DE102005030800A1

DE102005030800A1 - Reibrühr-Werkzeug sowie Verfahren und Vorrichtung zum Reibrühren

Info

Publication number: DE102005030800A1
Application number: DE200510030800
Authority: DE
Inventors: Tommy Brunzel; Ulrike Dipl.-Ing. Henneboehle; Frank Dipl.-Ing. Palm; Jürgen Silvanus; Michael Pfeiffer
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2005-06-29
Filing date: 2005-06-29
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2025-06-30
Also published as: DE102005030800B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Reibrühr-Werkzeug sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reibrühren, insbesondere zum Verschweißen von mindestens zwei aneinanderliegenden Werkstücken. DOLLAR A Aufgabe hierbei ist es, prozesssicher eine gute Schweißqualität insbesondere beim Verbinden von Platten und dicken Werkstücken (d > 6 mm) zu gewährleisten. Daneben sollen das Werkzeug, das Verfahren sowie die Vorrichtung universell - d. h. zum Verschweißen, Reparieren, Bearbeiten und Veredeln von Werkstücken - einsetzbar sein. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird dies dadurch erzielt, dass eine Schulter (3; 3') eines Reibrühr-Werkzeuges (1) bzw. eine separate Schulter (30) einer Reibrühr-Vorrichtung, während ein rotierend antreibbarer stiftförmiger Vorsprung (4) in Kontakt mit einem Werkstückbereich oder einem Verbindungsbereich von mindestens zwei aneinanderliegenden Werkstücken (10, 11) ist, eine Drehzahl n = 0 aufweist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Reibrühr-Werkzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, welches insbesondere beim Verschweißen von Platten und dicken Werkstücken vorteilhaft ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Reibrühren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10 bzw. 17. Die Erfindung findet vor allem beim Verschweißen von zumindest zwei aneinanderliegenden Werkstücken Anwendung, aber auch beim Reparieren, Bearbeiten und Veredeln von Werkstücken.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Das Reibrührschweißen oder „Friction Stir Welding" (FSW) wird bekanntlich zunehmend in der Luft- und Raumfahrttechnik, in der Schienenverkehrstechnik sowie im Automobilbau eingesetzt. Dieses einfache, saubere und innovative Fügeverfahren zeichnet sich durch sein hohes Automatisierungspotential sowie dem Wegfall des Erfordernisses von Nieten aus, wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden und das Gewicht daraus hergestellter Strukturen reduziert wird.

Beim Reibrührschweißen, wie es beispielsweise in WO 93/10935 beschrieben ist, werden bekanntlich zwei miteinander zu verschweißende Werkstücke in Kontakt gebracht und in dieser Position gehalten. In den Verbindungsbereich der Werkstücke wird unter drehender Bewegung ein Schweißstift bzw. ein stiftförmiger Vorsprung eines entsprechenden Werkzeuges eingeführt, bis eine oberhalb des Schweißstiftes an dem Werkzeug angeordnete Schulter auf der Oberfläche der Werkstücke aufliegt. Dabei wird durch die Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstücken Reibungswärme generiert, so dass benachbarte Werkstoffbereiche im Verbindungsbereich einen plastifizierten Zustand einnehmen. Das Werkzeug wird während der rotierende Schweißstift in Kontakt mit dem Verbindungsbereich steht, entlang der Verbindungslinie der Werkstücke vorwärts bewegt, so dass der sich um den Schweißstift befindende Werkstoff plastifiziert und anschließend konsolidiert. Bevor das Material völlig erhärtet, wird der Schweißstift aus dem Verbindungsbereich bzw. den Werkstücken entfernt.

Materialien, wie beispielsweise Metalle, deren Legierungen, Metallverbundmaterialien (sogenannte MCCs) oder geeignete Kunststoffmaterialien können auf diese Weise als Stumpfstoß-, Überlappstoß- oder T-Stoß-Verbindung verschweißt werden. Selbstverständlich können auch Punktverbindungen erzeugt werden, wobei eine vorwärts Bewegung des rotierend mit dem Verbindungsbereich in Kontakt stehenden Schweißstiftes bzw. eine translatorische Relativbewegung zwischen rotierendem Schweißstift und Werkstücken selbstverständlich nicht erfolgt.

Die Technik des Reibrührens (engl. „Friction Stir Processing") findet aber auch beim Reparieren, Bearbeiten und Veredeln von Werkstücken Anwendung. Dabei wird, wie oben beschrieben, ein stiftförmiger Vorsprung unter drehender Bewegung in zumindest ein Werkstück eingeführt (d.h. es wird im Vollen geschweißt), um das Werkstückmaterial wenigstens im Kontaktbereich des Schweißstiftes zu modifizieren. Zu Reparaturzwecke wird der rotierende Schweißstift beispielsweise in einen Riss eines Werkstückes eingeführt Von Nachteil ist bisher insbesondere, dass das Verbinden von Platten oder dicken Werkstücken mittels Reibrühren problematisch ist, da sich eine ungünstige Temperaturverteilung über den Querschnitt der zu verbindenden Werkstücke einstellt. Beim konventionellen Reibrührschweißen mit einem bekannten Werkzeug, das an seinem antriebsabgewandten Ende eine rotierbare Schulter sowie einen rotierbaren Schweißstift aufweist, erfolgt die Erwärmung bzw. Temperaturerhöhung vorwiegend durch Reibwärmegenerierung der drehenden Schulter auf der Werkstückoberfläche. Der Schweißstift steuert wegen seiner demgegenüber geringen Oberfläche und der geringen Umfangsgeschwindigkeit bei Rotation nur einen geringen Teil der Wärme bei. Diese Konstellation führt dazu, dass die Werkstückoberfläche an der Schulterkontaktseite zur Überhitzung neigt, und im unteren Bereich der Schweißverbindung – dem sogenannten Wurzelbereich – besteht eine Neigung zur Kaltverschweißung sowie zur Bildung von Verdichtungsfehlern, so dass die Prozesssicherheit nicht gewährleistet ist und die Schweißverbindung nicht mit ausreichend guter Qualität herstellbar ist. Dies ist umso ausgeprägter, je dicker die zu verschweißenden Werkstücke sind, und je geringer deren Leitfähigkeit ist. Zudem treten in der Regel große Eigenspannungen auf, was zu einem unerwünschten Verzug des verschweißten Bauteils führt.

Aus der Druckschrift US 5,718,366 ist zum Beispiel ein Reibrührschweiß-Werkzeug mit in axialer Richtung verschiebbarem Schweißstift bekannt, mit dem Werkstücke variabler Dicke miteinander verschweißt werden können.

Daneben sind Vorrichtungen und Reibrührschweiß-Werkzeuge bekannt, bei denen Schulter und Schweißstift getrennt voneinander angetrieben und folglich mit unterschiedlicher Drehzahl bzw. Rotationsgeschwindigkeit betrieben werden können ( DE 199 57 136 C1 oder WO 01/28732 A1). Dies erfordert in der Regel jedoch eine aufwändige Steuerung und Anlagentechnik.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren adressieren jedoch nicht das Problem, auch Platten und dicke Werkstücke mittels Reibrühren mit zufriedenstellender Qualität zu verschweißen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Reibrühr-Werkzeug sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reibrühren zu schaffen, wodurch insbesondere Platten und dicke Werkstücke mit hoher Prozesssicherheit zuverlässig und mit hoher Qualität verschweißt werden können. Das Reibrühr-Werkzeug sowie eine entsprechende Vorrichtung sollen zudem einen einfachen, kompakten Aufbau aufweisen, so dass auf eine komplizierte und komplexe Anlagentechnik und Steuerung verzichtet werden kann. Das Reibrühr-Verfahren soll sicherstellen, dass ein verschweißen von Werkstücken mit möglichst geringem Verzug möglich ist. Daneben soll das Werkzeug, das Verfahren sowie die Vorrichtung universell – d.h. zum Verschweißen, Reparieren, Bearbeiten und Veredeln von Werkstücken – einsetzbar sein.

Sofern in der vorliegenden Erfindung von „dicken" Werkstücken gesprochen wird, sind hierunter Werkstücke zu verstehen, die eine Dicke von größer 6 mm aufweisen.

Die oben genannte Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung durch ein Reibrühr-Werkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Das Reibrühr-Werkzeug umfasst einen rotierend antreibbaren Werkzeugkörper, an dessen antriebsabgewandtem Ende eine Schulter vorgesehen ist, von der sich in Richtung antriebsabgewandtem Ende des Werkzeugkörpers ein rotierbarer, stiftförmiger Vorsprung erstreckt, der einen kleineren Durchmesser als die Schulter aufweist, und zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die Schulter derart ausgebildet ist, dass sie bei Rotation des stiftförmigen Vorsprungs eine Drehzahl n = 0 aufweist.

Der zentrale Gedanke der Erfindung besteht folglich darin, ein Reibrühr-Werkzeug derart auszubilden, dass Schweißstift und Schulter voneinander entkoppelt sind, so dass bei Rotation des Schweißstiftes die Schulter eben gerade keine Drehbewegung ausführt, sondern bezüglich der zu verbindenden oder zu bearbeitenden Werkstücke im Sinne einer Rotation still bzw. fest steht. Dies schließt jedoch eine Verschiebbarkeit der Schulter in axialer Richtung des Werkzeuges nicht aus. Die Schulter definiert dabei einen Bereich des Reibrührwerkzeuges mit größerem Durchmesser als der Schweißstift und gewährleistet, dass ab einer gewissen Eindringtiefe des Schweißstiftes die Schulter auf der Werkstückoberfläche kraft- und formschlüssig aufliegt, um die erforderliche Druckkraft auf die Werkstückoberfläche aufzubringen und ein Entweichen plasifizierten Materials zu verhindern.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schulter mittels einer geeigneten Lagerung von dem Werkzeugkörper bzw. von einer den stiftförmigen Vorsprung antreibenden Spindelrotation befreit und trägt so bewusst keine zusätzliche Reibungswärme zum Schweißprozess bei, ist jedoch in der Lage, die notwendige Vertikalkraft auf die zu verbindenden Werkstücke zu übertragen. Die Schulter ist bevorzugt mittels Wälzlager an dem Werkzeugkörper gelagert. Derartige Wälzlager sind beispielsweise Kugel-, Tonnen-, Nadellager oder dergleichen. Alternativ können auch hydrostatische oder hydrodynamische Gleitlager zur Lagerung der Schulter verwendet werden, um nur einige weitere Beispiele zu nennen.

Vorteilhafterweise ist die Schulter als Formteil ausgebildet, welches auf der in Richtung stiftförmigen Vorsprung weisenden Seite des Lagers angeordnet ist. Das Formteil, das zum Beispiel ein blechförmiges Element (z.B. ein Stahlblech mit einer Dicke von typischerweise 2 bis 5 mm) oder ein Gussbauteile ist, kann hierzu mit einer Bohrung zum Durchführen des stiftförmigen Vorsprungs versehen sein, und von unten (d.h. aus Richtung des stiftförmigen Vorsprungs) auf das Lager aufgeschoben werden. Dabei ist darauf zu achten, dass der Bereich zwischen Formteil und stiftförmigem Vorsprung möglichst dicht ausgebildet ist, um ein Entweichen plastifizierten Materials in axialer Richtung des Reibrühr-Werkzeuges zu verhindern.

Ferner ist es von Vorteil, dass der Randbereich des Formteils derart abgewinkelt ist, dass es das Lager zumindest teilweise umgibt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Formteil sowohl die Seitenbereiche des Lagers als auch die in Richtung Werkzeugantrieb weisende Oberfläche des Lagers zumindest teilweise umschließt. Auf diese Weise wird sicher gestellt, dass beim Entfernen des Werkzeuges bzw. des stiftförmigen Vorsprungs aus dem Werkstück- bzw. Verbindungsbereich die Schulter nicht in axialer Richtung des Werkzeuges verrutscht bzw. verschoben wird. Gleichzeitig wird dadurch einem Anhaften der Schulter an der Oberfläche der verschweißten oder bearbeiteten Werkstücke entgegengewirkt.

Zweckmäßigerweise ist das Formteil zumindest auf seiner in Richtung Vorsprung weisenden Seite mit einem reibungsmindernden Material versehen. Hierzu kann beispielsweise das Material „CC Aluspeed^®" der Firma Cemecon als Beschichtung aufgebracht werden. Dadurch wird die Reibung zwischen Formteil und Werkstückoberfläche zusätzlich vermindert, was der Funktion eines Gleitschuhs entspricht.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird die Schulter durch die in Richtung Vorsprung weisende Seite eines entsprechenden am Werkzeugkörper angeordneten Lagers (z.B. Gleit- oder Wälzlager) gebildet. Dies stellt eine besonders einfache Ausgestaltung dar, da auf ein zusätzliches Element (z.B. auf das Formteil) verzichtet werden kann.

Auch bei dieser alternativen Ausführungsform ist es zweckmäßig, die in Richtung Vorsprung weisende Seite des Lagers mit einem reibungsmindernden Material der zuvor genannten Art zu beschichten, um wiederum die Reibung zwischen Schulter und Werkstückoberfläche zu reduzieren.

Zweckmäßigerweise ist der stiftförmige Vorsprung einstückig mit dem Werkzeugkörper ausgebildet, wodurch sich ein sehr einfacher Aufbau ergibt und die Anlagentechnik zum Antreiben des Werkzeuges bzw. des stiftförmigen Vorsprungs extrem einfach ist, da im wesentlichen lediglich eine anzutreibende Spindel erforderlich ist. Dabei ist das Reibrühr-Werkzeug üblicherweise rotationssymmetrisch ausgebildet.

Durch das erfindungsgemäße Reibrühr-Werkzeug wird sichergestellt, dass das schulternahe Werkstück-Material nicht überhitzt wird. So wird beim Verschweißen von Werkstücken sichergestellt, dass der sonst zur Kaltverschweißung neigende Wurzelbereich der Schweißverbindung dank der im Vergleich zu bekannten Reibrührschweiß-Werkzeugen höher wählbaren Schweißstift-Drehzahl sicher und mit hoher Qualität verschweißt. Es wird eine gleichmäßige Temperaturverteilung über den gesamten Querschnitt der Werkstücke erzielt, was Vorraussetzung für eine hochqualitative Schweißverbindung ist.

Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Werkzeug in analoger Weise auch zur Reparatur, Bearbeitung und Veredelungen von Werkstücken eingesetzt werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende technische Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.

Das erfindungsgemäße Reibrührverfahren, wobei ein rotierend angetriebener stiftförmiger Vorsprung in einen Werkstückbereich oder in einen Verbindungsbereich von zumindest zwei aneinanderliegenden Werkstücken unter rotierender Bewegung eingeführt wird und bei seiner Rotation in Kontakt mit dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich diesen wenigstens im Kontaktbereich unter zumindest zeitweiser Druckbeaufschlagung durch Einwirken einer Schulter plastifiziert, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter während der rotierend angetriebene stiftförmige Vorsprung in Kontakt mit dem Werkstückbereich oder dem Verbindungsbereich ist, eine Drehzahl n = 0 aufweist.

Wesentlich ist wiederum, dass während der rotierend angetriebene stiftförmige Vorsprung in Kontakt mit dem Werkstoff- oder Verbindungsbereich ist, die Schulter keine Drehbewegung ausführt, so dass durch die Schulter keine zusätzliche Reibwärme an der Werkstückoberfläche generiert wird. Damit wird der Wärmeeintrag durch Reibwärmegenerierung an der Oberfläche der Werkstücke deutlich reduziert, wodurch ein sogenanntes wärmearmes Fügen möglich ist. Die zusätzliche Erwärmung an der Werkstückoberfläche entfällt, so dass hier die Wärmebelastung gering ist und gleichzeitig eine homogene Wärmebelastung über die gesamte Eindringtiefe des Schweißstiftes gewährleistet ist. Gleichzeitig entfestigen die Werkstück-Legierungen weniger, weil sich die Wärmeeinflusszone weniger stark ausbildet. Ein weiterer positiver Effekt ist, dass die Eigenspannungen vermindert werden, so dass das Verzugsrisiko geringer und ein auftretender Verzug besser handzuhaben ist.

Die in Richtung stiftförmigen Vorsprung weisende Oberfläche der Werkstücke wird zu gegebenem Zeitpunkt durch Einwirken der Schulter mit dem erforderlichen Druck beaufschlagt, der vorteilhafterweise im Vergleich zu bisherigen Verfahren um einen Faktor 2 bis 3 reduziert ist und typischerweise zwischen 1 und 200 kN liegt. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren mit verminderter Prozesskraft durchgeführt werden, was wiederum eine vereinfachte Anlagentechnik zur Folge hat. Darüber hinaus reduziert sich die prozessbedingte Veränderung der Eigenspannungszustände der geschweißten, reparierten, bearbeiteten bzw. umgewandelten Werkstücke.

Dass durch die nicht rotierende Schulter keine zusätzliche Reibung hervorgerufen wird, bewirkt zudem dass der Prozess mit einer höheren Drehzahl bzw. Rotationsgeschwindigkeit des Schweißstiftes als bisher durchgeführt werden kann. Die Drehzahl kann im Vergleich zu bisher um einen Faktor 3 bis 4 erhöht werden und liegt typischerweise zwischen 200 und 5000 Umdrehungen pro Minute.

Besonders bevorzugt wird bei dem Verfahren ein erfindungsgemäßes Reibrühr-Werkzeug verwendet.

Alternativ kann die Schulter separat bzw. unabhängig von dem rotierend angetriebenen stiftförmigen Vorsprung bereitgestellt werden. Dies ermöglicht u.a. die Verwendung von anderen FSW-Werkzeugtypen, die beispielsweise keine Schulter aufweisen

Das erfindungsgemäße Verfahren kommt insbesondere beim Verschweißen von zumindest zwei aneinanderliegenden Werkstücken in Stumpfstoß-, Überlappstoß- oder T-Stoß-Verbindung zum Einsatz.

Beim Erzeugen von derartigen Stumpfstoß-, Überlappstoß- oder T-Stoß-Verbindung wird der rotierend in Kontakt mit dem Verbindungsbereich stehenden stiftförmigen Vorsprung relativ zu den aneinanderliegenden Werkstücken entlang der Verbindungslinie der aneinanderliegenden Werkstücke bewegt wird. Diese translatorische Relativbewegung zwischen Schweißstift und zu verschweißenden Werkstücken kann natürlich auch dadurch erfolgen, dass die Werkstücke bezüglich des stiftförmigen Vorsprungs entlang der Verbindungslinie verschoben werden.

Selbstverständlich ist eine derartige Relativbewegung zwischen rotierendem stiftförmigen Vorsprung und Werkstücken bei einem punktförmigen Verschweißen nicht erforderlich.

Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Reparatur, Bearbeitung oder Veredelung von Werkstücken verwendet werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst.

Die Reibrühr-Vorrichtung umfasst einen rotierend antreibbaren stiftförmigen Vorsprung, welcher in einen Werkstückbereich oder in einen Verbindungsbereich von zumindest zwei aneinanderliegenden Werkstücken unter rotierender Bewegung einführbar ist und bei seiner Rotation in Kontakt mit dem Werkstückbereich oder dem Verbindungsbereich diesen wenigstens im Kontaktbereich plastifiziert, wobei ferner eine Schulter zur Druckbeaufschlagung des Werkstückbereiches oder des Verbindungsbereiches vorgesehen ist, die einen größeren Durchmesser als der stiftförmige Vorsprung aufweist, und zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die Schulter derart ausgebildet ist, dass sie während der rotierend antreibbare stiftförmige Vorsprung in Kontakt mit dem Werkstückbereich oder dem Verbindungsbereich ist, eine Drehzahl n = 0 aufweist.

Typischerweise ist dabei die in Richtung stiftförmigen Vorsprung weisende Oberfläche des Werkstück- oder Verbindungsbereiches durch Einwirken der Schulter mit Druck beaufschlagbar.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Schulter und der rotierend antreibbare stiftförmige Vorsprung Teil eines Reibrühr-Werkzeuges. Dies ermöglicht eine einfache Modifikation der Vorrichtung, beispielsweise durch Austauschen eines entsprechend ausgestalteten Werkzeuges.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die Schulter unabhängig von dem stiftförmigen Vorsprung angeordnet. In diesem Fall kann beispielweise ein FSW-Werkzeug ohne Schulter verwendet werden. Gleichzeitig ist jedoch eine separate, von dem Werkzeug unabhängige Schulter erforderlich, die beispielsweise an einem anderen Maschinenteil (z.B. dem Spindelantrieb) befestigt ist.

Dabei kann die separat vorgesehene Schulter in axialer Richtung des stiftförmigen Vorsprungs verschiebbar ausgebildet sein, so dass die auf den Werkstückbereich oder den Verbindungsbereich wirkende Druckkraft durch axiales Verschieben der separaten Schulter bewirkt wird.

Alternativ kann die separate Schulter in axialer Richtung feststehend ausgebildet sein, so dass die Schulter in axialer Richtung nicht verschiebbar ist. In diesem Fall sind jedoch zusätzlich Mittel zu Aufnahme und axialen Verschiebung der Werkstücke erforderlich, so dass die Druckbeaufschlagung des Werkstück- oder Verbindungsbereichs durch axiales Verschieben der Werkstücke in Richtung Schulter erfolgt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachfolgend wird die Erfindung sowie weitere Details und Vorteile unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen exemplarisch erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische, zweidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen Reibrühr-Werkzeuges;
2 eine schematische, zweidimensionale Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
3 ein Schliffbild einer erfindungsgemäß hergestellten Schweißverbindung an einer AlMg5-Aluminiumlegierung mit einer Dicke von 15 mm.
In den Figuren sind gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern bezeichnet.
BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
1 zeigt in schematischer, zweidimensionaler Darstellung ein Reibrühr-Werkzeug 1, mit dem zwei aneinanderliegende Werkstücke 10 und 11 verschweißt werden sollen. Die Werkstücke 10, 11 sind in 1 in Stumpfstoß aneinanderliegend angeordnet. Selbstverständlich können die Werkstücke 10, 11 auch überlappend oder in T-Stoß-Verbindung miteinander verschweißt werden, was nachfolgend zwar nicht in Einzelheiten beschrieben wird, sich aber sinngemäß aus der nachfolgenden Beschreibung erschließt, so dass die Erfindung nicht auf die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist.
Das in 1 dargestellte Reibrühr-Werkzeug 1 ist drehsymmetrisch ausgebildet und umfasst einen Werkzeugkörper 2, der am oberen, d.h. am antriebszugewandten Ende typischerweise in Form eines Lagerschaftes ausgebildet ist, um in einer Werkzeugaufnahme einer in 1 nicht dargestellten Antriebseinrichtung (z.B. Drehmotor) aufgenommen zu werden. Am antriebsabgewandten Ende des Werkzeugkörpers 2 ist eine Schulter 3 vorgesehen, von der sich in Richtung antriebsabgewandtem Ende des Werkzeugkörpers 2 ein rotierbarer, stiftförmiger Vorsprung 4 erstreckt. Der stiftförmige Vorsprung 4 weist einen kleineren Durchmesser als die Schulter 3 auf.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform ist der stiftförmige Vorsprung 4 einstückig mit dem Werkzeugkörper 2 ausgebildet, was eine besonders einfache Anordnung darstellt, da lediglich ein Antriebsmechanismus zur Rotation des Werkzeugkörpers 2 und damit des stiftförmigen Vorsprungs 4 erforderlich ist. Die Drehachse des Reibrührschweiß-Werkzeuges 1 ist in 1 durch die strichpunktierte Linie dargestellt.
Alternativ kann der Werkzeugkörper 2 einen Mechanismus (nicht dargestellt) zur Aufnahme des Schweißstiftes 4 aufweisen, so dass ein Auswechseln oder Verschieben des Schweißstiftes 4 entlang der Drehachse (d.h. in axialer Richtung) leicht möglich ist.
Unabhängig davon, ob der stiftförmige Vorsprung 4 einstückig mit dem Werkzeugkörper 2 oder austauschbar ausgebildet ist, ist die Schulter 3 vorzugsweise mittels Wälzlager 5 an dem Werkzeugkörper 2 angeordnet. Derartige Wälzlager 5 können beispielsweise Kugel-, Tonnen- oder Nadellager sein. Das in 1 dargestellte Wälzlager 5 weist eine untere, in Richtung Schulter 3 weisende Lagerschale, sowie eine obere, d.h. eine in Richtung antriebszugewandtem Ende des Werkzeugkörpers 2 weisende Lagerschale auf. Durch die Lagerung der Schulter 3 wird gewährleistet, dass bei Rotation des Schweißstiftes 4 bzw. des Werkzeugkörpers 2 die Schulter 3 keine Rotationsbewegung ausführt und damit eine Drehzahl n = 0 aufweist. Auf diese Weise wird die Schulter 3 von der den Schweißstift 4 antreibenden Rotation befreit bzw. entkoppelt.
Anstelle der Lagerung mittels Wälzlager können auch hydrostatische oder hydrodynamische Gleitlager verwendet werden. Die Funktion der Lagerung ist jedoch die selbe.
In 1 ist die Schulter 3 als Formteil ausgebildet. Derartige Formteile können blechförmige Elemente (z.B. Stahlbleche), Gussteile oder dergleichen sein, die vorteilhafterweise auf ihrer in Richtung Schweißstift 4 weisenden Seite mit einer reibungsmindernden Beschichtung versehen sind, um die Reibung zwischen der Schulter 3 und der Oberfläche der Werkstücke 10, 11 zusätzlich zu vermindern. Hierzu kann beispielsweise das Material CC Aluspeed^® der Firma Cemecon verwendet werden. Wie in 1 sehen ist, ist der Randbereich des Formteils in axialer Richtung des Reibrühr-Werkzeuges 1 weisend abgewinkelt und liegt an den Seitenbereichen der unteren Lagerschale an. Um ein Anhaften der Schulter 3 an den verschweißten Werkstücken 10, 11 bzw. ein Verschieben der Schulter 3 in axialer Richtung zu vermeiden, kann das Formteil das Wälzlager 5 auch bis zu dessen in Richtung antriebszugewandtem Ende weisenden Seite umgeben, was in 1 durch gestrichelten Linien angedeutet ist.
Bei der Ausgestaltung des Formteils ist darauf zu achten, dass eine gute Abdichtung zwischen Schulter 3 und Schweißstift 4 gewährleistet ist, so dass plastifizierter Werkstoff nicht in axialer Richtung, d.h. in Richtung antriebszugewandtem Ende des Werkzeugkörpers 2, entweichen kann. Dies kann beispielweise durch eine im Formteil angeordnete Bohrung erzielt werden, die an den Durchmesser des Schweißstiftes 4 angepasst ist. Das Formteil kann zum Beispiel von unter über den Schweißstift 4 auf das Lager 5 aufgeschoben werden.
Zum Verschweißen der aneinanderliegenden Werkstücke 10, 11 wird der stiftförmige Vorsprung 4 bekanntlich unter drehender Bewegung in den Verbindungsbereich der Werkstoffe 10, 11 eingeführt und entlang der Verbindungslinie der Werkstücke 10, 11 vorwärts bewegt. Aufgrund der Lagerung der Schulter 3 dreht sich dabei die Schulter 3 jedoch nicht. Folglich wird durch die Schulter 3 keine zusätzliche Reibungswärme generiert, sondern es wird lediglich gewährleistet, dass durch die Schulter 3 zu gegebenem Zeitpunkt der erforderliche Druck auf das im Verbindungsbereich zu plastifizierende Material ausgeübt wird. Dadurch, dass die Schulter 3 während des Reibrührschweißprozesses in rotierendem Sinn „fest steht", ist sowohl eine höhere Drehzahl des Schweißstiftes 4 als auch eine Verminderung der durch die Schulter 3 vermittelte Prozesskraft möglich, wobei letzteres insbesondere zu einer Vereinfachung der Anlagentechnik führt. Ersteres hat wiederum zur Folge, dass während des Reibrührschweißprozesses eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte Dicke bzw. den gesamten Querschnitt der Werkstücke 10, 11 gewährleistet ist, so dass diese prozesssicher und mit hoher Qualität verschweißt werden können. Die durch die Schulter 3 ansonsten hervorgerufene Reibwärmegenerierung an der Oberfläche der Werkstücke 10, 11 ist deutlich reduziert, wodurch eine Überhitzung an der Oberfläche wirksam verhindert wird.
Gemäß einer alternativen Ausbildung des erfindungsgemäßen Reibrühr-Werkzeuges 1 kann auf das Formteil verzichtet werden. Dann dient die in Richtung Schweißstift 4 weisende Seite des Lagers 5 als Schulter, was in 1 mit der Bezugsziffer 3' zum Ausdruck kommen soll. Dies stellt auf Grund der reduzieren Komponenten eine besonders einfache Ausgestaltung dar. Die Funktion und Wirkungsweise der Schulter 3' ist dieselbe, wie bei der voranstehend beschriebenen, als Formteil ausgebildete Schulter 3.
Das Reibrühr-Werkzeug 1 kann modular aus den einzelnen Komponenten – Werkzeugkörper 2, Lager 5 und Schulter 3 – bzw. – Werkzeugkörper 2 und Lager 5 – zusammengesetzt werden.
2 zeigt eine schematische, zweidimensionale Darstellung einer erfindungsgemäßen Reibrühr-Vorrichtung, bei der Schweißstift und Schulter voneinander unabhängig sind. Hierbei kommt beispielsweise ein modifiziertes Reibrührschweiß-Werkzeug 1' ohne Schulter zum Einsatz, an dessen antriebsabgewandtem Ende lediglich ein rotierend antreibbarer stiftförmiger Vorsprung 4 vorgesehen ist, und das mittels Antriebseinheit 6 rotierend angetrieben wird. Zudem ist eine separate Schulter 30 vorgesehen, die beispielsweise eine zylindrische Form mit geeigneter Durchführung 7 für Schweißstift 4 bzw. Werkzeug 1' aufweist. Diese separate Schulter 30 ist bei der Ausführungsform gemäß 2 an der Antriebseinheit 6 befestigt. Es sind aber eine Reihe alternativer Befestigungsmöglichkeiten denkbar.
Die Schulter 30 in 2 erfüllt die identische Funktion wie bei dem im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Reibrühr-Werkzeug 1. Während der rotierende stiftförmige Vorsprung 4 in Kontakt mit dem Verbindungsbereich der Werkstücke 10, 11 ist (s. 2), führt die Schulter 30 keine Drehbewegung aus. Die Schulter 30 kann allerdings axial verschiebbar angeordnet sein, um den Zeitpunkt und Betrag der Druckbeaufschlagung auf die Oberfläche der Werkstücke 10, 11 kontrolliert einstellen zu können. Selbstverständlich ist es auch möglich, die separate Schulter 30 in axialer Richtung feststehend auszubilden. Dann sind jedoch geeignete Mittel erforderlich, die zur Aufnahme der zu verschweißenden Werkstücke 10, 11 sowie deren axialer Verschiebung dienen. Diese Mittel sind in 2 nicht dargestellt, können aber beispielsweise durch einen höhenverstellbaren Tisch realisiert werden, durch dessen Bewegung die Werkstücke 10, 11 gegen die Schulter 30 gedrückt werden, um so den Verbindungsbereich mit dem erforderlichen Druck zu beaufschlagen.
3 zeigt ein Schliffbild einer erfindungsgemäß hergestellten Schweißverbindung. Es wurde ein Reibrühr-Werkzeug gemäß 1 verwendet, bei dem der stiftförmige Vorsprung einen Durchmesser von ca. 10 mm und die Schulter einen Durchmesser von ca. 35 mm aufwies. Die Schweißprobe bestand aus zwei jeweils 15 mm dicken AlMg5-Blechen, die in Form einer Stumpfstoßverbindung miteinander verschweißt wurden. Dem mittels Auflichtmikroskopie-Verfahren aufgenommenem Schliffbild ist zu entnehmen, dass die Schweißverbindung eine hohe Qualität über die gesamte Dicke der Schweißprobe aufweist.
Die voranstehend beschriebene Erfindung kann selbstverständlich auch zum Herstellen von Punktschweißverbindungen eingesetzt werden, wobei lediglich geringfügige Modifikationen erforderlich sind. Insbesondere entfällt dabei die Vorwärtsbewegung des rotierend in Kontakt mit dem Verbindungsbereich stehenden Schweißstiftes.
Daneben kann das erfindungsgemäße Werkzeug sowie das Verfahren und die Vorrichtung zur Reparatur, Bearbeitung und Veredelungen von Werkstücken eingesetzt werden, wobei in analoger Weise ein Schweißstift unter drehender Bewegung in entsprechende Werkstückbereiche eingeführt wird.

1: Reibrühr-Werkzeug
1': modifiziertes Reibrühr-Werkzeug
2: Werkzeugkörper
3: Schulter
3': Schulter
4: stiftförmiger Vorsprung/Schweißstift
5: Lager
6: Antriebseinheit
7: Durchführung
10: Werkstück
11: Werkstück
30: separate Schulter

Claims

Reibrühr-Werkzeug (1), umfassend einen rotierend antreibbaren Werkzeugkörper (2) an dessen antriebsabgewandtem Ende eine Schulter (3; 3') vorgesehen ist, von der sich in Richtung antriebsabgewandtem Ende des Werkzeugkörpers (2) ein rotierbarer, stiftförmiger Vorsprung (4) erstreckt, der einen kleineren Durchmesser als die Schulter (3; 3') aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (3; 3') derart ausgebildet ist, dass sie bei Rotation des stiftförmigen Vorsprungs (4) eine Drehzahl n = 0 aufweist.
Reibrühr-Werkzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (3) mittels Gleit- oder Wälzlager (5) an dem Werkzeugkörper (2) gelagert ist.
Reibrühr-Werkzeug (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (3) ein Formteil ist, welches auf der in Richtung Vorsprung (4) weisenden Seite des Gleit- oder Wälzlagers (5) angeordnet ist.
Reibrühr-Werkzeug (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das der Randbereich des Formteils derart abgewinkelt ist, dass es das Gleit- oder Wälzlager (5) zumindest teilweise umgibt.
Reibrühr-Werkzeug (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil zumindest auf seiner in Richtung Vorsprung (4) weisenden Seite mit einem reibungsmindernden Material versehen ist.
Reibrühr-Werkzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Werkzeugkörper (2) ein Gleit- oder Wälzlager (5) angeordnet ist, dessen in Richtung Vorsprung (4) weisende Seite die Schulter (3') bildet.
Reibrühr-Werkzeug (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in Richtung Vorsprung (4) weisende Seite des Gleit- oder Wälzlagers (5) mit einem reibungsmindernden Material versehen ist.
Reibrühr-Werkzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der stiftförmige Vorsprung (4) einstückig mit dem Werkzeugkörper (2) ausgebildet ist.
Reibrühr-Werkzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
Verfahren zum Reibrühren, wobei ein rotierend angetriebener stiftförmiger Vorsprung (4) in einen Werkstückbereich oder in einen Verbindungsbereich von zumindest zwei aneinanderliegenden Werkstücken (10, 11) unter rotierender Bewegung eingeführt wird und bei seiner Rotation in Kontakt mit dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich diesen wenigstens im Kontaktbereich unter zumindest zeitweiser Druckbeaufschlagung durch Einwirken einer Schulter (3; 3'; 30) plastifiziert, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (3; 3'; 30) während der rotierend angetriebene stiftförmige Vorsprung (4) in Kontakt mit dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich ist, eine Drehzahl n = 0 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die in Richtung Vorsprung (4) weisende Oberfläche des Werkstückbereiches oder Verbindungsbereiches durch Einwirken der Schulter (3; 3'; 30) mit Druck beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reibrühr-Werkzeug (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine separate Schulter (30) verwendet wird, die unabhängig von dem rotierend angetriebenen stiftförmigen Vorsprung (4) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die aneinanderliegenden Werkstücke (10, 11) in Stumpfstoß-, Überlappstoß- oder T-Stoß-Verbindung miteinander verschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der rotierend in Kontakt mit dem Verbindungsbereich stehende stiftförmige Vorsprung (4) relativ zu den aneinanderliegenden Werkstücken (10, 11) entlang der Verbindungslinie der aneinanderliegenden Werkstücke (10, 11) bewegt wird, oder umgekehrt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13 zum Reparieren, Bearbeiten oder Veredeln eines Werkstücks.
Vorrichtung zum Reibrühren, umfassend einen rotierend antreibbaren stiftförmigen Vorsprung (4), welcher in einen Werkstückbereich oder in einen Verbindungsbereich von zumindest zwei aneinaderliegenden Werkstücken (10, 11) unter rotierender Bewegung einführbar ist und bei seiner Rotation in Kontakt mit dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich diesen wenigstens im Kontaktbereich plastifiziert, wobei ferner eine Schulter (3; 3'; 30) zur Druckbeaufschlagung des Werkstückbereiches oder Verbindungsbereiches vorgesehen ist, die einen größeren Durchmesser als der stiftförmige Vorsprung (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (3; 3'; 30) derart ausgebildet ist, dass sie während der rotierend antreibbare stiftförmige Vorsprung (4) in Kontakt mit dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich ist, eine Drehzahl n = 0 aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die in Richtung Vorsprung (4) weisende Oberfläche des Werkstückbereiches oder Verbindungsbereiches durch Einwirken der Schulter (3; 3'; 30) mit Druck beaufschlagbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (3; 3') und der rotierend antreibbare stiftförmige Vorsprung (4) Teil eines Reibrühr-Werkzeuges (1) sind.
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine separate Schulter (30) vorgesehen ist, die unabhängig von dem stiftförmigen Vorsprung (4) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die separate Schulter (30) in axialer Richtung des rotierend antreibbaren stiftförmigen Vorsprungs (4) verschiebbar ausgebildet.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die separate Schulter (30) in axialer Richtung des rotierend antreibbaren stiftförmigen Vorsprungs (4) fest stehend ausgebildet, wobei ferner Mittel zu Aufnahme und axialen Verschiebung von Werkstücken vorgesehen sind.
Verwendung des Reibrühr-Werkzeuges nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Verschweißen zumindest zwei aneinanderliegender Werkstücke (10, 11).
Verwendung des Reibrühr-Werkzeuges nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Reparatur, Bearbeitung oder Veredelung von Werkstücken.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22 zum Verschweißen zumindest zwei aneinanderliegender Werkstücke (10, 11).
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22 zur Reparatur, Bearbeitung oder Veredelung von Werkstücken.