kraft zwischen den Schultern als prozessregelnde Größe angenommen und über das Antriebsmo¬ ment gemessen.Another arrangement for controlling the FSW process with a double-shouldered bolt is shown in WO 00/2699 A1. Also in this case, only integrated information about path change and pressurization are determined. The regulation then takes place via an actuator. In WO 03/064100 Al, the force is assumed between the shoulders as prozessregelnde size and measured over the Antriebsmo ¬ ment.
In der DE 101 39 687 Cl wird eine Lösung zur Messung der Temperatur im Werkzeug und somit zur Bestimmung des auftre¬ tenden Zeit-Temperatur-Regime im Prozess beschrieben.DE 101 39 687 C1 describes a solution for measuring the temperature in the tool and thus for determining the auftre ¬ border time-temperature regime in the process.
Eine deutliche Weiterentwicklung dieses Kontrollprozesses liefert die erst am 12.01.2006 veröffentlichte Patentschrift DE 10 2004 030 381 B3. Hier wird der Einsatz geeigneter Messmethoden und Anordnungen zur Ermittlung der Druckbeaufschlagung (z.B. mittels Dehnungsmesssensor, piezoelektrischem oder magnetostriktivem Element oder mittels einer Druckfolie) sowie der auftretenden Schwingungen (Mikrowellensensor) vorgestellt. Insbesondere werden die Schwingungen über die Lageänderung der am Prozess beteiligten Maschinenteile mit einem Laser oder Mikrowellensensor gemessen. Diese Messelemente können extern oder an der Halterung (Werkzeugfutter) angebracht sein. Die dargestellte Lösung ist eine Weiterent¬ wicklung des bisher bekannten Standes der Technik. Der Nachteil dieser Lösung besteht jedoch darin, dass in allen Fällen die Information über die Vorgänge aus dem Zustand des Rühr¬ bolzen, also unterhalb der Kontaktoberfläche Schulter/Bauteil ermittelt wird. Es ist mit diesem Verfahren zum Beispiel nicht möglich, gezielt den Materialfluss um den Stift herum, sowie Verschleißerscheinungen des Stiftes selbst zu ermit¬ teln. Die Prozesssicherheit sowie das Auftreten von sogenann¬ ten Kissing Bonds beim Rührreibschweißen werden jedoch maßgeblich vom Materialfluss um den Stift herum bestimmt. Ist dieser kontinuierlich, dann ist auf eine gleichmäßige Durchmischung (im festen Zustand, ähnlich wie beim Kneten) zwischen den Fügepartnern zu schließen (vgl. Fig. 1) . Tritt dabei eine Diskontinuität auf, wie z.B. das kurzfristigeA significant further development of this control process is provided by the patent DE 10 2004 030 381 B3, published on January 12, 2006. Here, the use of suitable measuring methods and arrangements for determining the pressurization (eg by means of strain gauge, piezoelectric or magnetostrictive element or by means of a printing foil) as well as the occurring oscillations (microwave sensor) is presented. In particular, the vibrations are measured via the change in position of the machine parts involved in the process with a laser or microwave sensor. These measuring elements can be mounted externally or on the holder (tool chuck). The solution illustrated is a deve ¬ development of the hitherto known prior art. The disadvantage of this solution, however, is that in all cases the information about the processes from the state of the stirring ¬ bolt, so below the contact surface shoulder / component is determined. It is not possible with this method, for example, specifically the flow of material around the pin, as well as wear of the pin itself to ermit ¬ stuffs. The process safety as well as the occurrence of sogenann ¬ th Kissing bonds during friction stir welding, however, are largely determined by the flow of material around the pin. If this is continuous, then it is a matter of uniform mixing (in the solid state, similar to kneading) between the joining partners to close (see Fig. 1). If this occurs a discontinuity, such as the short-term
Ablösen eines Materialfilmes in der drehenden Bewegung um denPeeling off a film of material in the rotating motion around the
Stift herum, dann ergibt sich eine zeitlich begrenzte Geschwindigkeitsänderung. Diese kann mit den in DE 10 2004Pen around, then results in a time-limited speed change. This can with the in DE 10 2004
030 381 B3 dargestellten Messmethoden nicht präzise erfasst werden, da hierbei immer eine von mehreren Einflussfaktoren030 381 B3 are not precisely recorded, as this is always one of several influencing factors
(Nachgiebigkeit der Werkstoffe, des Rührbolzens, Übertragung an der Grenzfläche im Fall der Messung der Dehnung sowie der Lageänderung) abhängige Information ermittelt wird. Eine direkte Ermittlung des sich im Materialfluss ändernden Geschwindigkeitsfeldes wird nicht realisiert. Eine eindeutige Aussage über die materialspezifischen Gegebenheiten der Fügenaht ist somit nicht möglich. Darüber hinaus ergibt sich gerade bei artfremden Werkstoffpaarungen die Situation, dass auf Grund der unterschiedlichen Fliesseigenschaften ein untypisches Geschwindigkeitsfeld vorliegt. Dieses kann durch die derzeitige Sensorik nicht sicher definiert werden.(Compliance of the materials, the stirring pin, transmission at the interface in the case of measuring the strain and the change in position) dependent information is determined. A direct determination of the velocity field changing in the material flow is not realized. A clear statement about the material-specific conditions of the joint seam is thus not possible. In addition, it is precisely in the case of heterogeneous material pairings that the situation arises that an untypical velocity field exists due to the different flow properties. This can not be reliably defined by the current sensor technology.
Die im Stand der Technik zur Verfügung stehenden Prozesskon- trollsysteme eignen sich daher für die Einzelfertigung auf CNC-Universalmaschinen sowie für die Serienfertigung nur bedingt. Insbesondere liefern die bekannten Messmethoden keine verwertbare Aussage über den Werkzeugverschleiß sowie über Veränderungen des Materialflusses an der Grenzfläche Stift / plastifizierter Werkstückstoff, welche maßgeblich für die Güte der Verbindung sowie für die Auslegung des Stiftes und des Prozesses ist.The process control systems available in the prior art are therefore only of limited suitability for one-off production on CNC universal machines and for series production. In particular, the known measuring methods provide no useful information about the tool wear and changes in the material flow at the interface pin / plasticized workpiece material, which is decisive for the quality of the connection and for the design of the pin and the process.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein kompaktes, universell einsetzbares Rührreibschweißwerkzeug sowie ein Verfahren und eine Anordnung zur Echtzeit-Kontrolle eines Rührreibschweißprozesses bereitzustellen, mit denen es gelingt, den Fügeprozess einfach und kostengünstig zu opti¬ mieren, so dass in seinem Ergebnis eine den Qualitätsanforde¬ rungen entsprechende Fügenaht ohne notwendige Nachbearbeitung entsteht und die Belastung der Rührreibschweißanlage mini¬ miert wird.It is therefore an object of the present invention to provide a compact, universally applicable friction stir welding tool as well as a method and an arrangement for real-time control provide a Rührreibschweißprozesses with which it is possible the joining process mieren easy and inexpensive to opti ¬ so that in its result, the quality requirements ¬ stakes corresponding joint seam without the need for post-processing occurs and the load on the friction stir welding mini ¬ mized is.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten, neunten bzw. zwölften Patentanspruches.According to the invention, the solution of this problem succeeds with the features of the first, ninth and twelfth claims.
Vorteilhafte erfindungsgemäße Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to drawings. In the accompanying drawings show:
Fig. 1 - Darstellung des Geschwindigkeitsfeldes während eines RührreibschweißprozessesFig. 1 - representation of the velocity field during a friction stir welding process
Fig. 2 - schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen RührreibschweißwerkzeugesFig. 2 - schematic representation of a friction stir welding tool according to the invention
Fig. 3 - schematische Darstellung eines Regelkreises für den RührreibschweißprozessFig. 3 - schematic representation of a control loop for the friction stir welding process
Fig. 1 verdeutlicht die Komponenten eines Geschwindigkeits¬ feldes, wie es in einem gewöhnlichen Rührreibschweißprozess auftritt.Fig. 1 illustrates the components of a speed ¬ field, as occurs in an ordinary Rührreibschweißprozess.
Fig. 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Rührreib- schweißwerkzeug, welches an einer nicht näher dargestelltenFIG. 2 schematically shows a friction stir welding tool according to the invention, which is attached to a non-illustrated
Maschinenspindel über eine Standardschnittstelle 1, wie z.B. ein Hohlschaftkegel, montiert wird. Bekannte Rührreibschweiß- Werkzeuge bestehen im wesentlichen aus einem Werkzeuggrundkörper 2 aus vergütetem Werkzeugstahl und einem Werkzeugrührbolzen 3, wobei letzterer aus einer Schulter und einem Stift zusammengesetzt ist, die miteinander festverbunden sind. Die Befestigung des Werkzeugrührbolzens 3 an dem Werkzeuggrund¬ körper 2 erfolgt in einer Werkzeugaufnahme, z.B. einer Spannzange oder einem Spannfutter für Zylinderschäfte nach DIN 1835 Teil 1 und 2.Machine spindle via a standard interface 1, such as a hollow shaft taper is mounted. Known friction stir welding Tools consist essentially of a tool body 2 made of tempered tool steel and a Werkzeugrührbolzen 3, the latter being composed of a shoulder and a pin, which are firmly connected together. The attachment of the Werkzeugrührbolzens 3 on the tool base body 2 ¬ takes place in a tool holder, for example a collet or chuck for parallel according to DIN 1835 part 1 and 2. FIG.
Die im Rührreibschweißprozess anfallende Wärme wird über ein geschlossenes Kühlsystem 4 abgeführt. Das Kühlmittel wird dem Werkzeug über die innere Kühlmittelzufuhr (IKZ) 5 der Maschinenspindel zu- und über einen radial drehbar am Außenumfang des Werkzeuges gelagerten Kühlmittelring 6 abgeleitet. Bei Spindeln ohne IKZ kann die Zu- und Abfuhr über einen modifizierten Kühlmittelring ausgeführt werden.The heat generated in the friction stir welding process is dissipated via a closed cooling system 4. The coolant is supplied to the tool via the inner coolant supply (IKZ) 5 of the machine spindle and via a radially rotatably mounted on the outer circumference of the tool coolant ring 6 derived. For spindles without ICZZ, the supply and discharge can be carried out via a modified coolant ring.
Erfindungsgemäß ermöglicht eine entsprechend ausgelegte Sensoranordnung 7 die Erfassung ausgewählter, prozessbeding- ter Unregelmäßigkeiten die im wesentlichen auf Veränderungen im Materialfluss oder im Reibverhalten an der Grenzfläche Stift / Substratoberfläche zurückzuführen sind. Diese Unre¬ gelmäßigkeiten, die sich ursprünglich aus einer Veränderung der Rotationsgeschwindigkeit ergeben, können durch die Messung der im Werkzeug auftretenden Beschleunigung ermittelt werden. Die Beschleunigung kann mehrachsig z.B. mittels eines handelsüblichen Triaxialbeschleunigungssensors auf Piezobasis gemessen werden. Nach einer Weiterverarbeitung und Auswertung dieser Messwerte kann dann eine Aussage über die auftretenden Schwingungen und Belastungen auf die Maschine getroffen werden . Eine weitere Instrumentalisierung des Rührreibschweißkopfes, basierend auf den bereits erwähnten Methoden zur Ermittlung der statischen und dynamischen Komponenten der auf die zu schweißenden Werkstücke wirkenden Kraft, wird mit geeigneten Kraftmesssensoren, wie z.B. Dehnmessstreifen oder Piezokraft- sensoren, in geeigneter Anordnung realisiert. Bedingt durch die thermischen Besonderheiten des Rührreibschweißprozesses kann die zum Schutz der Sensorik notwendige Temperaturüberwa¬ chung auch als Prozessgröße aufgenommen werden. Dabei wird durch die im Rührreibschweißwerkzeug befindliche Sensorik notwendige aktive Kühlung des Elektronikbereiches auch als Prozessparameter berücksichtigt. Zur Temperaturmessung befindet sich ein Sensor mit geringer Wärmekapazität nahe der Wirkstelle bzw. nahe dem Werkzeugrührbolzen 3.According to the invention, a correspondingly designed sensor arrangement 7 enables the detection of selected, process-related irregularities which are essentially due to changes in the material flow or in the friction behavior at the interface pin / substrate surface. This Unre ¬ larities, which originally result from a change in the rotational speed, the acceleration occurring in the tool can be determined by the measurement. The acceleration can be multiaxial, for example, by means of a commercially available triaxial acceleration sensor based on piezos be measured. After further processing and evaluation of these measured values, it is then possible to make a statement about the vibrations occurring and loads on the machine. Further instrumentalization of the friction stir welding head, based on the already mentioned methods for determining the static and dynamic components of the force acting on the workpieces to be welded, is realized with suitable force measuring sensors, such as strain gauges or piezoelectric sensors, in a suitable arrangement. Due to the thermal characteristics of the friction stir welding process, the temperature monitoring required to protect the sensors can also be recorded as a process variable. In this case, the active cooling of the electronics area, which is necessary in the friction stir welding tool, is also taken into account as process parameters. For temperature measurement is a sensor with low heat capacity near the active site or near the Werkzeugrührbolzen. 3
Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann eine Separierung der Effekte erfolgen und die Wichtung der Materialflussänderung, die sich beispielsweise auf Grund der materialspezifischen Eigenschaften, der Temperatur der Werkstoffe (Fliessgrenze) aber auch insbesondere der Anordnung zum Stift (Positionie¬ rung) , der Geometrie des Stiftes sowie dessen Zustand erge¬ ben, erfolgen. Darüber hinaus bietet die hier dargestellte Lösung die einzigartige Möglichkeit, aktiv bei artfremden Werkstoffpaarungen (z.B. Stahl/Aluminium, Titan/Aluminium etc.) Informationen über den sich einstellenden Materialfluss zu gewinnen. In diesem Fall führen die unterschiedlichen Fließeigenschaften der verwendeten Werkstoffe zu einem untypischen Geschwindigkeitsfeld, das nur durch eine Messung der sich ergebenden Geschwindigkeitsänderungen (Beschleunigungen) definiert werden kann. Der erfindungsgemäße kompakte Aufbau und die intelligente Anordnung der Sensorik im Rührreibschweißkopf stellt ein wesentliches Merkmal der Erfindung dar, da somit dem Anwender eine ganzheitliche Echtzeit-Prozessregelung „in einer Hand" angeboten werden kann.With the solution according to the invention, a separation of the effects can take place and the weighting of the material flow change, for example due to the material-specific properties, the temperature of the materials (flow limit) but also in particular the arrangement to the pin (Positionie ¬ tion), the geometry of the pen and its state erge ben ¬ take place. In addition, the solution presented here offers the unique possibility of actively gaining information about the self-adjusting material flow in the case of non-similar material pairings (eg steel / aluminum, titanium / aluminum, etc.). In this case, the different flow properties of the materials used lead to an untypical velocity field, which can only be defined by measuring the resulting velocity changes (accelerations). The compact design according to the invention and the intelligent arrangement of the sensors in the friction stir welding head represent an essential feature of the invention, since thus the user can be offered a holistic, real-time process control "in one hand".
Die Energie für die werkzeuginterne Elektronik wird induktiv über eine Koppelstelle 9 eingespeist.The energy for the tool-internal electronics is inductively fed via a coupling point 9.
Mit Hilfe der auf diese Weise erfassten Daten kann man auf veränderte Prozessbedingungen rückschließen und mit auftretenden Schweißunregelmäßigkeiten korrelieren.With the help of the data collected in this way, one can conclude on changed process conditions and correlate with occurring welding irregularities.
Um den Einsatz des Rührreibschweißwerkzeuges auf konventio- nellen Bearbeitungszentren mit automatischem Werkzeugwechsler sicherzustellen und um Kollisionen mit diesem zu vermeiden, hat ein Stator 10 vorzugsweise die Form eines Kreisringaus¬ schnittes .To ensure the use of the Rührreibschweißwerkzeuges on conven- tional machining centers with automatic tool changer and to avoid collisions with this, a stator 10 has the shape of a ¬ preferably Kreisringaus section.
In Fig. 3 ist schematisch der Regelkreis einer erfindungs¬ gemäßen Rührreibschweißanlage dargestellt. Sobald während des Schweißprozesses infolge von Instabilitäten, z.B. Eintauchtiefe, Werkzeugverschleiß, Kavitäten usw. Änderungen der Beschleunigung und / oder des Kraftverlaufes und / oder der Temperatur am Rührreibschweißwerkzeug auftreten, werden die entsprechenden Sensorsignale über eine Datenvorverarbeitung und eine bidirektionale Telemetrieeinheit zu einer Auswerte¬ einheit übertragen. Dort werden die Daten aufbereitet und Befehle zur Steuerung der Handlungslogik in der Schweißanlage generiert. Über geeignete Schnittstellen werden die generierten Befehle zur Anlagensteuerung übertragen, die ihrerseits die relevanten Prozessparameter, wie Bearbeitungsgeschwindig- keit, Bearbeitungskraft und Arbeitstemperatur, regelt. Damit wird sichergestellt, dass die Prozessparameter während des Schweißprozesses an die sich ändernden Prozessbedingungen angepasst werden und der Schweißprozess qualitätsgerecht ausgeführt werden kann.In Fig. 3, the control circuit of a fiction, ¬ friction stir welding system is shown schematically. Once occur during the welding process as a result of instabilities, such as immersion depth, tool wear, cavities, etc. changes in acceleration and / or the force profile and / or the temperature at the friction stir welding tool, the respective sensor signals via a data pre-processing and a bidirectional telemetry unit are transmitted ¬ unit to an evaluation , There, the data is prepared and commands for controlling the action logic in the welding system are generated. The generated commands for system control are transmitted via suitable interfaces, which in turn transmit the relevant process parameters, such as processing speed. speed, processing power and working temperature. This ensures that the process parameters are adapted to the changing process conditions during the welding process and that the welding process can be carried out in a quality-oriented manner.
Vorteilhaft wirkt sich hierbei der Einsatz von geeigneten kompakten Sensoren kleinster Bauform aus, zur Ermittlung der Beschleunigung, der Kraft und der Temperatur. Dies ermöglicht die Integration dieser Sensoren vorzugsweise im Werkzeuggrundkörper, also nahe der Wirkstelle. Mit dem erfindungsge¬ mäßen Rührreibschweißwerkzeug können insbesondere Veränderun¬ gen des Materialflusses und beispielsweise Verschleißerschei¬ nungen am Werkzeugrührbolzen erkannt werden. Die Regulierung der Bearbeitungskraft und der Arbeitstemperatur ermöglicht einen Werkzeug- und anlagenschonenden, verschleißarmen Prozessablauf.Advantageous here is the use of suitable compact sensors of the smallest design, for determining the acceleration, the force and the temperature. This allows the integration of these sensors preferably in the tool body, ie near the site of action. With the erfindungsge ¬ MAESSEN friction stir welding tool changer particular Derun ¬ can gen the flow of material and for example Verschleißerschei ¬ voltages are detected at Werkzeugrührbolzen. The regulation of the processing force and the working temperature enables a tool and plant-saving, low-wear process flow.
Des weiteren erweist sich die kompakte und mit verschiedenen Schweißanlagen oder Bearbeitungszentren kompatible Bauweise des erfindungsgemäßen Rührreibschweißwerkzeuges als sehr vorteilhaft, da es universell einsetzbar ist und insbesondere kleinen Unternehmen die Möglichkeit bietet, sehr flexibel auf entsprechende Marktanforderungen zu reagieren. Furthermore, the compact design of the friction stir welding tool according to the invention, which is compatible with various welding systems or machining centers, proves to be very advantageous since it can be used universally and, in particular, offers small companies the possibility of reacting very flexibly to corresponding market requirements.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 - Standardschnittstelle1 - standard interface
2 - Werkzeuggrundkörper2 - Tool body
3 - Werkzeugrührbolzen3 - Tool stirring bolt
4 - geschlossenes Kühlsystem4 - closed cooling system
5 - innere Kühlmittelzufuhr (IKZ) 6 - äußerer Kühlmittelring5 - inner coolant supply (IKZ) 6 - outer coolant ring
7 - Beschleunigungs-, Kraft- und Temperatursensoren7 - Acceleration, force and temperature sensors
8 - Datenvorverarbeitung8 - Data preprocessing
9 - Koppelstelle9 - Coupling point
10 - Stator der Werkzeugmaschine 10 - Stator of the machine tool

Claims

Patentansprüche claims
1. Rührreibschweißwerkzeug bestehend aus einem Werkzeug¬ grundkörper und einem Werkzeugrührbolzen mit einer Schul- ter und einem Stift, dadurch gekennzeichnet, dass im1. friction stir welding tool consisting of a tool ¬ basic body and a Werkzeugrührbolzen with a shoulder ter and a pin, characterized in that in
Werkzeuggrundkörper mindestens ein Sensor zur Erfassung der auf den Werkzeuggrundkörper wirkenden Beschleunigungskräfte integriert ist.Tool body at least one sensor for detecting the force acting on the tool body acceleration forces is integrated.
2. Rührreibschweißwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der integrierte Sensor angepasst ist, um Beschleunigungskräfte zu bestimmen, die aus Veränderungen im Materialfluss oder Reibverhalten an der Grenzfläche zwischen Stift und zu schweißender Werkstückoberfläche resultieren.2. Friction friction welding tool according to claim 1, characterized in that the integrated sensor is adapted to determine acceleration forces resulting from changes in the material flow or friction behavior at the interface between the pin and workpiece surface to be welded.
3. Rührreibschweißwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem integrierten Sensor weiterhin die an der Grenzfläche Stift/Werkstückoberfläche auftretenden Bearbeitungskräfte und/oder Arbeitstemperaturen bestimmbar sind.3. friction stir welding tool according to claim 2, characterized in that with the integrated sensor further occurring at the interface pin / workpiece surface machining forces and / or working temperatures are determined.
4. Rührreibschweißwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der integrierte Sensor einen oder mehrere Beschleunigungssensoren umfasst, mit denen die Schwingungen des Rührreibschweißwerkzeuges orthogonal zueinander in x-, y- und z-Richtung erfassbar sind.4. friction stir welding tool according to one of claims 1 to 3, characterized in that the integrated sensor comprises one or more acceleration sensors, with which the vibrations of the friction stir welding tool orthogonal to one another in the x, y and z direction can be detected.
5. Rührreibschweißwerkzeug nach Anspruch 4 dadurch gekenn— zeichnet, dass der Sensor ein Triaxialbeschleunigungssen- sor ist. 5. A friction stir welding tool according to claim 4, characterized in that the sensor is a triaxial acceleration sensor.
6. Rührreibschweißwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der integrierte Sensor mindestens einen Kraftmesssensor umfasst, vorzugsweise als Dehnmessstreifen oder Piezokraftsensor, mir dem die Bearbeitungskräfte, mit denen das Rührreibschweißwerkzeug auf die zu schweißenden Werkstücke wirkt, erfassbar sind.6. A friction stir welding tool according to one of claims 1 to 5, characterized in that the integrated sensor comprises at least one force measuring sensor, preferably as a strain gauge or piezoelectric force sensor, me the machining forces with which the friction stir welding tool acts on the workpieces to be welded, are detectable.
7. Rührreibschweißwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der integrierte Sensor mindestens einen Temperatursensor umfasst, mit dem die Arbeitstemperaturen, die unmittelbar an der Wirkstelle auftreten, erfassbar sind.7. friction stir welding tool according to one of claims 1 to 6, characterized in that the integrated sensor comprises at least one temperature sensor, with which the operating temperatures that occur directly at the point of action, can be detected.
8. Rührreibschweißwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass im Werkzeuggrundkörper (2) des Rührreibschweißwerkzeuges Mittel zur Kühlung (4, 5 und 6) des integrierten Sensors (7) und des Werkzeugrührbolzens (3) vorgesehen sind.8. Rührreibschweißwerkzeug according to one of claims 1 to 7, characterized in that in the tool body (2) of the Rührreibschweißwerkzeuges means for cooling (4, 5 and 6) of the integrated sensor (7) and the Werkzeugrührbolzens (3) are provided.
9. Verfahren zur Echtzeit-Kontrolle eines Rührreib- schweißprozesses dadurch gekennzeichnet, dass die Schwin¬ gungen eines Rührreibschweißwerkzeuges in x-, y- und z- Richtung während des Rührreibschweißprozesses mit im Rührreibschweißwerkzeug integrierten Sensoren erfasst werden, die erfassten Daten an eine Auswerteeinheit übertragen und von dieser aufbereitet werden und über eine Steuereinheit die Prozessparameter geregelt werden. 9. A method for real-time control of a friction stir welding process, characterized in that the vibra ¬ tions of a friction stir welding tool in the x, y and z direction during the friction stir welding process with sensors integrated in the friction stir welding tool are detected, transmit the acquired data to an evaluation and be processed by this and controlled by a control unit, the process parameters.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin die Bearbeitungskräfte, mit denen das Rührreib- schweißwerkzeug auf die zu schweißenden Werkstücke wirkt, und die Arbeitstemperaturen, die unmittelbar an der Schweißstelle auftreten, mit den im Rührreibschweißwerk- zeug integrierten Sensoren erfasst werden, die erfassten Daten an die Auswerteeinheit übertragen und von dieser aufbereitet werden und über die Steuereinheit als Prozessparameter geregelt werden.10. The method according to claim 9, further comprising detecting the machining forces with which the friction stir welding tool acts on the workpieces to be welded and the working temperatures which occur directly at the weld point with the sensors integrated in the friction stir welding tool, the detected data is transmitted to the evaluation unit and processed by the latter and regulated by the control unit as a process parameter.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessparameter zumindest Bearbeitungs¬ geschwindigkeit, Bearbeitungskraft und Arbeitstemperatur bestimmt und geregelt werden, wobei die Prozessparameter jeweils an die sich während des Rührreibschweißprozesses ändernden Bedingungen angepasst werden.11. The method according to claim 9 or 10, characterized in that at least processing ¬ speed, processing force and working temperature are determined and regulated as process parameters, wherein the process parameters are each adapted to the changing during the friction stir welding process conditions.
12. Anordnung zur Echtzeit-Kontrolle eines Rührreibschwei߬ prozesses gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Werkzeugmaschine mit einem Rührreibschweißwerkzeug gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, Mitteln zur telemetrischen Übertragung der erfassten Daten, einer Auswerteeinheit zu deren Aufbereitung und einer Steuereinheit zur Einstel- lung der Prozessparameter besteht. 12. An arrangement for real-time control of a friction stir welding ¬ process according to a method according to any one of claims 9 to 11, characterized in that it consists of a machine tool with a friction stir welding tool according to one of claims 1 to 8, means for telemetric transmission of the collected data, a Evaluation unit for their preparation and a control unit for setting the process parameters exists.
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