DE102005032170A1

DE102005032170A1 - Rührreibschweißwerkzeug und Verfahren und Anordnung zur online-Kontrolle eines Rührreibschweißprozesses

Info

Publication number: DE102005032170A1
Application number: DE200510032170
Authority: DE
Inventors: Jean Pierre Dr. Ing. Bergmann; Johannes Prof. Dr. Ing. habil. Wilden; Frank Dipl.-Ing. Barthelmä; Bernd Dipl.-Ing. Aschenbach
Original assignee: FERTIGUNGSTECHNIK und ENTWICKL; Gesellschaft fur Fertigungstechnik und Entwicklung Ev; Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: FERTIGUNGSTECHNIK und ENTWICKL; Gesellschaft fur Fertigungstechnik und Entwicklung Ev; Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2005-07-09
Filing date: 2005-07-09
Publication date: 2007-01-11
Also published as: WO2007006669A1; EP1901875A1

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung soll ein kompaktes, universell einsetzbares Rührreibschweißwerkzeug sowie ein Verfahren und eine Anordnung zur online-Kontrolle eines Rührreibschweißprozesses bereitgestellt werden, so dass in seinem Ergebnis ohne notwendige Nachbearbeitung eine qualitätsgerechte Fügenaht entsteht, wobei die Belastungen der Rührreibschweißanlage minimiert werden. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Schwingungen eines Rührreibschweißwerkzeuges in x-, y- und z-Richtung, die vom Rührreibschweißwerkzeug aus wirkenden Bearbeitungskräfte und die Arbeitstemperaturen, die unmittelbar an der Schweißstelle auftreten, während des Rührreibschweißprozesses mit geeigneten Sensoren erfasst werden, die erfassten Daten telemetrisch an eine Auswerteeinheit übertragen und von dieser rechnergestützt aufbereitet werden und über eine Steuereinheit die Prozessparameter Bearbeitungsgeschwindigkeit, Bearbeitungskraft und Arbeitstemperatur geregelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rührreibschweißwerkzeug und ein Verfahren und eine Anordnung zur online-Kontrolle eines Rührreibschweißprozesses.

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.

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 Fügetemperaturen 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 Werkstückoberfläche 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 plastifizierte Material durch den Stift im Inneren der Naht verrührt und an seine Rückseite transportiert [1].

Jedoch stellen die beim Rührreibschweißen auftretenden Kräfte besondere Anforderungen an die verwendeten Werzeugmaschinen und Anlagen. Diese müssen ausreichend steif sein, da auftretende Schwingungen während des Rührreibschweißprozesses zu einer unregelmäßigen Nahtausbildung führen und die Prozesssicherheit sowie seine Reproduzierbarkeit dadurch stark beeinflusst werden.

In [2] wird als Grund für die mangelnde Reproduzierbarkeit die Überbelastung 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 unzureichenden Steifigkeit der Maschine kommt es während des Prozessesablaufes zum „Rucken". Daneben bewirken die im Bearbeitungsprozess auftretenden Axialkräfte von bis zu 30 kN eine Lebensdauerreduzierung der Werkzeugrührbolzen und der Wälzlager der Schweißanlage.

All 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 online-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 [3] 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 F_x, F_y und F_z und kann zur Überwachung der Eintauchtiefe bei Prozessbeginn eingesetzt werden.

In [4] 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 Verarbeitungs-Algorithmus aus diesen auf diese Weise gewonnenen Signale sicher abgeleitet werden. Das Monitoring durch Schallkörperemissionen wird jedoch durch die in einer Fertigungshalle auftretenden Nebengeräusche stark beeinträchtigt.

Die im Stand der Technik zur Verfügung stehenden Prozesskontrollsysteme eignen sich daher für die Einzelfertigung auf CNC-Universalmaschinen sowie für die Serienfertigung nur bedingt. Insbesondere liefert die häufig eingesetzte Kraftmessmethode keine verwertbare Aussage über den Werkzeugverschleiß sowie über Veränderungen des Materialflusses an der Grenzfläche Stift/plastifizierter Werkstückstoff.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein kompaktes, universell einsetzbares Rührreibschweißwerkzeug sowie ein Verfahren und eine Anordnung zur online-Kontrolle eines Rührreibschweißprozesses bereitzustellen, mit denen es gelingt, den Fügeprozess einfach und kostengünstig zu optimieren, so dass in seinem Ergebnis ohne notwendige Nachbearbeitung eine den Qualitätsanforderungen entsprechende Fügenaht entsteht und die Belastung der Rührreibschweißanlage minimiert wird.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten, achten und neunten Patentanspruches.

Vorteilhafte erfindungsgemäße Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 – schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Rührreibschweißwerkzeuges
2 – schematische Darstellung eines Regelkreises für den Rührreibschweißprozess
1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Rührreibschweißwerkzeug, welches an einer nicht näher dargestellten Maschinenspindel über eine Standardschnittstelle (1), wie z.B. einem Hohlschaftkegel, montiert wird. Bekannte Rührreibschweißwerkzeuge 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 Werkzeuggrundkörper (2) erfolgt in einer Werkzeugaufnahme, z.B. einer Spannzange oder einem Spannfutter für Zylinderschäfte nach DIN 1835 Teil 1 und 2.
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.
Erfindungsgemäß ermöglicht eine entsprechend ausgelegte Sensoranordnung (7) die Erfassung ausgewählter, prozessbedingter Schwingungen und Kräfte sowie der Temperatur nahe der Wirkstelle am Rührreibschweißwerkzeug, wobei die Aufnahme der Schwingungen mehrachsig z.B. mittels eines handelsüblichen Triaxialbeschleunigungssensors auf Piezobasis erfolgt. Die statischen und dynamischen Komponenten der auf die zu schweißenden Werkstücke wirkenden Kraft werden mit geeigneten Kraftmesssensoren, wie z.B. Dehnmessstreifen oder Piezokraftsensoren, in geeigneter Anordnung erfasst.
Bedingt durch die thermischen Besonderheiten des Rührreibschweißprozesses ist auch eine Temperaturüberwachung des Rührreibschweißwerkzeuges einerseits als Prozessgröße und andererseits zum Schutz der im Rührreibschweißwerkzeug befindlichen Sensorik in Verbindung mit Möglichkeiten einer aktiven Kühlung des Elektronikbereiches zu berücksichtigen. Zur Temperaturmessung befindet sich ein Sensor mit geringer Wärmekapazität nahe der Wirkstelle bzw. nahe dem Werkzeugrührbolzen (3).
Die Energie für die werkzeuginterne Elektronik wird induktiv eingespeist.
Mit Hilfe der auf diese Weise erfassten Daten kann man auf veränderte Prozessbedingungen rückschließen und mit auftretenden Schweißunregelmäßigkeiten korrelieren.
Um den Einsatz des Rührreibschweißwerkzeuges auf konventionellen Bearbeitungszentren mit automatischem Werkzeugwechsler sicherzustellen und um Kollisionen mit diesem zu vermeiden, hat der Stator (9) die Form eines Kreisringausschnittes.
In 2 ist schematisch der Regelkreis einer erfindungsgemäßen 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 Auswerteeinheit 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 Bearbeitungsgeschwindigkeit, 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.
Vorteilhaft wirkt sich hierbei der Einsatz von geeigneten kompakten Sensoren kleinster Bauform aus. Dies ermöglicht die Integration dieser Sensoren vorzugsweise im Werkzeuggrundkörper, also nahe der Wirkstelle. Mit dem erfindungsgemäßen Rührreibschweißwerkzeug können insbesondere Veränderungen des Materialflusses und beispielsweise Verschleißerscheinungen am Werkzeugrührbolzen erkannt werden. Die Regulierung der Bearbeitungskraft und der Arbeitstemperatur ermöglicht einen werkzeug- und anlagenschonenden, verschleißarmen Prozessablauf.
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.

1: Standardschnittstelle
2: Werkzeuggrundkörper
3: Werkzeugrührbolzen
4: geschlossenes Kühlsystem
5: innere Kühlmittelzufuhr (IKZ)
6: äußerer Kühlmittelring
7: Beschleunigungs-, Kraft- und Temperatursensoren
8: Datenvorverarbeitung
9: Stator der Werkzeugmaschine

Literaturliste

[1] – Dalle Donne, C.; Braun, R.; Staniek, G.; Jung, A.; Kaysser, W. A.: Mikrostrukturelle, mechanische und korrosive Eigenschaften reibrührgeschweißter Stumpfnähte in Aluminiumlegierungen. In: Mat.-wiss. U. Werkstofftech. 29, (1998), 609–617
[2] – Blach, O.; Senne, F.: Reibrührschweißen aus der Sicht eines Anwenders im Schienenfahrzeugbau. In: 2. GKSS Workshop, (2002), 85–94
[3] – Kallee, S.; Nicholas, D.E.; Thomas, W.: Friction Stir Welding: Invention, Innovations and Applications. In: 2. GKSS Workshop, (2002), 9–22
[4] – Kleiner, D.; Bird, C.R.: Signal Processing for quality assurance in friction stir welds. In: 42^nd Annual British Conference on NDT, (2003), 169–174

Claims

Rührreibschweißwerkzeug bestehend aus einem Werkzeuggrundkörper und einem Werkzeugrührbolzen dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise im Werkzeuggrundkörper geeignete Sensoren zur Erfassung von Schwingungen des Rührreibschweißwerkzeuges, von Bearbeitungskräften, mit denen das Rührreibschweißwerkzeug auf die zu schweißenden Werkstücke wirkt, und von Arbeitstemperaturen, die unmittelbar an der Schweißstelle auftreten, integriert sind.
Rührreibschweißwerkzeug nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren zur Erfassung der Schwingungen des Rührreibschweißwerkzeuges Beschleunigungssensoren sind, die vorzugsweise orthogonal zueinander in x-, y- und z-Richtung ausgerichtet sind.
Rührreibschweißwerkzeug nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungen des Rührreibschweißwerkzeuges mit einem Triaxialbeschleunigungssensor erfasst werden.
Rührreibschweißwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren zur Erfassung der Bearbeitungskräfte, mit denen das Rührreibschweißwerkzeug auf die zu schweißenden Werkstücke wirkt, Kraftmesssensoren, z.B. Dehnmessstreifen oder Piezokraftsensoren, sind.
Rührreibschweißwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren zur Erfassung der Arbeitstemperaturen, die unmittelbar an der Wirkstelle auftreten, Temperatursensoren sind.
Rührreibschweißwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass im Werkzeuggrundkörper (2) des Rührreibschweißwerkzeuges Mittel zur Kühlung (4, 5 und 6) der Sensoren (7) und des Werkzeugrührbolzens (3) vorgesehen sind.
Rührreibschweißwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass es universell einsetz- und austauschbar ist und/oder mit verschiedenen Werkzeugmaschinen oder Bearbeitungszentren kompatibel ist.
Verfahren zur online-Kontrolle eines Rührreibschweißprozesses dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungen eines Rührreibschweißwerkzeuges in x-, y- und z-Richtung, die Bearbeitungskräfte, mit denen das Rührreibschweißwerkzeug auf die zu schweißenden Werkstücke wirkt, und die Arbeitstemperaturen, die unmittelbar an der Schweißstelle auftreten, während des Rührreibschweißprozesses mit geeigneten Sensoren erfasst werden, die erfassten Daten telemetrisch an eine Auswerteeinheit übertragen und, von dieser rechnergestützt aufbereitet werden und über eine Steuereinheit die Prozessparameter Bearbeitungsgeschwindigkeit, Bearbeitungskraft und Arbeitstemperatur geregelt werden, wobei die Prozessparameter jeweils an die sich während des Rührreibschweißprozesses ändernden Bedingungen angepasst werden.
Anordnung zur online-Kontrolle eines Rührreibschweißprozesses nach einem Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Werkzeugmaschine mit einem Rührreibschweißwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, Mitteln zur telemetrischen Übertragung der erfassten Daten, einer Auswerteeinheit zu deren Aufbereitung und einer Steuereinheit zur Einstellung der Prozessparameter besteht.