DE102006045523A1

DE102006045523A1 - Reibrührschweißkopf sowie Verfahren zur Steuerung eines Reibrührschweißkopfes

Info

Publication number: DE102006045523A1
Application number: DE102006045523A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dipl.-Ing. Ostersehlte
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2008-04-03
Also published as: US20080073409A1; US8100311B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Reibrührschweißkopf mit einem Gehäuse 1 und mit einem Schweißwerkzeug 3 mit einem rotierenden Schweißstift 4 und mit einem rotierenden Schulterwerkzeug 5 zum Verschweißen von auf einer Werkstückauflage 16 aufliegenden Werkstücken 9, 10, wobei das im Gleichlauf mit dem Schweißstift 4 rotierende Schulterwerkzeug 5 den Schweißstift 4 koaxial umgibt. Erfindungsgemäß ist mittels eines ersten Laserentfernungsmessers 22 ein erster Abstand 24 zwischen dem ersten Laserentfernungsmesser 22 und einem Schweißstiftabschnitt 4a ermittelbar. Hierdurch lässt sich zumindest eine Änpitze 7 und der Werkstückauflage 16 mittels eines ersten Laserentfernungsmessers 22 ermitteln. Im Fall einer Ausführungsvariante ist der Schweißstiftabschnitt 4a eine am Schweißstift 4 befestigte, konisch ausgebildete Scheibe 41, wodurch nur ein Laserentfernungsmesser erforderlich ist. Im Fall einer weiteren Ausführungsvariante erfolgt eine Messung des absoluten Abstands 39 zwischen einem Reflektor 37 als Schweißstiftabschnitt 4a und der Werkstückauflage 16 mittels eines "Laser-Trackers" zur Ermittlung des Abstands 15. Mittels des erfindungsgemäßen Reibrührschweißkopfes sind zumindest Schweißfehler infolge einer unvollständigen Durchschweißung der Werkstücke 9, 10 für eine Qualitätssicherung der erzeugten Reibrührschweißnähte erfassbar. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Reibrührverschweißen von Werkstücken ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Reibrührschweißkopf mit einem Gehäuse und einem Schweißwerkzeug mit einem rotierenden Schweißstift und mit einem rotierenden Schulterwerkzeug zum Verschweißen von auf einer Werkstückauflage aufliegenden Werkstücken, wobei das im Gleichlauf mit dem Schweißstift rotierende Schulterwerkzeug den Schweißstift koaxial umgibt.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines Reibrührschweißkopfes.
Reibrührschweißverbindungen von Bauteilen weisen im Nahtbildungsbereich eine nahezu optimale Gefügestruktur auf, die nahezu mit den ursprünglichen Materialeigenschaften der Bauteile vergleichbar ist. Die Verbindung von Werkstücken durch Reibrührschweißen (sog. "friction stir welding", "FSW") ermöglicht daher die Herstellung von hochbelastbaren Schweißnähten, deren mechanische Eigenschaften nahezu denen des Basismaterials entsprechen. Bekannte Ausführungsformen von Vorrichtungen zum Reibrührschweißen weisen einen Reibrührschweißkopf mit einem um seine Längsachse rotierenden Schweißstift auf, der von einem synchron zum Schweißstift rotierenden Schulterwerkzeug koaxial umgeben ist. Der Schweißstift bildet zusammen mit dem Schulterwerkzeug das eigentliche Schweißwerkzeug. Zur Verbindung von zwei Werkstücken, beispielsweise in der Form von zwei Aluminiumblechen, wird das rotierende Schweißwerkzeug, bestehend aus dem Schweißstift und dem Schulterwerkzeug, entlang des Stoßbereichs der beiden Werkstücke durch diese hindurch geführt. Infolge der durch die Rotation des Schweißwerkzeugs erzeugten Reibwärme wird das Material beider Werkstücke im Nahtbildungsbereich plastisch. Durch den rotierenden Schweißstift erfolgt gleichzeitig eine Vermischung bzw. Vermengung des Materials der im Nahtbereich aneinander stoßenden Werkstücke.
Das synchron zum Schweißstift mitrotierende Schulterwerkzeug bewegt sich hierbei parallel zur Werkstückoberseite und sorgt für eine ebene Oberfläche der Naht.
Der Reibrührschweißkopf ist bei bekannten Vorrichtungen häufig mittels einer Portalanordnung in mindestens drei Achsen des Raumes in Bezug zu den Werkstücken kontrolliert von einer CNC-Steuerung mit hoher Genauigkeit positionierbar.
Die Werkstücke liegen auf einer stabilen Werkstückauflage auf. Unterhalb des Nahtbildungsbereichs ist ein schmaler Streifen aus Metall ("Backing") in die Werkstückauflage eingelassen, der im Verschleißfall schnell ausgetauscht werden kann. Die Werkstücke werden auf der Werkstückauflage durch Spannvorrichtungen gesichert, um ein Verschieben der Werkstücke infolge der beim Reibrührschweißprozess auftretenden hohen mechanischen Kräfte zu verhindern.
Von entscheidender Bedeutung für die Qualität einer im Reibrührschweißverfahren hergestellten Schweißnaht ist der Abstand des Schweißstiftes bzw. der Schweißstiftspitze von der Werkstückauflage bzw. der darin eingelassenen "Backing". Ist der Abstand zu gering, kann es zu einem erhöhten Verschleiß oder einem Ausfall des Schweißstiftes kommen. Ist der Abstand hingegen zu groß, wird das Material vom Schweißstift nicht vollständig verrührt, so dass die Bauteile im rückwärtigen Bereich der Schweißnaht nicht vollständig miteinander verschweißt sind, und im Fall einer Biegebelastung die Schweißnaht brechen kann. In diesem Fall ist eine so genannte "LOP"-Fehlstelle gegeben ("lack of penetration").
Daher ist eine möglichst genaue Kenntnis der vertikalen Position des Schweißkopfes zumindest in Bezug zur Werkstückauflage bzw. der "Backing" (z-Achse) von zentraler Bedeutung für die erreichbare Güte einer im Reibrührschweißverfahren gebildeten Schweißnaht.
Bekannte Portalvorrichtungen zum Reibrührschweißen weisen zur Erfassung der z-Position des Schweißkopfes im Raum einen speziellen Wegmesssensor auf. Da diese Messung jedoch in einiger Entfernung vom Schweißbereich erfolgt, können beispielsweise wärmebedingte Längenänderungen des Schweißstiftes oder Durchbiegungen der Portalanordnung zur Führung des Schweißkopfes nicht ermittelt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schweißkopf für das Reibrührschweißen zu schaffen, bei dem eine hochgenaue Messung des Abstandes des Schweißstiftes bzw. der Schweißstiftspitze zur Werkstückauflage bzw. der "Backing" unter Vermeidung von Messfehlern infolge einer Wärmedehnung des Schweißstiftes und etwaigen lastbedingten Geometrieänderungen der Führungsvorrichtung für den Reibrührschweißkopf möglich ist. Der Abstand des Schweißstiftes von der Schweißunterlage bzw. der "Backing" soll hierbei mit einer Genauigkeit von etwa ± 0,05 mm erfasst werden, um eine Qualitätskontrolle der erzeugten Reibrührschweißnähte zu erzielen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass mittels eines ersten Laserentfernungsmessers ein erster Abstand zwischen dem ersten Laserentfernungsmesser und einem Schweißstiftabschnitt ermittelbar ist, kann der tatsächliche Abstand des Schweißstiftes bzw. des Schweißstiftendes von der Werkstückauflage bzw. der "Backing" unabhängig vom Wegmesssystem der Reibrührschweißanlage mit hoher Genauigkeit bestimmt und unabhängig von einer etwaigen wärmebedingten Längenänderung des Schweißstiftes gemessen werden. Lastbedingte oder positionsbedingte Geometrieänderungen einer in der Regel zur Führung des Reibrührschweißkopfes eingesetzten, numerisch gesteuerten Portalanordnung können gleichfalls erfasst und zur Kompensation berücksichtigt werden. Mittels des erfindungsgemäßen Reibrührschweißkopfes ist eine exakte Erfassung der Bewegung des Schweißstiftes während des Reibrührschweißprozesses gewährleistet. Thermische und/oder lastbedingte Längenänderungen des Schweißstiftes, die zu den so genannten "LOP"-Fehlstellen führen können, lassen sich direkt erfassen, so dass anschließende Wirbelstrom- oder Ultraschalluntersuchungen an der Schweißnaht, bei denen ohnehin nur "LOP"- Fehlstellen ab einer gewissen Mindestgröße sicher detektierbar sind, entfallen können.
Nach Maßgabe einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Schweißstiftabschnitt ein am Schweißstift angeordneter Reflektor zum Zurückwerfen der vom ersten Laserentfernungsmesser ausgesandten Laserstrahlung ist, wobei der erste Laserentfernungsmesser im Bereich des Gehäuses angeordnet ist.
Durch den als Reflektor ausgebildeten Schweißstiftabschnitt kann zumindest eine Änderung der vertikalen Position des Schweißstiftes und damit der Abstand der Schweißstiftspitze von der Schweißunterlage ("Backing") infolge einer wärmebedingten Längenänderung des Schweißstiftes erfasst werden.
Eine weitere Ausgestaltung des Reibrührschweißkopfes sieht vor, dass der Reflektor eine das Schulterwerkzeug im Wesentlichen koaxial umgebende metallische Scheibe ist, wobei die metallische Scheibe am Schweißstift befestigt ist und deren Oberseite die vom ersten Laserentfernungsmesser ausgesandte Laserstrahlung reflektiert.
Diese Ausgestaltung ermöglicht eine einfache Nach- bzw. Umrüstung der üblicherweise zum Reibrührschweißen eingesetzten Schweißstifte zur Bestimmung des Abstands zwischen dem Schweißstift und der Werkstückauflage. Die Oberseite der metallischen Scheibe dient hierbei als Reflexionsebene für den ersten Laserentfernungsmesser. Der erste Laserentfernungsmesser ermittelt somit den Abstand zwischen dieser Reflexionsebene und dem Laserentfernungsmesser selbst.
Nach Maßgabe einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Schulterwerkzeug mindestens drei, gleichmäßig um den Umfang verteilte Langlöcher aufweist, durch die jeweils ein Befestigungsmittel, insbesondere jeweils eine Befestigungsschraube, in eine Ringnut des Schweißstiftes zur Befestigung der metallischen Scheibe am Schweißstift einführbar ist.
Hierdurch ist eine Befestigung der metallischen Scheibe am Schweißstift mittels einer in den Endbereich des Schweißstiftes eingebrachten umlaufenden Ringnut möglich. Weitere bauliche Modifikationen am Schweißstift erübrigen sich somit. Diese Anordnung zur Befestigung der Scheibe ermöglicht erforderlichenfalls eine Ausrichtung der metallischen Scheibe in Bezug auf die Längsachse des Schweißstiftes. Im Idealfall verläuft die Reflexionsebene der metallischen Scheibe, also deren Oberseite, exakt senkrecht zur Längsachse des Schweißstiftes. Praktisch lässt sich eine derart genaue Ausrichtung der Scheibe nicht erreichen, so dass die metallische Scheibe bei der Rotation des Schweißstiftes in der Regel immer eine, wenn auch geringfügige Taumelbewegung vollzieht, die zu sinusförmig schwankenden Entfernungsmesswerten des ersten Laserentfernungsmessers führt. Diese Messungenauigkeit kann beispielsweise durch eine Mittelwertbildung oder andere geeignete Filteralgorithmen in der Steuer- und Regeleinrichtung heraus gerechnet werden.
Die Langlöcher ermöglichen zudem eine ungehinderte vertikale Bewegung des Schweißstiftes und der daran befestigten metallischen Scheibe in Relation zum Schulterwerkzeug.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Ringnut in einem unteren Bereich des Schweißstiftes angeordnet ist.
Durch die Befestigung der metallischen Scheibe im unteren Bereich des Schweißstiftes wird der Messfehler, insbesondere in Gestalt von wärmebedingten Längenänderungen des Schweißstiftes, vermindert.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mittels eines zweiten Laserentfernungsmessers ein zweiter Abstand zwischen dem Gehäuse und einer der Werkstückoberseiten messbar ist.
Hierdurch wird eine Berechnung des absoluten Abstands zwischen der Schweißstiftspitze und der Werkstückauflage ermöglicht. Zudem können insbesondere Geometrieänderungen, beispielsweise in der Form von lastbedingten Durchbiegungen einer in der Regel zur Führung des Reibrührschweißkopfes eingesetzten CNC-gesteuerten Portalanordnung, sicher erkannt werden.
Nach Maßgabe einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mittels einer Steuer- und Regeleinrichtung aus dem ersten Abstand eine Ände rung des Abstands zwischen der Schweißstiftspitze und der Werkstückauflage ermittelbar ist.
Der erfindungsgemäße Reibrührschweißkopf mit zumindest einem Laserentfernungsmesser ermöglicht eine hochgenaue Ermittlung der Änderung des Abstandes zwischen der Schweißstiftspitze und der Werkstückauflage bzw. der "Backing" unabhängig von etwaig auftretenden Wärmedehnungseffekten des Schweißstiftes. Hierzu wird zunächst ein vorgegebener Sollwert für den Abstand zwischen der Schweißstiftspitze und der Werkstückauflage eingestellt und der vom ersten Laserentfernungsmesser gelieferte erste Abstandswert auf einen festen Anfangswert gesetzt. Während des Reibrührschweißprozesses wird die Änderung des ersten Abstands gemessen und zur Qualitätssicherung ausgewertet.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass mittels der Steuer- und Regeleinrichtung aus dem ersten und dem zweiten Abstand ein absoluter Abstand zwischen der Schweißstiftspitze und der Werkstückauflage ermittelbar ist. Hierdurch können insbesondere auftretende Geometrieänderungen bzw. geringfügige Deformationen einer zur Führung des Reibrührschweißkopfes üblicherweise eingesetzten CNC-gesteuerten Portalanordnung unmittelbar erfasst werden. Darüber hinaus lässt sich aus den beiden Abstandswerten der absolute Abstand zwischen der Schweißstiftspitze und der Werkstückauflage, gegebenenfalls unter Einbeziehung von weiteren Positionswerten des Schweißstiftes entlang der z-Achse, die zum Beispiel von einer Wegmesseinrichtung im Reibrührschweißkopf an die CNC-Steuerung weiter geleitet werden, ermitteln. Gegebenenfalls müssen weitere Geometriedaten, wie zum Beispiel die räumlichen Abmessungen des Reibrührschweißkopfes, der Portalanordnung, die Materialstärken der zu verschweißenden Bauteile sowie die Länge des Schweißstiftes mit in die Berechnung einbezogen werden.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der erste Laserentfernungsmesser unmittelbar auf der Werkstückauflage angeordnet ist und der Schweißstiftabschnitt eine als Reflektor ausgebildete konische Scheibe ist, deren konischer Rand die vom ersten Laserentfernungsmesser in horizontaler Richtung ausgesandte Laserstrahlung reflektiert.
Hierdurch ist eine Erfassung einer Änderung der Position des Schweißstiftes parallel zur z-Achse mit lediglich einem Laserentfernungsmesser möglich. Die vom ersten Laserentfernungsmesser ausgesandte Laserstrahlung verläuft parallel zur Werkstückauflage (xy-Ebene) und wird vom konischen Rand zur Abstandsmessung zurück zum ersten Laserentfernungsmesser geworfen.
Eine weitere Fortbildung des Reibrührschweißkopfes sieht vor, dass eine Änderung des Abstands zwischen der Schweißstiftspitze und der Werkstückauflage aus einem Abstand zwischen dem konischen Rand und dem ersten Laserentfernungsmesser mittels der Steuer- und Regeleinrichtung ermittelbar ist. Aufgrund des konischen, abgeschrägten Randes der Scheibe verändert sich der Abstand zwischen dem konischen Rand und dem Laserentfernungsmesser proportional zu jeder vertikalen Bewegung des Schweißstiftes. Durch die Messung des jeweiligen horizontalen Abstands zwischen dem abgeschrägten Rand der konischen Scheibe und dem unmittelbar auf der Werkstückauflage angeordneten ersten Laserentfernungsmesser lässt sich somit jede Änderung der Position des Schweißstiftes bzw. der Schweißstiftspitze in vertikaler Richtung ermitteln. Hierzu muss lediglich die jeweilige horizontale Abstandsänderung durch trigonometrische Berechnungen auf die entsprechende vertikale Positionsänderung des Schweißstiftes umgerechnet werden. Wenn der Anfangsabstand zwischen der Schweißstiftspitze und der Werkstückauflage bekannt ist, lässt sich darüber hinaus auch der absolute Abstand der Schweißstiftspitze von der Werkstückauflage bzw. der "Backing" bestimmen. Hierdurch ist eine zuverlässige Qualitätssicherung im Hinblick auf etwaige "LOP"-Fehlstellen der mit dem erfindungsgemäßen Reibrührschweißkopf hergestellten Schweißnaht möglich.
Darüber hinaus wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch einen Reibrührschweißkopf mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst.
Dadurch, dass unmittelbar auf der Werkstückauflage ein Laser-Tracker angeordnet ist und mittels des Laser-Trackers zumindest ein Abstand zwischen einem Schweißstiftabschnitt und der Werkstückauflage messbar ist, um einen Abstand zwischen der Schweißstiftspitze und der Werkstückauflage zu ermitteln, ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau des erfindungsgemäßen Reibrührschweißkopfes, der keine größeren Modifikationen am Schweißwerkzeug erfordert und der zudem eine sehr genaue Ermittlung des absoluten Abstandes der Schweißstiftspitze von der Werkstückauflage erlaubt.
Ein Laser-Tracker erlaubt die Bestimmung einer absoluten Position eines stationären oder bewegten Objekts im Raum in Bezug auf seinen Aufstellungsort, den hier die Werkstückauflage bildet. Vorraussetzung hierfür ist, dass am Objekt ein geeigneter Reflektor zum Zurückstrahlen der vom Laser-Tracker ausgesandten Laserstrahlung angeordnet ist.
Demzufolge erlaubt der Laser-Tracker auch eine Positionsbestimmung des Schweißstiftes bzw. des Schweißstiftabschnittes in der xy-Ebene, d.h. parallel zur Werkstückauflage. Die Einbeziehung von weiteren Messwerten (z.B. der aus einem Wegmesssystem der CNC-Steuerung bekannten vertikalen Position des Reibrührschweißkopfes parallel zur z-Achse) oder Anlagenabmessungen, die die Messunsicherheit erhöhen könnten, erübrigt sich.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Schweißstiftabschnitt als mindestens ein Reflektor zum Zurückwerfen der vom Laser-Tracker ausgesandten Laserstrahlung ausgebildet ist und das Schulterwerkzeug mindestens ein Langloch zur Transmission der vom Laser-Tracker ausgesandten Laserstrahlung aufweist.
Hierdurch ist eine direkte Messung zumindest der vertikalen Position des Schweißstiftes möglich. Der Laser-Tracker wird zu diesem Zweck unmittelbar auf der Werkstückauflage der Reibrührschweißvorrichtung angeordnet. Der Schweißstiftabschnitt wird durch einen am bzw. auf dem Schweißstift angeordneten Reflektor gebildet, der in Verbindung mit den im Schulterwerkzeug angeordneten Langlöchern zur Transmission der vom Laser-Tracker ausgesandten Laserstrahlung zumindest eine Erfassung eines absoluten vertikalen Abstands des Reflektors von der Werkstückauflage erlaubt, die den Bezugspunkt für den Laser-Tracker bildet. Aus dem bekannten Abstand des Reflektors von der Schweißstiftspitze des Schweißstiftes lässt sich der absolute Abstand der Schweißstiftspitze von der Werkstückauflage berechnen.
Durch den Laser-Tracker ist eine exakte Positionsbestimmung des Schweißstiftes auch dann möglich, wenn sich der Einfallswinkel der zur Messung benutzten Laserstrahlung in Relation zum optischen Reflektor stark verändert und die Laserstrahlung nicht mehr im Wesentlichen senkrecht auf den Reflektor trifft. Der Laserstrahl des Laser-Trackers ist zudem in der Lage, nahezu jeder beliebigen Bahnkurve des optischen Reflektors zu folgen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der mindestens eine Reflektor in einem unteren Bereich des Schweißstiftes angeordnet ist.
Diese Ausgestaltung ermöglicht eine geringe Messunsicherheit bei der Bestimmung der vertikalen Position des Schweißstiftes in Abhängigkeit von thermisch- und/oder lastbedingten Längenänderungen des Schweißstiftes.
Darüber hinaus wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Verfahren zur Steuerung eines Reibrührschweißkopfes, insbesondere nach Maßgabe eines der Patentansprüche 1 bis 13, mit den folgenden Schritten gelöst:

a) Festlegen eines Sollwertes für einen Abstand zwischen der Schweißstiftspitze und der Werkstückauflage,
b) Setzen des Abstands auf einen Anfangswert,
c) Beginn des Reibrührschweißprozesses zum Fügen der Werkstücke im Nahtbildungsbereich mittels des Schweißwerkzeugs,
d) Messen des Abstands mittels mindestens eines Laserentfernungsmessers,
e) Absenken des Schweißstiftes in vertikaler Richtung, wenn der aktuell gemessene Abstand größer als der Anfangswert ist,
f) Anheben des Schweißstiftes in vertikaler Richtung, wenn der aktuell gemessene Abstand kleiner als der Anfangswert ist, und
g) Wiederholen der Schritte d) bis f) bis der Reibrührschweißprozess beendet ist.

Durch diese Verfahrensabfolge ist ein weitgehendes Konstanthalten des Abstands zwischen der Schweißstiftspitze und der Werkstückauflage gewährleistet. Hierbei werden thermisch bedingte Längenänderungen des Schweißstiftes kom pensiert und damit die relative Änderung des Abstands erfasst, so dass sich eine optimale Qualität der erzeugten Reibrührschweißnaht ergibt.
Eine Absolutwertbestimmung des Abstands zwischen der Schweißstiftspitze und der Werkstückauflage kann nur durch eine Einbeziehung eines weiteren Laserentfernungsmessers erfolgen, der den Abstand zwischen der Werkstückoberseite und dem Reibrührschweißkopf erfasst. Weiterhin muss zu diesem Zweck die Position des Reibrührschweißkopfes bzw. des Schweißstiftes in vertikaler Richtung mit einbezogen werden. Dieser Messwert kann beispielsweise von einem in der CNC-Steuerung enthaltenen Wegmesssensor zur Erfassung der Position des Schweißstiftes parallel zur x-Achse geliefert werden. Hierdurch lassen sich auch Änderungen der vertikalen Position des Reibrührschweißkopfes erfassen, die beispielsweise durch eine unerwünschte Deformation einer zur Führung des Reibrührschweißkopfes eingesetzten Portalanordnung bedingt sind, und erforderlichenfalls durch eine Nachjustierung der Position des Schweißstiftes parallel zur x-Achse kompensieren.
In der Zeichnung zeigt:
1 Eine erste Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Reibrührschweißkopfes,
2 einen Schnitt entlang der Linie II-II der 1,
3 eine zweite Ausführungsvariante des Reibrührschweißkopfes und
4 eine weitere Ausführungsvariante des Reibrührschweißkopfes.
In der Zeichnung weisen gleiche konstruktive Elemente jeweils dieselbe Bezugsziffer auf.
Die 1 zeigt eine erste Ausführungsvariante des Reibrührschweißkopfes. Ein Gehäuse 1 des Reibrührschweißkopfes ist an einer nicht dargestellten Füh rungsanordnung, beispielsweise in der Form einer CNC-gesteuerten Portalanordnung, zur freien Positionierung im Raum angeordnet. Der Reibrührschweißkopf ist hierbei in Richtung der durch das Koordinatensystem 2 symbolisch dargestellten x-Achse, y-Achse sowie z-Achse mit hoher Genauigkeit und gegebenenfalls mit mehreren Freiheitsgraden positionierbar. Am Gehäuse 1 des Reibrührschweißkopfes ist das Schweißwerkzeug 3 in einem nicht näher bezeichneten Spannfutter bzw. in einer Spindel aufgenommen. Das Spannfutter bzw. die Spindel mit dem Schweißwerkzeug rotieren mit hoher Drehzahl in Relation zu dem sich nicht mit drehenden Schweißkopf. Das Schweißwerkzeug besteht aus einem Schweißstift 4 und einem diesen koaxial umschließenden Schulterwerkzeug 5. Der Schweißstift 4 weist einen Schweißstiftabschnitt 4a als Markierung auf, wodurch eine Abstandsmessung zwischen einem Laserentfernungsmesser und dem Schweißstiftabschnitt 4a möglich wird. Der Schweißstiftabschnitt 4a ist bevorzugt als ein die vom Laserentfernungsmesser ausgesandte Laserstrahlung zurückwerfender Reflektor ausgebildet. Sowohl der Schweißstift 4 als auch das Schulterwerkzeug 5 sind um eine Längsachse 6 drehbar im Reibrührschweißkopf aufgenommen. Hierbei rotieren der im Spannfutter bzw. in einer Spindel aufgenommene Schweißstift 4 und das Schulterwerkzeug 5 stets im Gleichlauf. Am unteren Ende des Schweißstiftes 4 befindet sich eine Schweißstiftspitze 7, die entlang einer Stoßkante 8 der zu verschweißenden Werkstücke 9, 10 in diese eintaucht.
Das Schulterwerkzeug 5 weist eine im Wesentlichen hohlzylindrische geometrische Gestalt auf. Im oberen Teil des Gehäuses 1 sind der Schweißstift 4 und das Schulterwerkzeug 5 lösbar eingespannt. Eine Schulter 11 des Schulterwerkzeugs 5 liegt beidseitig der Stoßkante 8 auf den Werkstückoberseiten 12, 13 auf. Der Schweißstift 4 sowie das Schulterwerkzeug 5 sind mittels eines nicht dargestellten Antriebs in Rotation versetzbar.
Infolge der durch die Drehbewegung des Schweißstiftes 4 und des Schulterwerkzeugs 5 erzeugten hohen Reibungswärme werden die Werkstücke 9, 10 im Nahtbildungsbereich 14 plastisch verformbar. Hierbei wird das Material der Werkstücke 9, 10 durch die Drehbewegung des Schweißstiftes 4 unter Bildung der Schweißnaht im Nahtbildungsbereich 14 verrührt. Gleichzeitig wird die Schulter 11 anliegend über die Werkstückoberseiten 12, 13 geführt, um eine im Wesentlichen ebene und glatte Schweißnaht zu erzielen.
Die Führung des Schweißkopfes entlang der durch das Koordinatensystem 2 symbolisierten drei Achsen des Raums erfolgt mit hoher Genauigkeit, beispielsweise automatisiert mittels einer CNC-gesteuerten Portalanordnung. Mit der CNC-gesteuerten Portalanordnung lassen sich nahezu beliebige Schweißnahtverläufe erzeugen, indem der Schweißrührkopf entlang von vorprogrammierten Bahnkurven geführt wird. Somit lassen sich auch Werkstücke 9, 10 mit einem kurvenförmigen Verlauf der Stoßkante 8 durch Reibrührverschweißen verbinden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 wird der Schweißstift 4 unter genauer Einhaltung eines Abstandes 15 von einer Werkstückauflage 16 bzw. der unterhalb des Nahtbildungsbereichs 14 befindlichen, nicht dargestellten "Backing" durch das Material der Werkstücke 9, 10 hindurch geführt, bis die Reibrührschweißnaht fertig gestellt ist. Die Steuerung des Schulterwerkzeugs 5 erfolgt kraftabhängig. Bei der so genannten "Backing" handelt es sich um einen Metallstreifen mit rechteckförmigem Querschnitt, der in etwa bündig mit der Oberseite der Werkstückauflage 16 abschließend in diese eingelassen ist. Die "Backing" dient als einfach austauschbare Verschleißschicht in der Werkstückauflage 16 und ist vorzugsweise mit einem warmfesten Metall gebildet.
Der Abstand 15 zwischen der Schweißstiftspitze 7 und der Werkstückauflage 16 darf weder zu groß noch zu klein sein, sondern muss exakt auf einem vorgegebenen Sollwert gehalten werden. Ist der Abstand 15 kleiner als der Sollwert, besteht die Gefahr, dass der Schweißstift 4 durch einen unmittelbaren Reibkontakt mit der Werkstückauflage 16 bzw. der "Backing" beschädigt oder einem erhöhten Verschleiß ausgesetzt wird. Ist der Abstand 15 hingegen größer als der Sollwert, werden die Werkstücke 9, 10 nicht vollständig durchgeschweißt und es besteht bei einer Biegebeanspruchung der Schweißnaht die Gefahr eines Bruchs. In diesem Fall ist eine so genannte "LOP"-Fehlstelle im Nahtbildungsbereich 14 gegeben ("LOP"-Fehlstelle = "lack of penetration") und die Reibrührschweißnaht weist eine nur mindere Qualität auf.
Im Bereich des Gehäuses 1 ist weiterhin ein Wegmesser 17, insbesondere zur Erfassung der Position des Schweißstiftes 4 bzw. des Reibrührschweißkopfes in vertikaler Richtung (parallel zur z-Achse) für die CNC-Steuerung der Reibrührschweißvorrichtung, angeordnet. Mittels des Wegmessers 17 ist jedoch eine etwaige wärmebedingte Längenänderung des Schweißstiftes 4 nicht mit hinreichender Genauigkeit erfassbar, da die Wegmessung in großer räumlicher Entfernung von der Schweißstiftspitze 7 im Reibrührschweißkopf erfolgt. Diese Messunsicherheiten führen zu einer Positionierungenauigkeit des Schweißstiftes 4 insbesondere in vertikaler Richtung, das heißt parallel zur z-Achse des Koordinatensystems 2, die – wie weiter oben angesprochen – die Güte der Schweißnaht beispielsweise durch die Entstehung von "LOP"-Fehlstellen negativ beeinflussen können. Mittels des erfindungsgemäßen Reibrührschweißkopfes sollen diese Fehlstellen erfasst werden, um gegebenenfalls anschließende Materialuntersuchungen zur Qualitätssicherung durch Ultraschall oder mit Wirbelströmen zumindest teilweise entbehrlich zu machen.
Um das Auftreten von derartigen Fehlstellen zu erfassen, ist der Schweißstiftabschnitt 4a in einer Ausführungsvariante als ein Reflektor in der Form einer zylindrischen Scheibe 18 ausgebildet. Die Scheibe 18 ist beispielsweise mit drei Befestigungsmitteln, bevorzugt in der Form von Madenschrauben mit einem Innensechskant oder dergleichen fest mit dem Schweißstift 4 drehfest verbunden. Der Schweißstift 4 weist hierzu im Endbereich eine in der 1 nicht dargestellte, umlaufende Ringnut auf, in die die Befestigungsmittel zur Befestigung der Scheibe 18 am Schweißstift 4 einbringbar sind. Die Scheibe 18 weist mindestens zwei Durchgangsgewindebohrungen auf, in die die Befestigungsmittel einschraubbar sind und somit ein Festklemmen der Scheibe 18 in der umlaufenden Ringnut des Schweißstiftes 4 erlauben. Die Befestigungsmittel, von denen in der Darstellung der 1 nur ein Befestigungsmittel 19 dargestellt ist, sind um den Umfang der Scheibe 18 herum verteilt angeordnet. Bevorzugt weist die Scheibe 18 drei, jeweils um 120° versetzt über den Umfang der Scheibe 18 angeordnete Durchgangsgewindebohrungen auf, in die eine entsprechende Zahl von Befestigungsmitteln, insbesondere in der Form von Madenschrauben, einschraubbar sind. Zur Durchführung der Befestigungsmittel weist das Schul terwerkzeug 5 im gezeigten Ausführungsbeispiel gleichfalls drei Langlöcher auf, von denen in der Darstellung der 1 nur ein Langloch 20 dargestellt ist. Die drei Langlöcher sind ebenfalls jeweils um 120° zueinander beabstandet um den Umfang des Schulterwerkzeugs 5 herum angeordnet. Die Langlöcher 20 ermöglichen eine vertikale Bewegung des Schweißstiftes 4 mit der daran befestigten Scheibe 18 in Richtung des Richtungspfeils 21 (z-Achse) und damit eine Nachregelung des Abstandes 15 während des Schweißvorgangs. Eine andere Anzahl von Befestigungsmitteln und Gewindedurchgangsbohrungen sowie eine hiermit korrespondierende Anzahl von Langlöchern ist gleichfalls möglich. Während des Betriebs des Reibrührschweißkopfes rotieren sowohl der Schweißstift 4 mit der daran befestigten Scheibe 18 als auch das Schulterwerkzeug 5 stets mit der gleichen Geschwindigkeit im Gleichlauf, so dass zwischen diesen Bauteilen keine Reibung entsteht.
Weiterhin sind im Bereich des Gehäuses 1 ein erster und ein zweiter Laserentfernungsmesser 22, 23 angeordnet, die Abstandsmessungen mit einer hohen Präzision erlauben. Die Befestigung der beiden Laserentfernungsmesser 22, 23 am Gehäuse 1 erfolgt unmittelbar durch geeignete Befestigungssysteme, beispielsweise mit abgekanteten Blechstreifen. Die Laserentfernungsmesser 22, 23 sind fest am Gehäuse 1 angeordnet, während das Schulterwerkzeug 5 und der Schweißstift 4 an einer nicht näher bezeichneten Spindel drehbar am Schweißkopf aufgenommen sind und während des Schweißprozesses mit hoher Drehzahl rotieren. Mittels des ersten Laserentfernungsmessers 22 lässt sich ein erster Abstand 24 zwischen dem ersten Laserentfernungsmesser 22 und einer Oberseite 26 der Scheibe 18 ermitteln. Mittels des zweiten Entfernungsmessers 23 erfolgt in analoger Weise die Bestimmung eines zweiten Abstandes 25 zwischen dem Gehäuse 1 und der Werkstückoberseite 12.
Aus dem ersten Abstand 24 und dem zweiten Abstand 25 lässt sich in Verbindung mit dem vom Wegmesser 17 ermittelten Positionswert des Reibrührschweißkopfes in Richtung der z-Achse der Abstand 15 mittels einer nicht dargestellten Steuer- und Regeleinrichtung exakt bestimmen und gegebenenfalls mittels der Portalanordnung der Reibrührschweißvorrichtung korrigieren. Hierbei kann der Abstand 15 mittels des erfindungsgemäßen Reibrührschweißkopfes mit einer Genauigkeit von etwa ± 0,05 mm zur Qualitätssicherung gemessen und gegebenenfalls konstant gehalten werden, um eine hohe Qualität der erzeugten Reibrührschweißnaht zu gewährleisten. Bei der Ermittlung des Abstandes 15 wird vorausgesetzt, dass die genaue Materialstärke 27 der Werkstücke 9, 10 sowie die präzisen Geometriedaten des Reibrührschweißkopfes und der Portalanordnung jeweils bekannt sind. In der Darstellung der 1 wird zudem davon ausgegangen, dass beide Werkstücke 9, 10 im Bereich einer zulässigen Toleranzabweichung dieselbe Materialstärke 27 aufweisen.
Im Idealfall ist die Scheibe 18 immer exakt senkrecht zur Längsachse 6 ausgerichtet. Mittels der drei, bevorzugt jeweils um 120° versetzt über den Umfang der Scheibe 18 angeordneten Befestigungsmittel lässt sich eine genaue Ausrichtung der Scheibe 18 in Bezug auf den Schweißstift 4 erreichen. Dennoch wird sich bei einer Rotation des Schweißstiftes 4 um die Längsachse 6 immer eine, wenn auch geringfügige Taumelbewegung der Scheibe 18 ergeben. Aus dieser unvermeidbaren Taumelbewegung resultiert ein sinusförmiger Verlauf des vom ersten Laserentfernungsmesser 22 ermittelten Abstands 24. Durch geeignete Filteralgorithmen, beispielsweise in der Form einer Mittelwertbildung, lässt sich die hierdurch bedingte Messunsicherheit eliminieren.
Die Laserentfernungsmesser 22, 23 arbeiten nach dem Reflektionsprinzip. Die vom ersten und zweiten Laserentfernungsmesser 22, 23 ausgesandte Laserstrahlung wird von der Oberseite 26 der Scheibe 18 bzw. der Werkstückoberseite 12 reflektiert und an den betreffenden Laserentfernungsmesser 22, 23 zurückgesandt. Durch eine Messung der Laufzeit der Laserstrahlung lässt sich in bekannter Weise in Verbindung mit der Lichtgeschwindigkeit in Luft der jeweilige Abstand bestimmen. Die Messung der Abstände 24, 25 ermöglicht eine exakte relative Positionsbestimmung des Schweißstiftes 4 in vertikaler Richtung (z-Achse). Hierbei kann eine wärmebedingte Längenänderung des Schweißstiftes 4 sowie eine möglicherweise auftretende Geometrieänderung der Führungsvorrichtung für den Reibrührschweißkopf erkannt und gegebenenfalls kompensiert werden.
Vor dem Beginn des Reibrührschweißprozesses wird zunächst der gewünschte bzw. der erforderliche Sollwert für den Abstand 15 zwischen der Schweißstiftspitze 7 und der Werkstückauflage 16 eingestellt. Anschließend werden die Laserentfernungsmesser 22, 23 auf den Wert Null gesetzt. Erwärmt sich nun beispielsweise der Schweißstift 4 infolge des Reibrührschweißvorgangs, so führt dies zu einer geringfügigen Verlängerung des Schweißstiftes 4 aufgrund der Wärmedehnung und der vorgegebene Sollwert des Abstands 15 wird unterschritten. Diese Änderung wird vom ersten Laserentfernungsmesser 22 durch die Messung des Abstands 24 erfasst. Um den Abstand 15 wieder auf den Sollwert zu bringen, kann der Schweißstift 4 in vertikaler Richtung, das heißt parallel zur z-Achse (Richtungspfeil 21), angehoben werden. Ist der Abstand 15 hingegen größer als der vorgegebene Sollwert, so kann der Schweißstift 4 wieder soweit abgesenkt werden, bis der Sollwert erreicht ist. Auch diese Längenänderung wird vom ersten Laserentfernungsmesser 22 durch die Messung des Abstands 24 erfasst. Der zweite Laserentfernungsmesser 23 erlaubt über die Erfassung des Abstands 25 zwischen den Werkstückoberseiten 12, 13 und dem Schweißkopf bzw. dem zweiten Laserentfernungsmesser 23 darüber hinaus die Erfassung von etwaigen Geometrieänderungen der Portalanordnung zur Führung des Reibrührschweißkopfes. Die Nachregulierung der vertikalen Position des Schweißstiftes ist optional zu sehen. Zur Qualitätssicherung der Reibrührschweißverbindung ist eine durchgehende Überwachung der Veränderungen des Abstands 15 ausreichend.
Eine Änderung des Abstands 15 zwischen der Schweißstiftspitze 7 und der Werkstückauflage 16 ist allein schon mit dem ersten Laserentfernungsmesser 22 erfassbar. Für eine Bestimmung des absoluten Abstands 15 muss jedoch der vom zweiten Laserentfernungsmesser 23 gelieferte zweite Abstand 25 sowie gegebenenfalls der von der Wegmesseinheit 17 der CNC-Steuerung gelieferte Positionswert des Schweißstiftes 4 bzw. des Reibrührschweißkopfes parallel zur z-Achse sowie weitere Anlagenmaße mit einbezogen werden.
Weiterhin erfolgt aufgrund der Schrägstellung der Laserentfernungsmesser 22, 23 (vgl. 1) eine Umrechnung der gemessenen Abstände 24, 25, um die "wahren" Abstände in senkrechter Richtung (parallel zur z-Achse) zu ermitteln. Diese Um rechnung kann entfallen, wenn die von den Laserentfernungsmessern 22, 23 ausgesandte Laserstrahlung exakt parallel zur z-Achse ausgesandt wird. Die vorstehend erwähnten Berechnungen werden bevorzugt mittels der Steuer- und Regeleinrichtung durchgeführt, die in der Regel ein Teil der ohnehin vorhandenen CNC-Steuerung der Portalanordnung ist.
Der erfindungsgemäße Reibrührschweißkopf erlaubt primär eine präzise Erfassung des Abstandes 15 zwischen der Schweißstiftspitze 7 und der Werkstückauflage 16 bzw. der "Backing" mit einer Genauigkeit von bis zu ± 0,05 mm zur Qualitätssicherung der erzeugten Reibrührschweißnaht. Falls erwünscht, kann auch eine Konstanthaltung des Abstandes 15 erreicht werden, wenn die Stellorgane der Portalanordnung unter Anwendung geeigneter Regelalgorithmen und der Verwendung der von den Laserentfernungsmessern 22, 23 ermittelten Abstandsmesswerte 24, 25 entsprechend angesteuert werden. Um eine möglichst genaue Messung unter einem weitgehenden Ausschluss der genannten Fehler zu erreichen, wird die Scheibe 18 möglichst weit unten am Ende des Schweißstiftes 4, in einem unteren Bereich 28 montiert.
Die von den Laserentfernungsmessern 22, 23 ausgesandte Laserstrahlung trifft gemäß 1 nicht senkrecht auf die Oberseite 26 der Scheibe 18 bzw. auf die Werkstückoberseite 12 auf. Daher ist zur Ermittlung der Abstände parallel zur z-Richtung eine trigonometrische Umrechnung der gemessenen Abstände 24, 25 erforderlich. Abweichend von der Darstellung der 1 sind die Entfernungsmesser 22, 23 bevorzugt so angeordnet, dass der Einfallswinkel der von den Laserentfernungsmessern 22, 23 ausgesandten Laserstrahlung und damit auch der Ausfallswinkel der von der Oberseite 26 der Scheibe 18 bzw. der Werkstückoberseite 12 reflektierten Laserstrahlung jeweils exakt 90° beträgt, so dass eine anschließende Umrechnung der gemessenen Abstände entfallen kann. Zugleich wird durch diese Anordnung eine optimale Reflexionswirkung erreicht. Ist eine derartige Anordnung der Laserentfernungsmesser 22, 23 im Bereich des Reibrührschweißkopfes, beispielsweise aufgrund von konstruktiven Einschränkungen, nicht möglich, so sollten die Laserentfernungsmesser 22, 23 zumindest so ange ordnet werden, dass sich für den Einfalls- und den Ausfallswinkel ein von 90° jeweils nur geringfügig abweichender Wert ergibt.
Der Schweißstiftabschnitt 4a kann auch in integraler Form durch eine in den Schweißstift 4 eingebrachte umlaufende Schulter, Nut oder als ein erhabener Ring ausgebildet sein.
Die 2 illustriert einen Längsschnitt entlang der Schnittlinie II-II durch die Scheibe 18 der Darstellung der 1.
Der Schweißstift 4 mit einer kreisförmigen Querschnittsgeometrie ist koaxial vom Schulterwerkzeug 5 umgeben. Die Scheibe 18 weist von oben gesehen eine kreisringförmige Geometrie auf. Die Scheibe 18 ist mit drei Befestigungsmitteln 19, 29, 30 verdrehfest mit dem Schweißstift 4 verbunden. Die Befestigungsmittel 19, 29, 30 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils um 120° zueinander versetzt in der Scheibe 18 angeordnet. Zur Durchführung der Befestigungsmittel 19, 29, 30 weist das Schulterwerkzeug 5 die drei Langlöcher 20, 31 sowie 32 auf. Als Befestigungsmittel 19, 29, 30 finden bevorzugt Madenschrauben mit einem Innensechskant Verwendung, die ein hohes Anzugsmoment aufweisen und zudem wenig Raum beanspruchen. Die Scheibe 18 weist weiterhin drei, jeweils um 120° zueinander versetzt angeordnete Gewindedurchgangsbohrungen 33, 34, 35 auf, in die die Befestigungsmittel 19, 29, 30 einschraubbar sind. Zur Befestigung der Scheibe 18 am Schweißstift 4 weist dieser eine umlaufende Ringnut 36 auf, in die die Befestigungsmittel 19, 29, 30 zum Festklemmen der Scheibe 18 auf dem Schweißstift 4 einschraubbar sind.
Abweichend von der gezeigten Befestigung der Scheibe 18 am Schweißstift 4 sind andere Befestigungsmöglichkeiten denkbar. Beispielsweise kann die Scheibe 18 auf den Schweißstift 4 aufgeklemmt oder anderweitig arretiert werden. An die Befestigung der Scheibe 18 am Schweißstift 4 sind in mechanischer Hinsicht keine erhöhten Anforderungen zu stellen, da der Abstand zwischen dem Gehäuse 1 des Reibrührschweißkopfes und der Oberseite 26 der Scheibe 18 durch den Entfernungsmesser 22 berührungslos erfasst wird.
Die Scheibe 18 kann beispielsweise auch mit einem Kunststoffmaterial mit einer metallischen Bedampfung zur Reflexion der Laserstrahlung gebildet sein. Zwi schen der Scheibe 18 und dem Schulterwerkzeug 5 ist umfangsseitig ein geringfügiges mechanisches Spiel vorgesehen, um Messfehler infolge einer Wärmeausdehnung des Schulterwerkzeugs 5 zu vermeiden.
Die 3 zeigt eine weitere Ausführungsvariante des Reibrührschweißkopfes. Der Schweißstift 4 ist wiederum zentrisch im Schulterwerkzeug 5 zur Bildung des Schweißwerkzeugs 3 aufgenommen. Sowohl der Schweißstift 4 als auch das Schulterwerkzeug 5 sind im Gehäuse 1 in einem Spannfutter bzw. in einer Spindel drehbar eingespannt. Das Schulterwerkzeug 5 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel drei Langlöcher auf, von denen in der Darstellung der 3 lediglich das vordere Langloch 20 dargestellt ist. Die Langlöcher sind wiederum bevorzugt gleichmäßig um den Umfang des Schulterwerkzeugs 5 um 120° versetzt eingebracht. Eine andere Anzahl von Langlöchern und eine hiervon abweichende Anordnung ist gleichfalls möglich. Weiterhin können anstatt der Langlöcher auch Ausnehmungen mit einer von der ovalen Form abweichenden Öffnungsgeometrie vorgesehen sein. Auf der Werkstückauflage 16 sind die Werkstücke 9, 10 mit der Materialstärke 27 mittels nicht dargestellter Spannmittel festgespannt. Am unteren Ende des Schweißstiftes 4 befindet sich die Schweißstiftspitze 7, die rotierend durch das infolge der erzeugten Reibungswärme plastisch gewordene Material der Werkstücke 9, 10 im Nahtbildungsbereich 14 zur Schaffung der Reibrührschweißnaht geführt wird. Das Koordinatensystem 2 verdeutlicht die Orientierung der x-Achse, der y-Achse sowie der z-Achse im Raum. Der Schweißstift 4 befindet sich im Abstand 15 von der Werkstückauflage 16 bzw. der "Backing".
Der Aufbau und die Funktion des eigentlichen Reibrührschweißkopfes entspricht somit in den wesentlichen Punkten dem in der 1 beschriebenen Reibrührschweißkopf.
Der Schweißstiftabschnitt 4a ist in dieser Ausführungsvariante als ein optischer Reflektor 37 ausgebildet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Reflektor 37 kreisförmig (gekrümmte Kreisfläche) ausgebildet. Der Reflektor 37 kann den Schweißstift 4 aber auch ringförmig (Zylindermantelfläche) umschließen, um eine gleichmäßige Abtastung, abgesehen von der periodischen Abdeckung durch das rotierende Schulterwerkzeug 5 in Bezug auf einen hierzu feststehenden Laser- Tracker 38, zu gewährleisten. Der Reflektor 37 kann beispielsweise mit einer flexiblen, reflektierenden Folie gebildet sein, die auf den Schweißstift 4 aufgeklebt oder anderweitig an diesem befestigt wird. Hierbei wird aus der Folie ein Kreis ausgestanzt, der anschließend auf den Schweißstift 4 aufgeklebt oder anderweitig aufgebracht wird. Der Reflektor 37 kann auch durch eine lokale metallische Bedampfung des Schweißstiftes 4, eine Beschichtung oder dergleichen gebildet sein. Alternativ kann der Reflektor auch durch bereichsweises Polieren des Schweißstiftabschnittes 4a hergestellt werden. Aufgrund der im Bereich des Schweißstiftes 4 auftretenden hohen Temperaturen sind an eine Befestigung bzw. die Ausbildung des Reflektors erhöhte Anforderungen zu stellen.
Mit dem unmittelbar auf der Werkstückauflage 16 als Bezugssystem angeordneten Laser-Tracker 38 lässt sich mit dem optischen Reflektor 37 zumindest ein Abstand 39 zwischen dem Reflektor 37 und der Werkstückauflage 16 unmittelbar bestimmen. Aus dem Abstand 39 lässt sich in Verbindung mit der bekannten Position des Reflektors 37, der Länge des Schweißstiftes 4 einschließlich der Schweißstiftspitze 7 sowie der Materialstärke 27 der Werkstücke 9, 10 der Abstand 15 des Schweißstiftes 4 von der Werkstückauflage 16 bzw. der "Backing" unmittelbar bestimmen. Im Gegensatz zu der Ausführungsform nach Maßgabe der 1 ist keine zusätzliche, die Messunsicherheit erhöhende Abstandsmessung zwischen dem Gehäuse 1 des Reibrührschweißkopfes und den Werkstücken 9, 10 bzw. den Werkstückoberseiten 12, 13 erforderlich. Zudem erübrigt sich eine Auswertung des Wegmessers 17 der CNC-Steuerung der Reibrührschweißvorrichtung für die Richtung der z-Achse.
Aufgrund des aktuellen absoluten Abstands 15 lässt sich die Position der Schweißstiftspitze 7 parallel zur z-Achse in vertikaler Richtung falls gewünscht nachjustieren, um den Abstand 15 mit einer Genauigkeit von bis zu ± 0,05 mm eines vorgegebenen Sollwertes konstant zu halten.
Der Laser-Tracker 38 erlaubt eine direkte Messung des Abstands 39 und nicht nur eine indirekte Messung des Abstands 40 des Reflektors 37 vom Laserentfernungsmesser 38. Die vom Laser-Tracker 38 ausgesandte Laserstrahlung verläuft im Wesentlichen parallel zur xy-Ebene. Die Langlöcher im Schulterwerkzeug 5 sind hierbei zwingend erforderlich, um eine infolge der synchronen Rotation des Schweißstiftes 4 und des Schulterwerkzeugs 5 zumindest periodische Abtastung des optischen Reflektors 37 mittels des Laser-Trackers 38 – unabhängig von etwaigen Vertikalbewegungen des Schweißstiftes 4 – zu gewährleisten.
Die 4 zeigt eine weitere Ausführungsvariante des Reibrührschweißkopfes. Zur Bildung des Schweißstiftabschnittes 4a ist im Unterschied zu der Ausführungsform nach Maßgabe der 1, 2 eine konische Scheibe 41 auf dem Schweißstift 4 befestigt. Die Schweißstiftspitze 7 befindet sich in den Werkstücken 9, 10, das heißt in der Schweißposition. Die beiden Werkstücke 9, 10 weisen jeweils die Materialstärke 27 auf. Das Koordinatensystem 2 veranschaulicht die Lage der x-Achse, der y-Achse sowie der z-Achse im Raum.
Die Befestigung der Scheibe 41 am Schweißstift 4 erfolgt bevorzugt auf dieselbe Art und Weise wie bei der Ausführungsform der Scheibe 18 nach Maßgabe der 1. Die Befestigung der Scheibe 41 erfolgt insbesondere ebenfalls im unteren Bereich des Schweißstiftes 4 mittels einer Ringnut, in die Befestigungsmittel zum Festklemmen der Scheibe 41 einbringbar sind. Weiterhin ist ein geringfügiger umlaufender Abstand zwischen der Scheibe 41 und dem Schulterwerkzeug 5 vorhanden, um wärmebedingte Spannungen und hierdurch bedingte Messunsicherheiten zu vermeiden. Alternativ kann die Scheibe 41 auch mit einem zylindrischen Grundkörper gebildet sein, der in Entsprechung zur Scheibe 18 (vgl. 1, 2) auf dem Schweißstift 4 befestigt wird. Auf den zylindrischen Grundkörper wird dann ein konischer Ring zur Bildung des abgeschrägten Randes aufgepresst, aufgeklemmt oder anderweitig befestigt.
Im Unterschied zur Scheibe 18 in der 1 ist die Scheibe 41 jedoch konisch und nicht zylindrisch ausgebildet, das heißt die Scheibe 41 weist einen abgeschrägten, konischen Rand 42 auf. Damit hat die Scheibe 41 näherungsweise die geometrische Gestalt eines niedrigen Kegelstumpfes mit einer zentrischen Bohrung zur Durchführung des Schweißstiftes 4. Der besseren Übersicht halber ist in der 4 das Schulterwerkzeug nicht dargestellt.
Bewegt sich der Schweißstift 4 mit der daran befestigen Scheibe 41 parallel zum Richtungspfeil 21 bzw. zur z-Achse auf und ab, verringert bzw. erhöht sich aufgrund der Konizität der Scheibe 41 bzw. der Schrägstellung des geneigten Randes 42 entsprechend ein Abstand 43 zwischen dem Rand 42 und dem in diesem Fall unmittelbar auf der Werkstückauflage 16 angeordneten ersten Laserentfernungsmesser 22. Da der erste Laserentfernungsmesser 22 im Unterschied zur ersten Ausführungsvariante direkt auf der Werkstückauflage 16 als Bezugspunkt angeordnet ist, ist dessen Position im Koordinatensystem 2 bekannt. Die vom ersten Laserentfernungsmesser 22 ausgesandte Laserstrahlung verläuft parallel zur xy-Ebene. Bewegt sich in der 4 die Scheibe 41 parallel zur z-Achse nach oben, so erhöht sich der Abstand 43, wie die beiden punktiert dargestellten Pfeile zeigen. Umgekehrt verhält es sich, wenn sich der Schweißstift 4 mit der Scheibe 41 nach unten bewegt. Beträgt die Schrägstellung bzw. Neigung des Randes 42 zur x-Achse beispielsweise 45°, so bewirkt jede Anhebung der Scheibe 41 um einen Betrag von 0,1 mm eine Erhöhung des Abstands 43 um 0,1 mm und umgekehrt. Je geringer die Schrägstellung des Randes 42 gewählt wird, desto höher ist hierbei die messbare Änderung des Abstands 43 im Verhältnis zum Betrag der vertikalen Bewegung der Scheibe 41 parallel zur z-Achse.
Die vom ersten Laserentfernungsmesser 22 zur Messung des Abstands 43 ausgesandte Laserstrahlung verläuft hierbei stets parallel zur xy-Ebene, das heißt zur Werkstückauflage 16 (vgl. Koordinatensystem 2). Die Pfeile zur Verdeutlichung des Abstands 43 sind lediglich aus Gründen der besseren zeichnerischen Darstellbarkeit geringfügig übereinander versetzt dargestellt. In Wirklichkeit existiert nur die vom Laserentfernungsmesser 22 ausgesandte und vom konischen Rand 42 zurückreflektierte Laserstrahlung. Die vom Laserentfernungsmesser 22 ausgesandte Laserstrahlung wird in Abhängigkeit von der vertikalen Position der Scheibe 41 nur jeweils an unterschiedlichen Punkten des schräg gestellten Randes 42 reflektiert. Aus dem Abstand 43 lässt sich aufgrund geometrischer Überlegungen zunächst eine Veränderung der Höhe 44 der Scheibe 41 in Bezug auf die Werkstückauflage 16 ermitteln. Aus einem bekannten anfänglichen Abstand 15 zwischen der "Backing" und der Schweißstiftspitze 7 lässt sich dann der aktu elle absolute Abstand 15 zwischen der Schweißstiftspitze 7 und der Werkstückauflage 16 ermitteln.
Im Unterschied zur Ausführungsvariante nach Maßgabe der 3 ist kein aufwändiger Laser-Tracker erforderlich. Die Ermittlung einer Änderung der vertikalen Position der Scheibe 41 erfolgt vielmehr in indirekter Weise über die Konizität des Randes 42 der Scheibe 41 durch eine horizontale Abstandsmessung zwischen dem konischen Rand 42 der Scheibe 41 und dem ersten Laserentfernungsmesser 22. Im Vergleich zu der Ausführungsform nach Maßgabe der 3 können mit der Anordnung nach Maßgabe der 4 zwar nur geringere Messgenauigkeiten, bei einem allerdings deutlich verringerten Aufwand erreicht werden. Die vom Laserentfernungsmesser 22 ausgesandte Laserstrahlung muss nachgeführt werden, wenn der Schweißstift 4 entlang der Schweißnaht geführt wird, um in jedem Fall eine Reflexion vom konischen Rand 42 zu erreichen. Dies kann beispielsweise durch Verschwenken des Laserentfernungsmessers 22 auf der Werkstückauflage 16 um die z-Achse herum oder durch eine Nachführung des Laserentfernungsmessers 22 parallel zum Schweißstift 4 erfolgen (parallel zur xy-Ebene).

1: Gehäuse
2: Koordinatensystem
3: Schweißwerkzeug
4: Schweißstift
4a: Schweißstiftabschnitt
5: Schulterwerkzeug
6: Längsachse
7: Schweißstiftspitze
8: Stoßkante
9: Werkstück
10: Werkstück
11: Schulter
12: Werkstückoberseite
13: Werkstückoberseite
14: Nahtbildungsbereich
15: Abstand
16: Werkstückauflage
17: Wegmesser
18: Scheibe
19: Befestigungsmittel
20: Langloch (Schulterwerkzeug)
21: Richtungspfeil
22: erster Laserentfernungsmesser
23: zweiter Laserentfernungsmesser
24: erster Abstand
25: zweiter Abstand
26: Oberseite (Scheibe)
27: Materialstärke (Werkstücke)
28: unterer Bereich (Schweißstift)
29: Befestigungsmittel
30: Befestigungsmittel
31: Langloch (Schulterwerkzeug)
32: Langloch (Schulterwerkzeug)
33: Gewindedurchgangsbohrung (Scheibe)
34: Gewindedurchgangsbohrung (Scheibe)
35: Gewindedurchgangsbohrung (Scheibe)
36: Ringnut (Schweißstift)
37: Reflektor
38: Laser-Tracker
39: Abstand
40: Abstand
41: Scheibe
42: Rand (konisch, abgeschrägt)
43: Abstand
44: Höhe

Claims

Reibrührschweißkopf mit einem Gehäuse (1) und einem Schweißwerkzeug (3) mit einem rotierenden Schweißstift (4) und mit einem rotierenden Schulterwerkzeug (5) zum Verschweißen von auf einer Werkstückauflage (16) aufliegenden Werkstücken (9, 10), wobei das im Gleichlauf mit dem Schweißstift (4) rotierende Schulterwerkzeug (5) den Schweißstift (4) koaxial umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines ersten Laserentfernungsmessers (22) ein erster Abstand (24) zwischen dem ersten Laserentfernungsmesser (22) und einem Schweißstiftabschnitt (4a) ermittelbar ist.
Reibrührschweißkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißstiftabschnitt (4a) ein am Schweißstift (4) angeordneter Reflektor zum Zurückwerfen der vom ersten Laserentfernungsmesser (22) ausgesandten Laserstrahlung ist, wobei der erste Laserentfernungsmesser (22) im Bereich des Gehäuses (1) angeordnet ist.
Reibrührschweißkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor eine das Schulterwerkzeug (5) im Wesentlichen koaxial umgebende metallische Scheibe (18) ist, wobei die metallische Scheibe (18) am Schweißstift (4) befestigt ist und deren Oberseite (26) die vom ersten Laserentfernungsmesser (22) ausgesandte Laserstrahlung reflektiert.
Reibrührschweißkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schulterwerkzeug (5) mindestens drei, gleichmäßig um den Umfang verteilte Langlöcher (20) aufweist, durch die jeweils ein Befestigungsmittel (19), insbesondere jeweils eine Befestigungsschraube, in eine Ringnut (36) des Schweißstiftes (4) zur Befestigung der metallischen Scheibe (18) am Schweißstift (4) einführbar ist.
Reibrührschweißkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (36) in einem unteren Bereich (28) des Schweißstiftes (4) angeordnet ist.
Reibrührschweißkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines zweiten Laserentfernungsmessers (23) ein zweiter Abstand (25) zwischen dem Gehäuse (1) und einer der Werkstückoberseiten (12, 13) messbar ist.
Reibrührschweißkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Steuer- und Regeleinrichtung aus dem ersten Abstand (24) eine Änderung des Abstands (15) zwischen der Schweißstiftspitze (7) und der Werkstückauflage (16) ermittelbar ist.
Reibrührschweißkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuer- und Regeleinrichtung aus dem ersten und dem zweiten Abstand (24, 25) ein absoluter Abstand (15) zwischen der Schweißstiftspitze (7) und der Werkstückauflage (16) ermittelbar ist.
Reibrührschweißkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laserentfernungsmesser (22) unmittelbar auf der Werkstückauflage (16) angeordnet ist und der Schweißstiftabschnitt (4a) eine als Reflektor ausgebildete und am Schweißstift (4) angeordnete konische Scheibe (41) ist, deren konischer Rand (42) die vom ersten Laserentfernungsmesser (22) in horizontaler Richtung ausgesandte Laserstrahlung reflektiert.
Reibrührschweißkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung des Abstands (15) zwischen der Schweißstiftspitze (7) und der Werkstückauflage (16) aus einem Abstand (43) zwischen dem konischen Rand (42) und dem ersten Laserentfernungsmesser (22) mittels der Steuer- und Regeleinrichtung ermittelbar ist.
Reibrührschweißkopf mit einem feststehenden Gehäuse (1) und einem Schweißwerkzeug (3) mit einem rotierenden Schweißstift (4) und mit einem rotierenden Schulterwerkzeug (5) zum Verschweißen von auf einer Werkstückauflage (16) aufliegenden Werkstücken (9, 10), wobei das im Gleichlauf mit dem Schweißstift (4) rotierende Schulterwerkzeug (5) den Schweißstift (4) koaxial umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar auf der Werkstückauflage (16) ein Laser-Tracker (38) angeordnet ist und mittels des Laser-Trackers (38) zumindest ein Abstand (39) zwischen einem Schweißstiftabschnitt (4a) und der Werkstückauflage (16) messbar ist, um einen Abstand (15) zwischen der Schweißstiftspitze (7) und der Werkstückauflage (16) zu ermitteln.
Reibrührschweißkopf nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißstiftabschnitt (4a) als mindestens ein Reflektor (37) zum Zurückwerfen der vom Laser-Tracker (38) ausgesandten Laserstrahlung ausgebildet ist und das Schulterwerkzeug (5) mindestens ein Langloch (20) zur Transmission der vom Laser-Tracker (38) ausgesandten Laserstrahlung aufweist.
Reibrührschweißkopf nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Reflektor (37) in einem unteren Bereich (28) des Schweißstiftes (4) angeordnet ist.
Verfahren zur Steuerung eines Reibrührschweißkopfes, insbesondere eines Reibrührschweißkopfes nach Maßgabe eines der Ansprüche 1 bis 13, umfassend die folgenden Schritte: a) Festlegen eines Sollwertes für einen Abstand (15) zwischen der Schweißstiftspitze (7) und der Werkstückauflage (16), b) Setzen des Abstands (15) auf einen Anfangswert, c) Beginn des Reibrührschweißprozesses zum Fügen der Werkstücke (9, 10) im Nahtbildungsbereich (14) mittels des Schweißwerkzeugs, d) Messen des Abstands (24) mittels mindestens eines Laserentfernungsmessers (22), e) Absenken des Schweißstiftes (4) in vertikaler Richtung, wenn der aktuell ge messene Abstand (15) größer als der Anfangswert ist, f) Anheben des Schweißstiftes (4) in vertikaler Richtung, wenn der aktuell gemessene Abstand (15) kleiner als der Anfangswert ist, und g) Wiederholen der Schritte d) bis f) bis der Reibrührschweißprozess beendet ist.