DE102008019062A1 - A seam-sealed article, a method of manufacturing an article, and a friction stir tool and a friction stir device - Google Patents
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Abstract
Ein Gegenstand (19) aus zumindest einem faserverstärkten Werkstoff mit einer verschweißten Naht (18) wird bereitgestellt, wobei eine Faser (4) in der Naht (18) angeordnet ist. Der Gegenstand (19) kann durch das Einführen eines rotierend angetriebenen stiftförmigen Vorsprungs (9) in einen Werkstückbereich oder in einen Verbindungsbereich (12) von zumindest zwei aneinanderliegenden Werkstücken (5, 6) unter rotierender Bewegung, durch das Plastifizieren des Werkstückbereichs oder des Verbindungsbereichs (12) in wenigstens einem Kontaktbereich zwischen dem rotierenden Vorsprung (9) und dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich (12) und durch das Einführen einer Faser (4) in den plastifizierten Bereich (17) hergestellt werden.An article (19) of at least one fiber reinforced material having a welded seam (18) is provided, wherein a fiber (4) is disposed in the seam (18). The object (19) can be produced by inserting a rotationally driven pin-shaped projection (9) into a workpiece area or into a connecting area (12) of at least two adjoining workpieces (5, 6) while rotating, by plastifying the workpiece area or the connecting area (FIG. 12) in at least one contact area between the rotating projection (9) and the workpiece area or connecting area (12) and by introducing a fiber (4) into the plasticized area (17).
Description
Die Erfindung betrifft einen Gegenstand mit einer verschweißten Naht, ein Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes, insbesondere mit einem Reibrührverfahren, sowie ein Reibrührwerkzeug und eine Vorrichtung zum Reibrühren.The The invention relates to an article with a welded seam, a method for producing an article, in particular with a friction stir process, and a friction stir tool and a friction stir device.
In der Luft- und Raumfahrttechnik, der Schienenverkehrstechnik sowie im Automobilbau werden komplizierte sowie große Teile benötigt, die herkömmlich aus mehreren miteinander verbundenen Komponente hergestellt werden. Das Verbinden von Teilen aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen, beispielsweise durch Schweißtechniken, ist mit neuen Herausforderungen verbunden, da die Teile aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien bestehen, dem Matrixwerkstoff und darin eingebetteten Fasern.In Aerospace Engineering, Railway Technology and In the automotive industry complicated and large parts are needed, the conventional be made of several interconnected component. Joining parts of fiber reinforced composites, for example by welding techniques, is associated with new challenges because the parts are made up of at least consist of two different materials, the matrix material and fibers embedded therein.
Faserverstärkte Verbundwerkstoffe wie beispielsweise faserverstärkte Kunststoffe sowie faserverstärkte Metalle und Legierungen weisen eine höhere Festigkeit als das Matrixmaterial alleine auf, sowie ein geringeres Gewicht als herkömmliche metallische Strukturen. Folglich werden sie zunehmend in der Luft- und Raumfahrttechnik, der Schienenverkehrstechnik sowie im Automobilbau eingesetzt.Fiber reinforced composites such as fiber-reinforced Plastics and fiber-reinforced Metals and alloys have higher strength than the matrix material alone, as well as a lighter weight than conventional ones metallic structures. Consequently, they are increasingly being and space technology, rail technology and automotive engineering used.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes bereitzustellen, das geeignet ist, faserverstärkte Materialien zuverlässig miteinander zu verbinden, sowie einen Gegenstand aus zumindest zwei miteinander verbundenen faserverstärkten Materialien zu schaffen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein Werkzeug sowie eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen dieses Verfahren durchgeführt werden kann.task The invention therefore relates to a method for producing an article capable of reliably providing fiber reinforced materials with each other to connect, as well as an object of at least two together bonded fiber reinforced To create materials. It is another object of the invention To provide tools and a device with which this Procedure performed can be.
Gelöst wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.Is solved the object by the subject matter of the independent claims. Further advantageous developments emerge from the respective dependent claims.
Erfindungsgemäß wird ein Gegenstand aus zumindest einem faserverstärkten Werkstoff mit einer verschweißten Naht bereitgestellt, wobei zumindest eine Faser in der Naht angeordnet ist.According to the invention is a An article of at least one fiber-reinforced material with a welded seam provided, wherein at least one fiber disposed in the seam is.
Beim Verschweißen von faserverstärkten Materialien nach herkömmlichen Verfahren wird nur das Matrixmaterial verschweißt und geschmolzen. Die Fasern bleiben fest und ungeschmolzen. Dies führt zu einer Naht, die nur aus dem Schweißgut besteht. Die Naht weist somit keine verstärkenden Fasern und folglich eine geringere Festigkeit als der Grundkörper der verbundenen Teile auf. Folglich können sich bei mechanischer Belastung des Gegenstands Risse in der Naht bilden bzw. ausbreiten, die zum Bruch der Naht und zum Bruch des Gegenstands führen können. Dies wird mit dem erfindungsgemäßen Gegenstand vermieden, da die Naht zumindest eine Faser aufweist, die die Naht selbst verstärkt.At the weld together of fiber reinforced materials according to conventional Procedure, only the matrix material is welded and melted. The fibers stay firm and unmelted. This leads to a seam that only from the weld metal consists. The seam thus has no reinforcing fibers and consequently a lower strength than the body of the connected parts on. Consequently, you can Cracks in the seam when the article is mechanically stressed form or spread, the fracture of the seam and the breakage of the Lead object can. This is the subject of the invention avoided because the seam has at least one fiber that the seam even strengthened.
In einem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Faser nahezu über die gesamte Länge der Naht. Dies hat den Vorteil, dass die Naht durch die Faser homogen verstärkt wird, so dass die Zuverlässigkeit der Verbindung erhöht wird.In an embodiment the fiber extends almost over the entire length the seam. This has the advantage that the seam through the fiber is homogeneous reinforced so that the reliability of the Connection increased becomes.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Faser eine schrauben- bzw. eine spiralförmige Gestalt, insbesondere eine Helixform, auf. Diese Form hat den Vorteil, dass die Breite sowie die Länge der Naht durch die Faser verstärkt werden. Die Steigung sowie der Durchmesser der Helix (d. h. der Schraube bzw. Spirale) können über die gesamte Länge ungefähr gleich sein, oder variieren.In a further embodiment the fiber has a helical or spiral shape, in particular a helical form, on. This form has the advantage that the width as well as the length of the Seam reinforced by the fiber become. The slope and the diameter of the helix (ie the screw or spiral) can over the whole length approximately be the same, or vary.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind mehrere Fasern in der Naht angeordnet. Diese Fasern können miteinander verwickelt oder nebeneinander angeordnet sein. Der Anteil an Fasern kann in dieser Weise in der Naht erhöht werden, um die Festigkeit der Naht weiter zu erhöhen. Vorteilhaft ist es, wenn die Festigkeit der Naht ungefähr der Festigkeit der nicht verschweißten Teile entspricht, so dass die Festigkeit des Gegenstands räumlich gleich ist.In a further embodiment Several fibers are arranged in the seam. These fibers can be together entangled or arranged side by side. The proportion of fibers can be increased in this way in the seam to the strength continue to increase the seam. It is advantageous if the strength of the seam about the strength of not welded Corresponds to parts, so that the strength of the object spatially equal is.
Die in die Naht eingebrachten Fasern können Endlosfasern sein, aber auch Kurz- oder Langfasern.The Fibers introduced into the seam may be continuous fibers, but also short or Long fibers.
Der Gegenstand nach einem dieser Ausführungsbeispiele kann eine Komponente eines Luftfahrzeuges oder eines Kraftfahrzeugs sein. Insbesondere bei Flugzeugen sowie Kraftfahrzeugen können Risse durch Dauerbelastung der Komponenten verursacht werden. Dies ist selbstverständlich aus Sicherheitsgründen zu vermeiden.Of the Subject of one of these embodiments, a component an aircraft or a motor vehicle. Especially In aircraft and motor vehicles can crack due to continuous load caused by the components. This is of course for safety reasons too avoid.
Die Erfindung gibt auch ein Verfahren zum Reibrühren an, das verwendet werden kann, den Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele herzustellen.The The invention also provides a method of friction stir used can, the subject of any of the preceding embodiments manufacture.
Beim Reibrühren (Friction Stir Processing) sowie beim Reibrührschweißen (Friction Stir Welding, FSW) werden bekanntlich zwei miteinander zu verschweißende Werkstücke in Kontakt gebracht und in dieser Position gehalten. In den Verbindungsbereich der Werkstücke wird unter drehender Bewegung ein Schweißstift bzw. ein stiftförmiger Vorsprung eines entsprechenden Werkzeuges eingeführt, bis eine oberhalb des Schweißstiftes an dem Werkzeug angeordnete Schulter auf der Oberfläche der Werkstücke aufliegt. Dabei wird durch die Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstücken Reibungswärme generiert, so dass benachbarte Werkstoffbereiche im Verbindungsbereich einen plastifizierten Zustand einneh men. Das Werkzeug wird, während der rotierende Schweißstift in Kontakt mit dem Verbindungsbereich steht, entlang der Verbindungslinie der Werkstücke vorwärts bewegt, so dass der sich um den Schweißstift befindende Werkstoff plastifiziert und anschließend konsolidiert. Bevor das Material völlig erhärtet, wird der Schweißstift aus dem Verbindungsbereich bzw. den Werkstücken entfernt.In friction stir processing and friction stir welding (FSW), it is known to bring two workpieces to be welded together into contact and hold them in this position. In the connecting region of the workpieces, a welding pin or a pin-shaped projection of a corresponding tool is inserted under rotary motion until a shoulder arranged above the welding pin on the tool rests on the surface of the workpieces. It is generated by the relative movement between the tool and workpieces heat of friction, so that adjacent Material areas in the connection area a plasticized state einneh men. The tool, while the rotating welding pin is in contact with the connecting portion, is advanced along the joining line of the workpieces so that the material around the welding pin is plasticized and then consolidated. Before the material hardens completely, the welding pin is removed from the connection area or the workpieces.
Teile aus faserverstärkten Materialien, wie zum Beispiel Metallverbundmaterialien (sogenannte MCCs) oder geeignete Kunststoffmaterialien können auf diese Weise als Stumpfstoß-, Überlappstoß- oder T-Stoß-Verbindung miteinander verschweißt werden. Die Technik des Reibrührens findet aber auch beim Reparieren, Bearbeiten und Veredeln von Werkstücken Anwendung. Punktverbindungen können auch erzeugt werden, wobei eine Vorwärtsbewegung des rotierend mit dem Verbindungsbereich in Kontakt stehenden Schweißstiftes bzw. eine translatorische Relativbewegung zwischen rotierendem Schweißstift und Werkstücken nicht erfolgt.parts made of fiber-reinforced Materials, such as metal composite materials (so-called MCCs) or suitable plastic materials may in this way be butt joint, lap joint, or tee joint welded together become. The technique of friction-stirring but also applies to the repair, processing and finishing of workpieces application. Point connections can also be generated, with a forward movement of the rotating with the welding area in contact with the connection area or a translational relative movement between the rotating welding pin and workpieces not happened.
Erfindungsgemäß weist das Verfahren die folgenden Schritte auf. Ein rotierend angetriebener stiftförmiger Vorsprung wird in einen Werkstückbereich oder in einen Verbindungsbereich von zumindest zwei aneinanderliegenden Werkstücken unter rotierender Bewegung eingeführt. Der Werkstückbereich oder der Verbindungsbereich wird in wenigstens einem Kontaktbereich zwischen dem rotierenden Vorsprung und dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich plastifiziert und eine Faser wird in den plastifizierten Bereich eingeführt.According to the invention the procedure follows the steps below. A rotary driven pin-shaped projection gets into a workpiece area or in a connecting region of at least two adjacent ones workpieces introduced with a rotating movement. The workpiece area or the connection area becomes in at least one contact area between the rotating projection and the workpiece area or connecting area plasticized and a fiber is in the plasticized area introduced.
Die eingeführte Faser kann eine endlose Faser sein, die vorzugsweise kontinuierlich zugeführt wird. Es können aber auch Kurz- oder Langfasern eingeführt werden. Um das Zuführen von Kurz- bzw. Langfasern zu vereinfachen, können diese in einen Zusatzwerkstoff eingebettet sein (faserverstärkter Zusatzwerkstoff), der in den plastifizierten Bereich eingebracht wird.The introduced Fiber can be an endless fiber, preferably continuous is supplied. It can but also short or long fibers are introduced. To the feeding of To simplify short or long fibers, these can be in a filler material embedded (fiber-reinforced filler material), which is introduced into the plasticized area.
Der plastifizierte Bereich ist flüssig, so dass eine Faser in diesen flüssigen Bereich eingeführt werden kann. Dieser plastifizierte Bereich weist zirkulierende Ströme auf, die durch die Rotation des Vorsprungs verursacht werden. Eine endlose, feste Faser wird von diesem zirkulierenden Schweißgut erfasst und strömungsbedingt bzw. strömungsabhängig im Schweißgut positioniert. Folglich wird nach der Wiedererstarrung des plastifizierten Bereichs die endlose Faser mit einer strömungsbedingten Form in der Naht zwischen den Werkstücken eingefroren.Of the plasticized area is liquid, leaving a fiber in this liquid Be introduced can. This plasticized area has circulating currents, which are caused by the rotation of the projection. An endless, Solid fiber is captured by this circulating weld metal and due to flow or flow-dependent in weld positioned. Consequently, after the re-solidification of the plasticized Area the endless fiber with a flow-shaped form in the Seam between the workpieces frozen.
Auf Grund dieser zirkulierenden Ströme wird die endlose Faser helixförmig, d. h. spiral- oder schraubenförmig, in der Naht angeordnet, wobei der Vorsprung entlang der Verbindungslinie linear geführt wird. Durch eine Kombination der linear Bewegung sowie der zirkulierenden Ströme im Schweißgut kann die Steigung der Helix eingestellt werden.On Reason of these circulating currents the endless fiber becomes helical, d. H. spiral or helical, arranged in the seam, wherein the projection along the connecting line is guided linearly. By a combination of the linear movement as well as the circulating streams in the weld metal the pitch of the helix can be adjusted.
Der rotierend angetriebene stiftförmige Vorsprung ist typischerweise Teil eines Reibrührwerkzeugs, das einen rotierend antreibbaren Werkzeugkörper umfasst. An dem antriebsabgewandten Ende des Werkzeugkörpers ist eine Schulter vorgesehen, von der sich in Richtung antriebsabgewandtem Ende des Werkzeugkörpers der rotierbare, stiftförmige Vorsprung erstreckt, der einen kleineren Durchmesser als die Schulter aufweist. Die Schulter und der stiftförmige Vorsprung sind unabhängig voneinander rotierend antreibbar.Of the Rotating driven pin-shaped The protrusion is typically part of a friction stir tool that rotates one drivable tool body includes. At the end of the tool body facing away from the drive a shoulder is provided, from which in the direction away from the drive End of the tool body the rotatable, pin-shaped Protrusion that has a smaller diameter than the shoulder having. The shoulder and the pin-shaped projection are independent of each other rotatably drivable.
Die Schulter kann zumindest eine Durchgangsöffnung aufweisen, die sich in Richtung antriebsabgewandtem Ende des Werkzeugskörpers erstreckt. Eine Faser kann in der Durchgangsöffnung angeordnet und während des Reibrührverfahrens dem plastifizierten Bereich des Werkstücks bzw. des Verbindungsbereichs zugeführt werden.The Shoulder may have at least one passage opening extending extends in the direction away from the drive end of the tool body. A fiber may be disposed in the through hole and during the Friction stir process the plasticized area of the workpiece or the connection area supplied become.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schulter auf den Werkstückbereich oder Verbindungsbereich unter zumindest zeitweiser Druckbeaufschlagung aufgebracht, wobei, während der Vorsprung in Kontakt mit dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich steht, die Drehzahl der Schulter n = 0 aufweist.According to one embodiment the method according to the invention gets the shoulder on the workpiece area or connection area under at least temporary pressurization applied, while, while the projection is in contact with the workpiece area or connecting area, the speed of the shoulder has n = 0.
Dieses Verfahren ist von Vorteil beim Schweißen von dicken Werkstücken, insbesondere Platten mit einer Dicke größer als 6 mm. Wesentlich ist wiederum, dass während der rotierend angetriebene stiftförmige Vorsprung in Kontakt mit dem Werkstoff- oder Verbindungsbereich steht, die Schulter keine Drehbewegung ausführt, so dass durch die Schulter keine zusätzliche Reibungswärme an der Werkstückoberfläche generiert wird. Damit wird der Wärmeeintrag durch Reibwärmegenerierung an der Oberfläche der Werkstücke deutlich reduziert, wodurch ein sogenanntes wärmearmes Fügen möglich ist. Die zusätzliche Erwärmung an der Werkstückoberfläche entfällt, so dass hier die Wärmebelastung gering ist und gleichzeitig eine homogene Wärmebelastung über die gesamte Eindringtiefe des Schweißstiftes gewährleistet ist. Gleichzeitig entfestigen die Werkstück-Legierungen weniger, weil sich die Wärmeeinflusszone weniger stark ausbildet. Ein weiterer positiver Effekt ist, dass Eigenspannungen vermindert werden, so dass das Verzugsrisiko geringer und ein auftretender Verzug besser handzuhaben ist.This Method is advantageous when welding thick workpieces, especially plates with a thickness greater than 6 mm. It is important again that during the rotationally driven pin-shaped Projection in contact with the material or connection area stands, the shoulder does not make any rotational movement, so through the shoulder no additional frictional heat generated at the workpiece surface becomes. This is the heat input by frictional heat generation on the surface the workpieces significantly reduced, whereby a so-called low-heat joining is possible. The additional warming deleted on the workpiece surface, so that the heat load is low here is and at the same time a homogeneous heat load over the ensures the entire penetration depth of the welding pin is. At the same time, the workpiece alloys soften less because of the heat affected zone less educated. Another positive effect is that Residual stresses are reduced so that the risk of delay is lower and an occurring delay is easier to handle.
Die in Richtung stiftförmigem Vorsprung weisende Oberfläche der Werkstücke wird zu gegebenem Zeitpunkt durch Einwirken der Schulter mit dem erforderlichen Druck beaufschlagt, der vorteilhafterweise im Vergleich zu üblichen Reibrührverfahren um einen Faktor 2 bis 3 reduziert ist und typischerweise zwischen 1 und 200 kN liegt. Somit kann mit verminderter Prozesskraft gearbeitet werden, was wiederum eine vereinfachte Anlagentechnik zur Folge hat. Darüber hinaus reduziert sich die prozessbedingte Veränderung der Eigenspannungszustände der ge schweißten, reparierten, bearbeiteten bzw. umgewandelten Werkstücke.The pointing in the direction of the pin-shaped projection surface of the workpieces is at the time by the action of the shoulder with the required pressure which is advantageously reduced by a factor of 2 to 3 compared to conventional friction stir process and is typically between 1 and 200 kN. Thus, you can work with reduced process force, which in turn has a simplified system technology result. In addition, the process-related change in the residual stress states of welded, repaired, machined or converted workpieces is reduced.
Dass durch die nicht rotierende Schulter keine zusätzliche Reibung hervorgerufen wird, bewirkt zudem, dass der Prozess mit einer höheren Drehzahl bzw. Rotationsgeschwindigkeit des Schweißstiftes durchgeführt werden kann. Die Drehzahl kann im Vergleich zu üblichen Reibrührverfahren um einen Faktor 3 bis 4 erhöht werden und liegt typischerweise zwischen 200 und 5000 Umdrehungen pro Minute.That no additional friction caused by the non-rotating shoulder causes also causes the process with a higher speed or Rotation speed of the welding pin are performed can. The speed can be compared to conventional friction stir increased by a factor of 3 to 4 are typically between 200 and 5000 revolutions per minute.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Schulter auf den Werkstückbereich oder Verbindungsbereich unter zumindest zeitweiser Druckbeaufschlagung aufgebracht, wobei, während der Vorsprung in Kontakt mit dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich steht, die Drehzahl der Schulter kleiner als die Drehzahl des Vorsprungs ist. Diese Ausführungsform ermöglicht die Form einer endlosen Faser in der Naht einzustellen, da die Form nicht nur von der Strömung des plastifizierten Bereichs, sondern auch durch die Drehzahl der Schulter bestimmt wird.In a further embodiment gets the shoulder on the workpiece area or connection area under at least temporary pressurization applied, while, while the projection in contact with the workpiece area or connecting area stands, the speed of the shoulder is smaller than the speed of the projection is. This embodiment allows to adjust the shape of an endless fiber in the seam as the shape not only from the flow the plasticized area, but also by the speed of the Shoulder is determined.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Vorsprung in dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich linear bewegt, wobei die Faser kontinuierlich in den plastifizierten Bereich eingeführt wird. Diese Ausführungsform wird verwendet, um eine lange oder endlose Faser in eine lange Naht einzuführen.According to one another embodiment becomes the projection in the workpiece area or connecting region moved linearly, the fiber being continuous is introduced into the plasticized area. This embodiment is used to make a long or endless fiber in a long seam introduce.
Zum Verbinden von zwei aneinanderliegenden Werkstücken kann der Vorsprung relativ zu den aneinanderliegenden Werkstücken entlang der Verbindungslinie der aneinanderliegenden Werkstücke bewegt werden. Alternativ werden die aneinanderliegenden Werkstücke relativ zu dem Vorsprung entlang der Verbindungslinie der aneinanderliegenden Werkstücke bewegt.To the Connecting two adjacent workpieces, the projection relative to the adjacent workpieces along the connecting line moved the adjacent workpieces become. Alternatively, the abutting workpieces become relative moved to the projection along the line connecting the adjacent workpieces.
Die Erfindung gibt auch ein Reibrührwerkzeug an, das einen rotierend antreibbaren Werkzeugkörper umfasst, an dessen antriebsabgewandtem Ende eine Schulter vorgesehen ist, von der sich in Richtung antriebsabgewandtem Ende des Werkzeugkörpers ein rotierbarer, stiftförmiger Vorsprung erstreckt, der einen kleineren Durchmesser als die Schulter aufweist, wobei die Schulter und der stiftförmige Vorsprung unabhängig voneinander rotierend antreibbar sind. Erfindungsgemäß weist die Schulter zumindest eine Durchgangsöffnung auf, die sich in Richtung antriebsabgewandtem Ende des Werkzeugskörpers erstreckt.The Invention also provides a friction stir tool on, which comprises a rotationally drivable tool body, at its end remote from the drive a shoulder is provided, from which in the direction away from the drive End of the tool body a rotatable, pin-shaped Protrusion that has a smaller diameter than the shoulder wherein the shoulder and the pin-shaped projection are independent of one another are driven in rotation. According to the invention, the shoulder at least a passage opening on, which extends in the direction away from the drive end of the tool body.
Eine Faser kann in der Durchgangsöffnung angeordnet sein und während dem Reibrührverfahren in den plastifizierten Bereich des Werkstücks bzw. den Verbindungsbereich eingeführt werden. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Durchgangsöffnung und die Position des Einführens der Faser so nah wie möglich an dem plastifizierten Bereich liegen. Dies ermöglicht ein zuverlässiges Einführen der Faser in die Naht.A Fiber can be placed in the through hole be and while the friction stir process in the plasticized area of the workpiece or the connection area introduced become. This arrangement has the advantage that the passage opening and the position of the insertion the fiber as close as possible lie on the plasticized area. This allows reliable insertion of the Fiber in the seam.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weitet sich die Durchgangsöffnung in Richtung antriebsabgewandter Oberfläche der Schulter auf. Die Faser kann durch diese Durchgangsöffnung direkt oberhalb des Werkstücks in den plastifizierten Bereich eingeführt werden.In a further embodiment expands the passage opening towards the drive-facing surface of the shoulder. The fiber can through this passage opening directly above the workpiece be introduced into the plasticized area.
Die Durchgangsöffnung kann sich im Wesentlichen senkrecht zu einer in Richtung antriebsabgewandten Oberfläche der Schulter erstrecken. Dies hat den Vorteil, dass die Führungslänge der Faser, die in der Schulter angeordnet ist, klein ist.The Through opening can be substantially perpendicular to a direction away in the direction of drive surface the shoulder extend. This has the advantage that the guide length of Fiber, which is arranged in the shoulder, is small.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Durchgangsöffnung von einer in Richtung antriebsabgewandten Oberfläche der Schulter bis zu einer in Richtung Vorsprung abgewandten Oberfläche der Schulter. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Faserquelle neben dem Werkzeugkörper angeordnet ist. Dies kann den Aufbau der Anordnung vereinfachen.In a further embodiment the passage opening extends from a drive-facing surface of the shoulder to a in the direction of projection facing away from the surface of the shoulder. This arrangement has the advantage that the fiber source is arranged next to the tool body is. This can simplify the structure of the arrangement.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Schulter derart ausgebildet, dass sie bei Rotation des stiftförmigen Vorsprungs eine Drehzahl n = 0 aufweist. Der zentrale Gedanke dabei besteht darin, ein Reibrühr-Werkzeug derart auszubilden, dass Schweißstift und Schulter voneinander entkoppelt sind, so dass bei Rotation des Schweißstiftes die Schulter eben gerade keine Drehbewegung ausführt, sondern bezüglich der zu verbindenden oder zu bearbeitenden Werkstücke im Sinne einer Rotation still bzw. fest steht. Dies schließt jedoch eine Verschiebbarkeit der Schulter in axialer Richtung des Werkzeuges nicht aus. Die Schulter definiert dabei einen Bereich des Reibrührwerkzeuges mit größerem Durchmesser als der Schweißstift und gewährleistet, dass ab einer gewissen Eindringtiefe des Schweißstiftes die Schulter auf der Werkstückoberfläche kraft- und formschlüssig aufliegt, um die erforderliche Druckkraft auf die Werkstückoberfläche aufzubringen und ein Entweichen plastifizierten Materials zu verhindern.In a further embodiment the shoulder is designed such that upon rotation of the pin-shaped projection has a speed n = 0. The central idea is in it, a friction stir tool in such a way that welding pin and shoulder are decoupled from each other, so that upon rotation of the welding pin the shoulder just does not perform any rotational movement, but with respect to the to be joined or machined workpieces in the sense of rotation stands still. However, this excludes a displacement the shoulder in the axial direction of the tool is not enough. The shoulder defines an area of the friction stir tool with a larger diameter as the welding pin and ensures that at a certain penetration depth of the welding pin the shoulder on the Workpiece surface force and positive fit rests to apply the required pressure force on the workpiece surface and to prevent escape of plasticized material.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schulter mittels einer geeigneten Lagerung von dem Werkzeugkörper bzw. von einer den stiftförmigen Vorsprung antreibenden Spindelrotation befreit und trägt so bewusst keine zusätzliche Reibungswärme zum Schweißprozess bei, ist jedoch in der Lage, die notwendige Vertikalkraft auf die zu verbindenden Werkstücke zu übertragen. Die Schulter ist bevorzugt mittels Wälzlager an dem Werkzeugkörper gelagert. Derartige Wälzlager sind beispielsweise Kugel-, Tonnen-, Nadellager oder dergleichen. Alternativ können auch hydrostatische oder hydrodynamische Gleitlager zur Lagerung der Schulter verwendet werden, um nur einige weitere Beispiele zu nennen.According to a preferred embodiment, the shoulder is by means of a suitable storage freed from the tool body or from a pin-shaped projection driving spindle rotation and thus contributes deliberately no additional frictional heat to the welding process, but is able to transmit the necessary vertical force on the workpieces to be joined. The shoulder is preferably mounted on the tool body by means of rolling bearings. Such bearings are for example ball, barrel, needle roller bearings or the like. Alternatively, hydrostatic or hydrodynamic plain bearings can be used to support the shoulder, to name but a few more examples.
Vorteilhafterweise ist die Schulter als Formteil ausgebildet, welches auf der in Richtung stiftförmigen Vorsprung weisenden Seite des Lagers angeordnet ist. Das Formteil, das zum Beispiel ein blechförmiges Element (z. B. ein Stahlblech mit einer Dicke von typischerweise 2 bis 5 mm) oder ein Gussbauteile ist, kann hierzu mit einer Bohrung zum Durchführen des stiftförmigen Vorsprungs versehen sein, und von unten (d. h. aus Richtung des stiftförmigen Vorsprungs) auf das Lager aufgeschoben werden. Dabei ist darauf zu achten, dass der Bereich zwischen Formteil und stiftförmigem Vorsprung möglichst dicht ausgebildet ist, um ein Entweichen plastifizierten Materials in axialer Richtung des Reibrühr-Werkzeuges zu verhindern.advantageously, the shoulder is formed as a molding, which is in the direction of pin-shaped Projecting side of the bearing is arranged. The molded part, for example, a sheet metal Element (eg a steel sheet with a thickness of typically 2 to 5 mm) or cast components, can do so with a hole to perform of the pen-shaped Projection be provided, and from below (that is, from the direction of the pin-shaped Projection) are pushed onto the bearing. It is on it to pay attention that the area between molding and pin-shaped projection preferably is tightly formed to allow escape of plasticized material in the axial direction of the friction stir tool to prevent.
Alternativ kann eine Anordnung mit Formteil ohne Lagerung verwendet werden.alternative For example, an assembly with a molded part without storage can be used.
Ferner ist es von Vorteil, dass der Randbereich des Formteils derart abgewinkelt ist, dass es das Lager zumindest teilweise umgibt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Formteil sowohl die Seitenbereiche des Lagers als auch die in Richtung Werkzeugantrieb weisende Oberfläche des Lagers zumindest teilweise umschließt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass beim Entfernen des Werkzeuges bzw. des stiftförmigen Vorsprungs aus dem Werkstück- bzw. Verbindungsbereich die Schulter nicht in axialer Richtung des Werkzeuges verrutscht bzw. verschoben wird. Gleichzeitig wird dadurch einem Anhaften der Schulter an der Oberfläche der verschweißten oder bearbeiteten Werkstücke entgegengewirkt.Further It is advantageous that the edge region of the molded part is angled in such a way is that it at least partially surrounds the camp. Especially advantageous it is when the molding both the side portions of the bearing as also in the direction of the tool drive facing surface of Bearing at least partially encloses. This will ensure that when removing the tool or the pin-shaped projection from the workpiece or connecting region, the shoulder is not in the axial direction of the Tool slips or is moved. At the same time it will an adhesion of the shoulder to the surface of the welded or machined workpieces counteracted.
Zweckmäßigerweise ist das Formteil zumindest auf seiner in Richtung Vorsprung weisenden Seite mit einem reibungsmindernden Material versehen. Hierzu kann beispielsweise das Material ”CC Aluspeed<(RTM)>” der Firma Cemecon als Beschichtung aufgebracht werden. Dadurch wird die Reibung zwischen Formteil und Werkstückoberfläche zusätzlich vermindert, was der Funktion eines Gleitschuhs entspricht.Conveniently, is the molding at least on its pointing in the direction of the side provided with a friction-reducing material. For this purpose, for example the material "CC Aluspeed <(RTM)>" from Cemecon as a coating be applied. As a result, the friction between the molding and Workpiece surface additionally reduced, which corresponds to the function of a sliding shoe.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird die Schulter durch die in Richtung Vorsprung weisende Seite eines entsprechenden am Werkzeugkörper angeordneten Lagers (z. B. Gleit- oder Wälzlager) gebildet. Dies stellt eine besonders einfache Ausgestaltung dar, da auf ein zusätzliches Element (z. B. auf das Formteil) verzichtet werden kann.According to one alternative embodiment the shoulder through the side facing a projection corresponding to the tool body arranged bearing (eg sliding or rolling bearings) formed. This poses a particularly simple embodiment, as an additional Element (eg on the molding) can be dispensed with.
Auch bei dieser alternativen Ausführungsform ist es zweckmäßig, die in Richtung Vorsprung weisende Seite des Lagers mit einem reibungsmindernden Material der zuvor genannten Art zu beschichten, um wiederum die Reibung zwischen Schulter und Werkstückoberfläche zu reduzieren.Also in this alternative embodiment it is appropriate, the towards the side facing the bearing with a friction-reducing To coat the material of the aforementioned type, in turn, the Reduce friction between shoulder and workpiece surface.
Zweckmäßigerweise ist der stiftförmige Vorsprung einstückig mit dem Werkzeugkörper ausgebildet, wodurch sich ein sehr einfacher Aufbau ergibt und die Anlagentechnik zum Antreiben des Werkzeuges bzw. des stiftförmigen Vorsprungs extrem einfach ist, da im Wesentlichen lediglich eine anzutreibende Spindel erforderlich ist. Dabei ist das Reibrühr-Werkzeug üblicherweise rotationssymmetrisch ausgebildet.Conveniently, is the pen-shaped Projection in one piece with the tool body formed, resulting in a very simple structure and the Plant technology for driving the tool or the pin-shaped projection is extremely simple, because essentially only one to be driven Spindle is required. The friction stir tool is usually formed rotationally symmetrical.
Durch das erfindungsgemäße Reibrühr-Werkzeug wird sichergestellt, dass das schulternahe Werkstück-Material nicht überhitzt wird. So wird beim Verschweißen von Werkstücken sichergestellt, dass der sonst zur Kaltverschweißung neigende Wurzelbereich der Schweißverbindung dank der im Vergleich zu bekannten Reibrührschweiß-Werkzeugen höher wählbaren Schweißstift-Drehzahl sicher und mit hoher Qualität verschweißt wird. Es wird eine gleichmäßige Temperaturverteilung über den gesamten Querschnitt der Werkstücke erzielt, was Vorraussetzung für eine hochqualitative Schweißverbindung ist.By the friction stir tool according to the invention Ensures that the workpiece material close to the shoulder not overheated becomes. This is how welding works of workpieces ensures that the otherwise prone to cold welding root area the welded joint thanks to the higher selectable compared to known friction stir welding tools Welding pin speed safe and with high quality welded becomes. It will give a uniform temperature distribution over the entire Cross section of the workpieces scored, which is a prerequisite for a high quality welded joint is.
Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Werkzeug in analoger Weise auch zur Reparatur, Bearbeitung und Veredelungen von Werkstücken eingesetzt werden.Furthermore can the tool according to the invention in a similar way also for repair, processing and finishing of workpieces be used.
Die Erfindung gibt auch eine Vorrichtung zum Reibrühren an, umfassend ein Reibrührwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele. Der Vorsprung ist in einen Werkstückbereich oder einen Verbindungsbereich von zumindest zwei zu verbindenden Werkstücken unter rotierender Bewegung einführbar, so dass bei seiner Rotation in Kontakt mit dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich der Vorsprung diesen wenigstens im Kontaktbereich plastifiziert und plastifzierter Stoff erzeugt wird. Die Vorrichtung weist ferner eine Faserquelle auf, wobei Fasern über die Durchgangsöffnung in den plastifizierten Stoff eingeführt werden können. Die Fasern können beispielsweise in Form von Endlos-, Kurz, oder Langfasern zugeführt werden.The The invention also provides a friction stir device comprising a friction stir tool one of the preceding embodiments. The projection is in a workpiece area or a connection area of at least two workpieces to be joined while rotating insertable so that during its rotation in contact with the workpiece area or connecting portion of the projection this at least in the contact area plasticized and plastified material is produced. The device further comprises a fiber source, wherein fibers via the passage opening in introduced the plasticized substance can be. The fibers can be supplied for example in the form of endless, short, or long fibers.
Die Vorrichtung kann ferner Antriebsmittel aufweisen, mit denen die Vorrichtung unter rotierendem Antrieb des Vorsprungs linear geführt werden kann. Alternativ werden die Werkstücke relativ zu der Vorrichtung, insbesondere dem Vorsprung, linear bewegt.The device may further drive means have, with which the device can be performed linearly under rotary drive of the projection. Alternatively, the workpieces are moved linearly relative to the device, in particular the projection.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Schulter auf den Werkstücken außerhalb des Kontaktbereichs zwischen dem Vorsprung und dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich aufgebracht werden. Die Schulter kann somit senkrecht zu den Werkstücken angetrieben werden, und so eine Druckbeaufschlagung auf das Werkstück bewirken.In an embodiment can shoulder on the workpieces outside the contact area between the projection and the workpiece area or connecting area are applied. The shoulder can thus perpendicular to the workpieces be driven, and thus cause a pressurization of the workpiece.
Das Reibrührwerkzeug sowie die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele kann zum Verschweißen faserverstärkter Kunststoffe, faserverstärkter Metalle oder faserverstärkter Legierungen, bzw. zum Verschweißen von zwei aneinanderliegenden Werkstücken aus faserverstärktem Kunststoff, faserverstärktem Metall oder einer faserverstärkten Legierung verwendet werden.The friction stir and the device according to one of the preceding embodiments can be used for welding fiber reinforced plastics, fiber reinforced Metals or fiber reinforced Alloys or for welding of two adjoining workpieces made of fiber-reinforced plastic, fiber reinforced Metal or a fiber reinforced Alloy can be used.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.The Invention will now be explained in more detail with reference to the drawings.
Die
faserverstärkten
Fügeteile
Das
Reibrühr-Werkzeug
Bei
der in
Alternativ
kann der Werkzeugkörper
Unabhängig davon,
ob der stiftförmige
Vorsprung
Anstelle der Lagerung mittels Wälzlager können auch hydrostatische oder hydrodynamische Gleitlager verwendet werden. Die Funktion der Lagerung ist jedoch dieselbe. Alternative kann auch auf eine Lagerung verzichtet werden.Instead of the storage by means of rolling bearings can Also hydrostatic or hydrodynamic bearings are used. However, the function of storage is the same. Alternative can also be waived storage.
In
Bei
der Ausgestaltung des Formteils ist darauf zu achten, dass eine
gute Abdichtung zwischen Schulter
Die
Schulter
Zum
Verschweißen
der aneinanderliegenden faserverstärkten Fügeteile
Die
drehende Bewegung des Schweißstifts
Der
Schweißstift
Der
Gegenstand
Das
erfindungsgemäße Verfahren
sieht ein Festkörperverschweißen von
endlosfaserverstärkten Metallen
sowie Kunststoffen vor, bei dem gleichzeitig eine gezielte Faserpositionierung
im Schweißgut
erreicht wird. Dies hat den Vorteil, dass nicht nur die Matrixwerkstoffe
miteinander verschweißt
werden. Beim herkömmlichen
Reibrührschweißen endlosfaserverstärkter Materialien
können
die Fasern im Kontaktbereich zwischen dem Schweißstift
Vorzugsweise
dreht sich die Schulter
Gemäß einer
alternativen Ausbildung des erfindungsgemäßen Reibrühr-Werkzeuges
Eine weitere Alternative Ausbildung des Formteils erlaubt es, auf das Lager zu verzichten.A Another alternative training of the molding allows it on the To refrain from stock.
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- Reibrührwerkzeugfriction stir
- 33
- Faserquellefiber source
- 44
- Faserfiber
- 55
- erstes Werkstückfirst workpiece
- 66
- zweites Werkstücksecond workpiece
- 77
- Werkzeugkörpertool body
- 88th
- Schultershoulder
- 99
- Schweißstiftwelding pin
- 1010
- Lagerungstorage
- 1111
- DurchgangsöffnungThrough opening
- 1212
- Verbindungsbereichconnecting area
- 1313
- Verbindungslinieconnecting line
- 1414
- Vorwärtsbewegungforward movement
- 1515
- Rotation des Schweißstiftsrotation of the welding pin
- 1616
- Strömung des SchweißgutsFlow of weld
- 1717
- plastifizierter Stoffplasticized material
- 1818
- verschweißte Nahtwelded seam
- 1919
- Gegenstand mit verschweißter Nahtobject with welded seam
Claims (32)
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