-
Die
Erfindung betrifft eine Reibrührschweißvorrichtung
mit einem Reibrührschweißkopf und
mit mindestens zwei Vakuumhalteeinrichtungen zur Auflage und zum
Festspannen von mindestens zwei durch Reibrührschweißen zu verbindenden Bauteilen,
wobei in einer Schweißposition
Längskanten
der Bauteile auf einer Schweißunterlage
aufliegen und die Bauteile durch Reibrührschweißen unter Bildung einer Längsschweißnaht zusammenfügbar sind.
-
Im
Flugzeugbau sollen zunehmend Nietverbindungen zwischen flächenhaften
Bauteilen, beispielsweise zwischen verstärkten Aluminiumhautblechen
für die
Beplankung von Rumpfzellen, durch Reibrührschweißverbindungen ersetzt werden.
Reibrührschweißverbindungen
zwischen Bauteilen weisen im Nahtbildungsbereich eine nahezu optimale Gefügestruktur
auf, die mit den ursprünglichen
Materialeigenschaften der noch nicht verschweißten Bauteile vergleichbar
ist. Die Verbindung von Werkstücken
durch das Reibrührschweißen (sog. "friction stir welding", "FSW") ermöglicht die
Herstellung von mechanisch hochbelastbaren Schweißnähten, deren mechanische
Eigenschaften denen des Vollmaterials praktisch gleich stehen. Das
Reibrührschweißverfahren
ist insbesondere für
die Herstellung von Stumpfnähten
zwischen den Längskanten
von Aluminiumhautblechen geeignet, wobei geradlinige sowie einer beliebigen
Kurvenform folgende Schweißnähte hergestellt
werden können.
-
Bekannte
Ausführungsformen
von Reibrührschweißvorrichtungen
weisen einen Reibrührschweißkopf mit
einem um seine Längsachse
rotierenden Schweißstift
auf, der von einem synchron zum Schweißstift drehenden Schulterwerkzeug
koaxial umgeben ist. Der Schweißstift
ist in einem Spannfutter aufgenommen und kann daher beispielsweise
im Verschleißfall
leicht ausgetauscht werden. Zum Reibrührverschweißen von zwei Bauteilen, beispielsweise
in der Form von zwei Aluminiumblechen, wird der rotierende Schweißstift zusammen
mit der Werkzeugschulter zwischen die parallel und mit einem möglichst
geringen Abstand auf Stoß zu
einander verlaufenden Längskanten
der Werkstücke
geführt.
Die Längskanten
können
auch direkt auf Stoß miteinander
verschweißt
werden, so dass der Abstand zwischen den Längskanten Null ist.
-
Infolge
der durch die Rotation des Schweißstiftes und des Schulterwerkzeugs
erzeugten Reibungswärme
wird das Material im Nahtbildungsbereich plastifiziert, wobei der
rotierende Schweißstift die
Verrührung
und damit eine Vermischung des Materials der Werkstücke über die
Längskanten
der Bauteile hinweg bewirkt. Die Werkzeugschulter sorgt darüber hinaus
noch für
eine Glättung
der Nahtoberfläche.
Die Führung
des Reibrührschweißkopfes
erfolgt zum Beispiel an einer CNC-gesteuerten Portalanordnung mit
einer Vielzahl von Freiheitsgraden.
-
Um
eine hochwertige Reibrührschweißverbidung
herzustellen, müssen
die Bauteile zumindest im Bereich der zu verschweißenden Längskanten
möglichst
geringe Toleranzen aufweisen, die nicht immer eingehalten werden
können.
Insbesondere muss die Materialstärke
der Bauteile entlang der Längskanten möglichst
gleich sein, zumindest aber in einem vorgegebenen Toleranzintervall
liegen. Darüber
hinaus muss der Abstand zwischen den Längskanten der auf Stoß zu verschweißenden Bauteile über die
gesamte Länge
der Reibrührschweißnaht hinweg
innerhalb der vorgegebenen Toleranzen konstant sein.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Reibrührschweißvorrichtung zu konstruieren,
die eine gegebenenfalls erforderliche mechanische Nachbearbeitung
der durch eine Reibrührschweißnaht zu verbindenden
Bauteile unmittelbar auf der Reibrührschweißvorrichtung ermöglicht,
um etwaig vorhandene Toleranzabweichungen entlang der Längskanten der
zu verschweißenden
Bauteile zu beseitigen.
-
Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
-
Dadurch,
dass die Schweißunterlage
und mindestens eine Vakuumhalteeinrichtung in eine Bearbeitungsposition
verfahrbar sind, um in der Bearbeitungsposition die Längskanten
der Bauteile zumindest in einem Nahtbildungsbereich zum Ausgleich
von Bauteiltoleranzen mechanisch zu bearbeiten,
können beispielsweise
Bauteile mit einer im Nahtbildungsbereich, das heißt im Bereich
der Längskanten,
geringfügig
unterschiedlichen Materialstärke
exakt auf dieselbe Dicke gebracht werden bzw. eine rechtwinklige
und gerade Stirnfläche
erzielt werden, um eine Reibrührschweißnaht mit
optimalen Eigenschaften zu erzeugen.
-
Zu
diesem Zweck wird zunächst
ein Bauteil auf einer Vakuumhalteeinrichtung der Reibrührschweißvorrichtung
angeordnet und durch das Anlegen eines Vakuums fixiert. Um eine
Bearbeitung der Längskante
dieses Bauteils zu gewährleisten,
wird die beim Reibrührschweißverfahren
erforderliche Schweißunterlage
("Backing") nach unten abgesenkt und
die Längskante
mittels eines Fräsers
einer entsprechenden Bearbeitung zur Reduzierung der Materialstärke im Bereich
der Längskante
unterzogen. In diesem Zustand befindet sich die Reibrührschweißvorrichtung
bereits in der so genannten "Bearbeitungsposition".
-
Anschließend wird
ein mit dem ersten Bauteil zu verschweißendes zweites Bauteil auf
einer weiteren, gegenüberliegenden
Vakuumhalteeinrichtung angeordnet, ausgerichtet und durch das Anlegen
eines Unterdrucks gegen Verrutschen gesichert. Anschließend wird
die Vakuumhalteeinrichtung noch ein kleines Stück in horizontaler Richtung
nach außen verfahren,
um gegebenenfalls auch eine mechanische Bearbeitung der Längskante
des zweiten Bauteils entsprechend der Bearbeitung der Längskante des
ersten Bauteils vorzunehmen. Auch in diesem Status befindet sich
die Reibrührschweißvorrichtung noch
in der "Bearbeitungsposition".
-
Hierbei
können
die Oberseiten und/oder die Unterseiten beider Bauteile im Bereich
der parallel zu einander verlaufenden Längskanten (Nahtbildungsbereich)
einer mechanischen Bearbeitung unterzogen werden, so dass sich beispielsweise
unterschiedliche Materialstärken
der zu verschweißenden Bauteile
im Nahtbildungsbereich beseitigen lassen. Alternativ ist auch eine
vollflächige
Bearbeitung zumindest der Oberseiten der Bauteile möglich. Die
Unterseite der Bauteile lässt
sich wegen der Auflage auf den Vakuumhalteeinrichtungen in der Regel
nur im Bereich der Längskanten
(Nahtbildungsbereich) bearbeiten.
-
Weiterhin
ist auch eine mechanische Bearbeitung der Stoßflächen (Stirnflächen) der
Bauteile möglich.
Hierdurch lässt
sich beispielsweise ein, bis auf eine zugelassene Toleranzabweichung,
konstanter Abstand zwischen den parallel gegenüberliegenden Längskanten
der zu verschweißenden
Bauteile erzielen.
-
Die
mechanische Bearbeitung der Längskanten
im Nahtbildungsbereich erfolgt beispielsweise mittels eines Fräsers, der
anstelle des üblicherweise benutzten
Reibrührschweißwerkzeugs
in den Reibrührschweißkopf der
Vorrichtung eingesetzt wird. Alternativ kann unter Benutzung des
Reibrührschweißkopfes
auch eine Bearbeitung durch ein Schleifwerkzeug, ein Polierwerkzeug
oder dergleichen erfolgen, wodurch sich beispielsweise ein Oberflächenschutz
auf den Bauteilen im Nahtbildungsbereich beseitigen lässt.
-
Zur
Durchführung
des eigentlichen Reibrührschweißprozesses
wird die Reibrührschweißvorrichtung
wieder von der "Bearbeitungsposition" in die "Schweißposition" zurückgesetzt
bzw. zurück
verfahren. Hierzu wird zunächst
die zweite Vakuumhalteeinrichtung mit dem darauf fixierten zweiten
Bauteil in horizontaler Richtung soweit nach innen verfahren, bis
sich zwischen den Längskanten
der beiden auf Stoß zu
verschweißenden
Bauteile ein Abstand von etwa 0 mm einstellt. Anschließend wird
die Schweißunterlage
in vertikaler Richtung hochgefahren, bis diese fest unterhalb des
Nahtbildungsbereichs anliegt. Hiernach befindet sich die Reibrührschweißvorrichtung
wieder in der normalen, so genannten "Schweißposition", in der der Reibrührschweißprozess ausgeführt werden
kann. Alternativ kann zusätzlich
auch die erste Vakuumhaltevorrichtung in horizontaler Richtung verfahrbar
ausgebildet sein.
-
Mittels
der erfindungsgemäßen Reibrührschweißvorrichtung
lassen sich Bauteile mit Maßabweichungen
insbesondere im Nahtbildungsbereich bereits vor der Durchführung des
Reibrührschweißprozesses
unmittelbar in der Reibrührschweißvorrichtung
mechanisch bearbeiten, so dass etwaig vorhandene fertigungsbedingte
Toleranzen eliminiert werden können
und eine Reibrührschweißnaht mit höchstmöglicher
Qualität
erzeugbar ist.
-
Hierbei
ist insbesondere von Vorteil, dass die mechanische Bearbeitung der
Bauteile im festgespannten Zustand unmittelbar in der Reibrührschweißvorrichtung
selbst erfolgt, so dass zusätzliche
Ungenauigkeiten, die durch eine Bearbeitung auf externen Bearbeitungsmaschinen
(z.B. CNC-Fräszentren
oder dergleichen) und das erneute Ausrichten und Spannen der Bauteile
auf der Reibrührschweißvorrichtung
erzeugt würden,
vermieden werden.
-
Die
Kontrolle der Verfahrwege der Schweißunterlage sowie der mindestens
einen Vakuumhalteeinrichtung erfolgt manuell oder vorzugsweise mit derselben
Steuer- und Regeleinrichtung
(CNC-Steuerung), die ohnehin schon in der Reibrührschweißvorrichtung zur Kontrolle
der Lage des Reibrührschweißkopfes
im Raum vorhanden ist.
-
Weiterhin
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Reibrührverschweißen von Bauteilen mit für den Reibrührschweißvorgang
nicht tolerablen Maßabweichungen,
insbesondere mit einer Reibrührschweißvorrichtung
nach Maßgabe
des Patentanspruchs 1, umfassend die folgenden Schritte:
- a) Absenken einer Schweißunterlage in vertikaler Richtung
in eine Bearbeitungsposition,
- b) Fixieren eines Bauteils auf einer Vakuumhalteeinrichtung,
- c) mechanische Bearbeitung einer Längskante des Bauteils,
- d) Fixieren eines weiteren Bauteils auf einer weiteren Vakuumhalteeinrichtung,
- e) gegebenenfalls nach außen
Verfahren der weiteren Vakuumhalteeinrichtung in die Bearbeitungsposition,
Wiederholung des Schrittes c) am weiteren Bauteil und nach innen
Verfahren der weiteren Vakuumhalteeinrichtung,
- f) Anheben der Schweißunterlage
in die Schweißposition
und
- g) Reibrührverschweißen der
mindestens zwei Bauteile unter Bildung einer Längsschweißnaht.
-
Durch
diese erfindungsgemäße Schrittabfolge
wird eine höchstmögliche Qualität einer
mit der erfindungsgemäßen Reibrührschweißvorrichtung
zu erzeugenden Längsschweißnaht gewährleistet,
da etwaige Maßabweichungen
der zusammenzufügenden
Bauteile gegebenenfalls noch im Vorfeld vor dem Reibrührschweiß prozess
unmittelbar auf der Reibrührschweißvorrichtung
durch eine mechanische Nachbearbeitung ausgeglichen bzw. beseitigt
werden können.
Sind die beiden Bauteile maßhaltig,
so können
die Schritte c) und e) entfallen.
-
Um
eine mechanische Nachbearbeitung von nicht für den Reibrührschweißprozess hinreichend maßhaltigen
Bauteilen zu ermöglichen,
wird lediglich das üblicherweise
zur Durchführung
des Reibrührschweißprozesses
im Reibrührschweißkopf eingesetzte
Reibrührschweißwerkzeug
durch ein zur mechanischen Bearbeitung der Längskanten geeignetes Werkzeug,
beispielsweise einen Fräser,
ein Schleif- oder Polierwerkzeug, ersetzt. Anschließend wird
die Reibrührschweißvorrichtung
von der "Schweißposition" in die "Bearbeitungsposition" gebracht bzw. verfahren.
Um von der "Schweißposition" in die "Bearbeitungsposition" zu gelangen, wird
die Schweißunterlage
nach unten abgesenkt und mindestens eine Vakuumhalteeinrichtung
horizontal nach außen
verschoben. Nachdem die mechanische Bearbeitung der Längskanten
abgeschlossen ist, wird das Werkzeug zur mechanischen Bearbeitung der
Längskanten
wieder durch das Reibrührschweißwerkzeug
ersetzt. Anschließend
wird die Reibrührschweißvorrichtung
wieder in die "Schweißposition" gebracht, das heißt die Schweißunterlage
wird wieder in Kontakt mit dem Nahtbildungsbereich der zu verschweißenden Bauteile
gebracht und die Vakuumhalteeinrichtung wird nach innen zurück gefahren, so
dass der eigentliche Reibrührschweißprozess
beginnen kann.
-
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung sind in den weiteren
Patentansprüchen
dargelegt.
-
In
der Zeichnung zeigt:
-
1 Zwei
durch Reibrührschweißen auf Stoß zu verbindende
maßhaltige
Bauteile,
-
2 zwei
mittels Reibrührschweißen verbundene
Bauteile,
-
3 zwei
Bauteile mit einer für
das Reibrührschweißen nicht
tolerablen Maßabweichung und
-
4 eine
schematisierte perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Reibrührschweißvorrichtung.
-
In
der Zeichnung weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselbe
Bezugsziffer auf.
-
Die 1 zeigt
zwei durch Reibrührschweißen auf
Stoß zu
verbindende Bauteile.
-
Ein
Bauteil 1 und ein Bauteil 2 weisen jeweils zwei
Längskanten 3, 4 auf,
die parallel unter einem einstellbaren Abstand 5 zueinander
verlaufen. In einem Nahtbildungsbereich 6 erfolgt während des
Reibrührschweißprozesses
die Verrührung
des plastifizierten Materials der Bauteile 1, 2 mittels
des Schweißstiftes
und der Werkzeugschulter und damit die Bildung der Reibrührschweißnaht. Die
Bauteile 1, 2 sind gegebenenfalls jeweils durch
ein Verstärkungselement 7, 8 verstärkt. Bei
den Bauteilen 1, 2 kann es sich zum Beispiel um
Hautbleche aus einer Aluminiumlegierung für die Beplankung von Rumpfzellen
von Flugzeugen handeln, die mit Stringern als Verstärkungselemente 7, 8 versteift
sind.
-
Der
Abstand 5 kann zur Durchführung des Reibrührschweißprozesses – in Abhängigkeit
von den Erfordernissen des eingesetzten Reibrührschweißwerkzeugs und weiterer Prozessparameter – variiert
werden. Im Idealfall beträgt
der Abstand 5 bzw. die Spaltbreite 0 mm. Ist der Abstand 5 zu
groß, so
dringt das Reibrührschweißwerkzeug
zu tief in das Material der Bauteile 1, 2 ein.
In diesem Fall weist die Reibrührschweißnaht keine
optimalen Eigenschaften auf.
-
Die
in 1 gezeigten Bauteile 1, 2 sind maßhaltig,
d.h. insbesondere die Materialstärke
der Bauteile 1, 2 im Nahtbildungsbildungsbereich
stimmt mit hoher Genauigkeit überein
bzw. die Abweichung ist für
die Durchführung
des Reibrührschweißprozesses
tolerabel. Es liegt kein Dickenversatz zwischen den Bauteilen 1, 2 vor.
Daher lässt
sich zwischen den Bauteilen 1, 2 eine Reibrührschweißverbindung
mit optimalen Eigenschaften erzielen. Probleme beim Reibrührschweißen können darüber hinaus
auch entstehen, wenn der Abstand 5 entlang der Längskanten 3, 4 (senkrecht
zur Zeichenebene) nicht annähernd konstant
bzw. zu groß ist
(siehe oben), obwohl kein Dickenversatz vorhanden ist.
-
Die 2 zeigt
die durch eine Reibrührschweißnaht verbundenen
Bauteile.
-
Die
beiden Bauteile 1, 2 sind durch eine im Reibrührschweißverfahren
gebildete Längsschweißnaht 9 miteinander
verschweißt.
Der Nahtbildungsbereich 6 kann unter Umständen eine
etwas größere Breite
als die Längsschweißnaht 9 aufweisen,
da in den an die Schweißnaht 9 angrenzenden
Randbereichen (Bereich der Längskanten 3, 4 der
Bauteile 1, 2) infolge des Reibrührschweißprozesses
Materialtemperaturen auftreten, die zu Gefügeveränderungen auch außerhalb
des Bereichs der Längsschweißnaht 9 führen können.
-
Die 3 zeigt
zwei Bauteile mit einer herstellungstechnisch bedingten relevanten
Maßabweichung
bzw. Toleranzabweichung (Dickenversatz und Spalt von mehr als 0
mm), die für
den Reibrührschweißprozess
nicht mehr tolerabel ist, und die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Reibrührschweißvorrichtung
beseitigt werden muss.
-
Die
Längskanten 3, 4 der
Bauteile 1, 2 verlaufen unter Bildung eines Spalts
im Abstand 5 voneinander. In diesem Fall weist das Bauteil 1 zusätzlich im
Nahtbildungsbereich 6 eine höhere Materialstärke als
das Bauteil 2 auf. Durch den Spalt oder durch diesen Dickenversatz 10 bzw.
diese Differenz der Materialstärken
der Bauteile 1, 2 im Nahtbildungsbereich 6 (Maßabweichung,
Toleranzabweichung) ist keine einwandfreie Nahtbildung im Reibrührschweißprozess
mehr gewährleistet.
-
Um
den Dickenversatz 10 zu beseitigen, wird eine Oberseite 11 im
Bereich der Längskante 3 des Bauteils 1 mechanisch
bearbeitet. Das mechanische Bearbeiten dieses Bereichs kann beispielsweise durch
Fräsen,
Schleifen, Polieren oder dergleichen erfolgen. Hierdurch wird eine
Materialstärke
des Bauteils 1 im Bereich der Längskante 3 der Materialstärke des
Bauteils 2 im Bereich der Längs kante 4 angeglichen.
Im Fall einer Bearbeitung einer Unterseite 13 müsste die
horizontale Ausrichtung des Bauteils 1 später noch
nach unten korrigiert werden. Eine Bearbeitung einer Oberseite 12 bzw.
einer Unterseite 14 des Bauteils 2 wäre in der
gezeigten Konstellation mit vertretbarem Aufwand nicht möglich, da
in diesem Fall Material aufgetragen werden müsste, um den Dickenversatz 10 auszugleichen.
Die Bearbeitung der Unterseiten 13, 14 ist zudem
aufwändiger,
da die Bauteile 1, 2 mit ihren Unterseiten 13, 14 jeweils
zumindest bereichsweise auf Vakuumhalteeinrichtungen (Vakuumspanntischen)
aufliegen bzw. festgespannt sind.
-
Durch
die mechanische Bearbeitung der Oberseiten 11, 12 bzw.
der Unterseiten 13, 14 der Bauteile 1, 2 im
Bereich der Längskanten 3, 4 kann zugleich
und/oder ausschließlich
ein etwaig aufgebrachter Oberflächenschutz
der Bauteile 3, 4 – zum Beispiel eine Lackschicht
zum Korrosionsschutz – durch
den die Qualität
der Reibrührschweißnaht gleichfalls
beeinträchtigt
werden könnte,
entfernt werden. Weiterhin ist es gegebenenfalls möglich, die mechanische
Bearbeitung auf die Gesamtfläche
der Oberseiten 11, 12 bzw. der Unterseiten 13, 14 der Bauteile 1, 2 auszudehnen.
-
Schließlich kann,
für den
Fall dass beispielsweise der Abstand 5 zwischen den Längskanten 3, 4 in
senkrechter Richtung zur Zeichenebene nicht gleichmäßig bzw.
konstant ist, eine Glättung
der Längskanten 3, 4 bzw.
der zueinander weisenden nicht mit einer Bezugsziffer versehenen
Stoßflächen durch
die mechanische Bearbeitung herbeigeführt werden, so dass die Längskanten 3, 4 (in
senkrechter Richtung zur Zeichenebene) stets mit konstantem Abstand 5 parallel
zueinander verlaufen und eine hohe Qualität der zu erzeugenden Längsschweißnaht 9 erreichbar
ist. Für
den anschließenden
Reibrührschweißprozess
beträgt
der Abstand 5 bevorzugt ungefähr 0 mm, d.h. die Längskanten 3, 4 liegen im
Wesentlichen vollflächig
auf Stoß aneinander
an.
-
Die 4 zeigt
eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Reibrührschweißvorrichtung, mittels der im
Fall einer für
den Reibrührschweißprozess
nicht tolerablen Maßabweichung eine
mechanische Bearbeitung der Bauteile möglich ist.
-
Eine
Reibrührschweißvorrichtung 15 umfasst
unter anderem einen Reibrührschweißkopf 16 mit
einem Spannfutter 17 zum Einspannen eines Reibrührschweißwerkzeugs 18.
Das Reibrührschweißwerkzeug 18 umfasst
weiterhin einen Schweißstift 19 und
eine Werkzeugschulter 20. Der Reibrührschweißkopf 16 ist an einer
nicht dargestellten Positioniervorrichtung, beispielsweise in Form
einer CNC-gesteuerten Portalanordnung mit mindestens 6-Freiheitsgraden,
im Raum frei positionierbar. Die drei Raumrichtungen (x-Achse, y-Achse,
z-Achse) sind durch ein Koordinatensystem 21 verdeutlicht. Weiterhin
weist die Reibrührschweißvorrichtung
einen Unterbau 22 auf, der auf einer Grundfläche 23 ruht.
Auf dem Unterbau 22 sind beidseitig zu einer Schweißunterlage 24 (sog. "Backing") zwei Vakuumhalteeinrichtungen 25, 26 zur
Auflage und zum Festspannen der zu verschweißenden Bauteile angeordnet.
Die Vakuumhalteeinrichtungen 25, 26 bilden zusammen
mit der Schweißunterlage 24 sowie
dem Unterbau 22 einen nicht mit einer Bezugsziffer versehenen
Schweißtisch.
Die Schweißunterlage 24 kann zum
Beispiel aus einem hinreichend temperaturfesten Metallhalbzeug gefertigt
sein. Weiterhin kann alternativ zum Reibrührschweißwerkzeug 18 beispielsweise
ein Fräser 27 in
das Spannfutter 17 des Reibrührschweißkopfes 16 eingesetzt
werden. Die Vakuumhalteeinrichtungen 25, 26 weisen
eine Vielzahl von nicht mit einer Bezugsziffer versehenen Löchern oder
schachbrettartig angeordneten Vakuumkanälen auf, die zum Festspannen
der Bauteile 28, 29 mit Unterdruck beaufschlagbar
sind, um die beim Reibrührschweißen auftretenden
hohen Kräfte
aufnehmen zu können.
Die Vakuumhalteeinrichtungen 25, 26 weisen eine
derartige Oberflächengeometrie
auf, dass eine möglichst
vollflächige
Auflage der zu verschweißenden
Bauteile 28, 29 gegeben ist. Die Vakuumhalteeinrichtungen 25, 26 können austauschbar
ausgebildet sein, um eine Anpassung an ebene, zylindrisch oder sphärisch gekrümmte Bauteile 28, 29 zu
erreichen.
-
Die
Bauteile 28,29 werden entlang der parallel zu
einander verlaufenden Längskanten 30, 31 mittels
der Reibrührschweißvorrichtung 15 verschweißt. Für den Reibrührschweißprozess
muss ein möglichst geringer
Abstand 32 zwischen dem Bauteil 28 und dem – der besseren
zeichnerischen Übersicht
halber abgehoben von der Vakuumhalteeinrichtung 26 dargestellten – weiteren
Bauteil 29 eingehal ten werden. Im Idealfall beträgt der Abstand 32 bzw.
der Spalt 0 mm, das heißt
die Längskanten 30, 31 liegen
(nahezu) vollflächig
auf Stoß aneinander
an. Zudem liegt das Bauteil 29 während des Reibrührschweißvorgangs – wie mit
der strichliniert dargestellten Umrissdarstellung des Bauteils 29 angedeutet – fest auf
der Vakuumhalteeinrichtung 26 auf bzw. ist auf dieser festgespannt.
Zumindest der Nahtbildungsbereich 33 zwischen den Bauteilen 28, 29 liegt
zur Abstützung während des
Schweißvorgangs
unmittelbar auf der Schweißunterlage 24 und/oder
den angrenzenden Bereichen der Vakuumhalteeinrichtung 25, 26 auf.
-
Erfindungsgemäß ist die
Schweißunterlage 24 in
Richtung des Pfeils 34 (parallel zur z-Achse) absenkbar
und zumindest die Vakuumhalteeinrichtung 26 ist in Richtung
des Pfeils 35 (parallel zur x-Achse), das heißt nach
Außen,
verfahrbar ausgebildet.
-
Alternativ
kann zusätzlich
auch die Vakuumhalteeinrichtung 25 in Richtung eines Pfeils 36 (parallel
zur x-Achse) nach außen
verfahrbar ausgebildet sein. Sind beide Vakuumhalteeinrichtungen 25, 26 verfahrbar
ausgebildet, werden diese zum Übergang von
der "Schweißposition" in die "Bearbeitungsposition" parallel zur x-Achse
auseinander gefahren. Beim umgekehrten Vorgang, also beim Wechsel
von einer "Bearbeitungsposition" in eine "Schweißposition" der Reibrührschweißvorrichtung
werden beide Vakuumhalteeinrichtungen 25, 26 dann
aufeinander zu gefahren, bis sich der zum Reibrührschweißen richtige Abstand zwischen
den Längskanten
der Bauteile eingestellt hat. Zusätzlich kann auch noch eine
Verfahrbarkeit der Vakuumhalteeinrichtung 25 und/oder der Vakuumhalteeinrichtung 26 parallel
zur y-Achse vorgesehen sein, um eine bessere Ausrichtung der Bauteile 28, 29 im
festgespannten Zustand zu erreichen.
-
Die
Kontrolle der Verfahrwege der Schweißunterlage 24 und
der Vakuumhalteeinrichtung 25 sowie gegebenenfalls auch
der Vakuumhalteeinrichtung 26 erfolgt mittels einer nicht
dargestellten Steuer- und Regeleinrichtung. Vorzugsweise wird hierzu die
zur Steuerung der Reibrührschweißvorrichtung 15 vorhandene
CNC-Steuerung, die
zur Lagekontrolle des Reibrührschweißkopfes 16 im
Raum dient, eingesetzt. Alternativ oder ergänzend kann eine manuelle Steuerbarkeit
vorgesehen sein.
-
In
der Darstellung der 4 befindet sich die Reibrührschweißvorrichtung 15 in
der "Schweißposition", in der die Bauteile 28, 29 (strichlinierte
Darstellung des Bauteils 29) durch Herstellung einer Reibrührschweißverbindung
entlang der Längskanten 30, 31 in
bekannter Weise durch Reibrührschweißen gefügt werden.
Hierbei liegt das Bauteil 29 – wie mit der strichlinierten
Umrissdarstellung in der 4 angedeutet – vorzugsweise
vollflächig
auf der zweiten Vakuumhalteeinrichtung 26 auf und der Schweißstift 19 wird
durch den Nahtbildungsbereich 33 geführt, während die Werkzeugschulter 20 entlang
von Oberseiten 37, 38 der Bauteile 28, 29 im
Bereich der Längskanten 30, 31 geführt wird
und für
eine im Wesentlichen glatte Schweißnahtoberfläche im Bereich der Oberseiten 37, 38 im
Nahtbildungsbereich 33 der Bauteile 28, 29 sorgt.
Eine im Wesentlichen glatte Schweißnaht im Bereich der Unterseiten 39, 40 der Bauteile 28, 29 wird
durch die Schweißunterlage 24 sichergestellt.
Die Unterseiten 39, 40 der Bauteile 28,29 liegen
hierbei bevorzugt vollflächig
auf den Vakuumhalteeinrichtungen 25, 26 und der
Schweißunterlage 24 auf,
um ein Verrutschen der Bauteile 28, 29 zu vermeiden.
Abweichend von der Darstellung der 4 können die
Längskanten 30, 31 auch
eine von der Geometrie einer Geraden abweichende Gestalt aufweisen
und beispielsweise abschnittsweise unterschiedlich stark gekrümmt sein.
-
Von
entscheidender Bedeutung für
die Güte der
in der 4 nicht dargestellten, zwischen den Bauteilen 28, 29 gebildeten
Längsschweißnaht ist zum
einen ein weitgehend konstanter und kleiner Abstand der Längskanten 30, 31 zueinander,
der im Idealfall 0 mm betragen sollte, sodass eine (nahezu) vollflächige Anlage
der Längskanten 30, 31 auf
Stoß gegeben
ist. Zum anderen muss die Materialstärke der Bauteile 28, 29 im
Nahtbildungsbereich 33 möglichst gleich sein, das heißt es darf
kein nennenswerter Dickenversatz vorhanden sein, der außerhalb
einer für
den Reibrührschweißprozess
tolerablen Maßabweichung
liegt (vgl. 3).
-
Weisen
die Bauteile 28, 29 jedoch einen, wenn auch geringfügigen, Dickenversatz
auf, so wird die Reibrührschweißvorrichtung 15 in
die so genannte "Bearbeitungsposition" verfahren bzw. in
den "Bearbeitungszustand" versetzt. Hierzu
wird zumindest die Schweißunterlage 24 in
Richtung des Pfeils 34 nach Unten verfahren (parallel zur
z-Achse) und zumindest die rechte Vakuumhalteeinrichtung 26 wird
in Richtung des Pfeils 35 nach Außen, das heißt nach rechts
verfahren (parallel zur x-Achse). Anschließend wird anstelle des Reibrührschweißwerkzeugs 18 der Fräser 27 oder
ein anderes geeignetes Bearbeitungswerkzeug in das Spannfutter 17 des
Reibrührschweißkopfes 16 eingesetzt
und festgespannt. Mittels des durch den Reibrührschweißkopf 16 frei im Raum
positionierbaren Fräsers 27 kann
nunmehr eine umfangreiche mechanische Bearbeitung der Längskanten 30, 31 der
Bauteile 28, 29 erfolgen.
-
Ist
beispielsweise eine Materialstärke
des Bauteils 28 zu hoch, so wird die Oberseite 37 des Bauteils 28 zumindest
im Bereich der Längskante 30 soweit
abgefräst,
bis die Materialstärke
mit dem zweiten Bauteil 29 im Rahmen einer vorgebenen Toleranz übereinstimmt.
Ist hingegen die Materialstärke
des zweiten Bauteils 29 zu groß, wird entsprechend die Oberseite 38 des
zweiten Bauteils 29 zumindest im Bereich der Längskante 31 soweit
abgefräst
bzw. abgetragen, bis eine Abweichung der Materialstärken der
Bauteile 28, 29 im Bereich einer für den Reibrührprozess
vorgebenen Toleranz liegt.
-
Weicht
beispielsweise die geometrische Gestalt der Längskante 30 von einer
idealen geradlinigen Geometrie ab, so ist mittels des Fräsers 27 eine Glättung der
nicht mit einer Bezugsziffer versehenen Stoßflächen der Längskanten 30, 31 möglich, so dass
sich ein im Rahmen zulässiger
Maßabweichungen
konstanter Abstand 32 zwischen den Längskanten 30, 31 in
der "Schweißposition" einstellt und eine hohe
Qualität
der Längsschweißnaht erreichbar
ist. Alternativ können
auch kurvenförmig
konturierte Längskanten 30, 31 der
Bauteile 28, 29 mittels des Fräsers 27 entsprechend
korrigiert werden. Die Längskanten 30, 31 können durchaus
kurvenförmig konturiert
sein, doch muss auch in diesem Fall der Abstand 32 im Wesentlichen
einen Wert von 0 mm aufweisen, um durch eine nahe zu vollflächige Anlage der
Längskanten 30, 31 aneinander
optimale Schweißergebnisse
zu erzielen.
-
Anstelle
des Fräsers 27 kann
auch ein Schleifwerkzeug eingesetzt werden. Soll im Bereich der
Längskanten 30, 31 beispielsweise
ein Oberflächenschutz
von den Bauteilen 28, 29 entfernt werden, so kann
anstelle des Schleifwerkzeugs auch ein Polierwerkzeug eingesetzt
werden. Weiterhin kann sich die Bearbeitung der Bauteile 28, 29 erforderlichenfalls
auf die gesamten Oberseiten 37, 38 bzw. Unterseiten 39, 40 der
Bauteile 28, 29 erstrecken.
-
Die
Positioniervorrichtung der Reibrührschweißvorrichtung 15,
beispielsweise in Gestalt einer komplexen CNC-gesteuerten Portalanordnung mit
in der Regel einer Vielzahl von Freiheitsgraden, erlaubt in der "Bearbeitungsposition" bzw. im "Bearbeitungszustand" der Reibrührschweißvorrichtung 15 eine
nahezu beliebige Positionierung des Fräsers 27 in Bezug auf
die Bauteile 28, 29 im Raum. Die absenkbare Schweißunterlage 24 ermöglicht hierbei
im Bedarfsfall sogar eine bereichsweise Bearbeitung der Unterseiten 39, 40 der
auf den Vakuumhalteeinrichtungen 25, 26 aufliegenden
Bauteile 28, 29.
-
Wenn
die mechanische Bearbeitung der Bauteile 28, 29 abgeschlossen
ist, wird die rechte Vakuumhalteeinrichtung 26 in Richtung
des Pfeils 35 (parallel zur x-Achse) nach Innen zurück verfahren, bis
der Abstand 32 zwischen den Längskanten 30, 31 einen
für den
Reibrührschweißvorgang
vorgegebenen Wert erreicht hat. Wenn auch eine Bearbeitung der Längskante 30 des
ersten Bauteils 28 stattgefunden hat, wird auch die linke
Vakuumhalteeinrichtung 25 mit dem unverändert darauf fest gespannten
Bauteil 29 in Richtung des Pfeils 36 nach Innen
verfahren (parallel zur x-Achse, in Richtung der Schweißunterlage 24),
bis der korrekte Abstand 32 eingestellt ist.
-
Im
Anschluss daran oder gleichzeitig wird die Schweißunterlage 24 in
Richtung des Pfeils 34 (parallel zur z-Achse) nach oben
verfahren, bis die Bauteile 28, 29 auf der Schweißunterlage 24 fest
aufliegen bzw. anliegen und die Reibrührschweißvorrichtung 15 die
so genannte "Schweißposition" bzw. den "Schweißzustand" eingenommen hat.
Nach dem Austausch des eingesetzten Bearbeitungs werkzeugs, beispielsweise
in der Form des Fräsers 27, durch
das standardmäßige Reibrührschweißwerkzeug 18 können die
Bauteile 28, 29 in gewohnter Weise durch Reibrührschweißen gefügt werden.
-
Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Reibrührschweißvorrichtung 15 liegt
darin, dass etwaig auftretende Toleranzabweichungen der Bauteile 28, 29 unmittelbar
in der Reibrührschweißvorrichtung 15 korrigiert
bzw. beseitigt werden können,
wobei die Positionierungsgenauigkeit des Reibrührschweißkopfes 16 mit dem
darin aufgenommenen Bearbeitungswerkzeug sowie dessen umfangreiche
Positionierungsmöglichkeiten
nutzbar gemacht werden.
-
Darüber hinaus
werden zusätzliche
Maßungenauigkeiten
vermieden, die entstehen können, wenn
die Bauteile 28, 29 auf externen Bearbeitungsmaschinen
einer Maßkorrektur
zur Eliminierung etwaiger Toleranzabweichungen unterzogen werden und
anschließend
wieder auf den Vakuumhalteeinrichtungen 25, 26 in
der Reibrührschweißvorrichtung 15 zum
endgültigen
Verschweißen
ausgerichtet und festgespannt werden.
-
In
vorteilhafter Weise wird für
die Kontrolle der Reibrührschweißvorrichtung 15 die
vorhandene CNC-Steuerung für
die Steuerung der Verfahrbewegungen der Schweißunterlage 24 sowie
der Vakuumhalteeinrichtung 26 und gegebenenfalls auch der
Vakuumhalteeinrichtung 25 mit benutzt.
-
- 1
- Bauteil
(erstes)
- 2
- Bauteil
(zweites)
- 3
- Längskante
(erstes Bauteil)
- 4
- Längskante
(zweites Bauteil)
- 5
- Abstand
(Spalt zwischen Längkante)
- 6
- Nahtbildungsbereich
- 7
- Verstärkungselement
- 8
- Verstärkungselement
- 9
- Längsschweißnaht
- 10
- Dickenversatz
- 11
- Oberseite
(erstes Bauteil)
- 12
- Oberseite
(zweites Bauteil)
- 13
- Unterseite
(erstes Bauteil)
- 14
- Unterseite
(zweites Bauteil)
- 15
- Reibrührschweißvorrichtung
- 16
- Reibrührschweißkopf
- 17
- Spannfutter
- 18
- Reibrührschweißwerkzeug
- 19
- Schweißstift
- 20
- Werkzeugschulter
- 21
- Koordinatensystem
- 22
- Unterbau
- 23
- Grundfläche
- 24
- Schweißunterlage
- 25
- Vakuumhalteeinrichtung
- 26
- Vakuumhalteeinrichtung
- 27
- Fräser
- 28
- Bauteil
(erstes)
- 29
- Bauteil
(zweites)
- 30
- Längskante
(erstes Bauteil)
- 31
- Längskante
(zweites Bauteil)
- 32
- Abstand
(Spalt zwischen Längskanten)
- 33
- Nahtbildungsbereich
- 34
- Pfeil
(Verfahrweg Schweißunterlage)
- 35
- Pfeil
(Verfahrweg rechte Vakuumhalteeinrichtung)
- 36
- Pfeil
(Verfahrweg linke Vakuumhalteeinrichtung)
- 37
- Oberseite
(erstes Bauteil)
- 38
- Oberseite
(zweites Bauteil)
- 39
- Unterseite
(erstes Bauteil)
- 40
- Unterseite
(zweites Bauteil)