DE102008019062B4 - 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
Gegenstand (19) aus zumindest einem faserverstärkten Werkstoff mit einer verschweißten Naht (18), wobei eine Faser (4) in der Naht (18) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Faser (4) nahezu über die gesamte Länge der Naht erstreckt und in der Naht eine schraubenförmige Gestalt aufweist.An article (19) of at least one fiber reinforced material having a welded seam (18), wherein a fiber (4) is disposed in the seam (18), characterized in that the fiber (4) extends over almost the entire length of the seam and in the seam has a helical shape.
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 invention relates to an article with a welded seam, a method for producing an article, in particular with a friction stir process, as well as a friction stir tool and a device for friction stir.
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.Aerospace, railway and automotive applications require complex and large parts, traditionally made of several interconnected components. Joining fiber reinforced composite parts, such as by welding techniques, poses new challenges because the parts are made of at least 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 and lower weight than conventional metallic structures. As a result, they are increasingly used in aerospace, railway and automotive engineering.
Die
Die
Die
Die
Die
Gelöst wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche 1, 5, 11, 24, 27 und 29. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.The object is achieved by the subject matter of
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, an article of at least one fiber-reinforced material with a welded seam is provided, wherein at least one fiber is arranged in the seam.
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.When welding fiber reinforced materials by conventional methods, only the matrix material is welded and melted. The fibers remain firm and unmelted. This leads to a seam, which consists only of the weld metal. The seam thus has no reinforcing fibers and consequently less strength than the body of the joined parts. Thus, under mechanical stress of the article, cracks in the seam may form or spread which may result in breakage of the seam and breakage of the article. This is avoided with the article according to the invention, since the seam has at least one fiber which reinforces the seam itself.
Erfindungsgemäß 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.According to the invention, the fiber extends almost over the entire length of the seam. This has the advantage that the seam is homogeneously reinforced by the fiber, so that the reliability of the connection is increased.
Weiterhin 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.Furthermore, the fiber has a helical or spiral shape, in particular a helical shape. This shape has the advantage that the width and the length of the seam are reinforced by the fiber. The pitch and diameter of the helix (i.e., the helix) may be approximately the same over the entire length, or may vary.
In einem 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 one embodiment, multiple fibers are disposed in the seam. These fibers may be entangled or juxtaposed. The proportion of fibers in this way in the seam can be increased in order to further increase the strength of the seam. It is advantageous if the strength of the seam approximately corresponds to the strength of the non-welded parts, so that the strength of the object is spatially equal.
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.The article of any of these embodiments may be a component of an aircraft or a motor vehicle. In particular, in aircraft and motor vehicles can crack due to continuous load of the components caused. Of course, this is to be avoided for safety reasons.
Die Erfindung gibt auch ein Verfahren zum Reibrühren an, das verwendet werden kann, den Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele herzustellen.The invention also provides a friction stir method which can be used to manufacture the article of any one of the preceding embodiments.
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 einnehmen. Das Werkzeug wird, während der rotierende Schweißstift in Kontakt mit dem Verbindungsbereich steht, entlang der Verbindungslinie der Werkstücke vorwärts bewegt, so dass der sich um den Schweißstift befindende Werkstoff plastifiziert und anschließend konsolidiert. Bevor das Material völlig erhärtet, wird der Schweißstift aus dem Verbindungsbereich bzw. den Werkstücken entfernt.Friction stir processing and friction stir welding (FSW) are known to contact and hold two workpieces to be welded together. 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. In this case, frictional heat is generated by the relative movement between the tool and workpieces, so that adjacent material regions assume a plasticized state in the connection region. 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 from fiber-reinforced materials, such as metal composite materials (so-called MCCs) or suitable plastic materials can be welded together in this way as a butt joint, lap joint or T-joint connection. The technique of friction friction is also used in the repair, processing and finishing of workpieces. Point connections can also be generated, whereby forward movement of the welding pin rotatingly in contact with the connection area or a translatory relative movement between the rotating welding pin and workpieces does not take place.
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 method comprises the following steps. A rotationally driven pin-shaped projection is inserted into a workpiece area or into a connecting area of at least two adjoining workpieces with rotating movement. The workpiece area or joint area is plasticized in at least one contact area between the rotating projection and the workpiece area or bonding area, and a fiber is introduced into the plasticized area.
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 may be an endless fiber which is preferably fed continuously. But it can also be introduced short or long fibers. In order to simplify the feeding of short fibers or long fibers, they may be embedded in a filler material (fiber-reinforced filler material) which is introduced into the plasticized region.
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.The plasticized area is liquid so that a fiber can be introduced into this liquid area. This plasticized area has circulating currents caused by the rotation of the protrusion. An endless, solid fiber is captured by this circulating weld metal and positioned in the weld metal due to flow or flow. Consequently, after re-solidification of the plasticized area, the endless fiber having a flow-related shape is frozen in the seam between the workpieces.
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.Due to these circulating currents, the endless fiber becomes helical, i. H. spiral or helical, arranged in the seam, wherein the projection along the connecting line is guided linearly. By combining the linear motion and the circulating currents 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.The rotatably driven pin-shaped projection is typically part of a friction stir tool that includes a rotationally drivable tool body. At the end of the tool body facing away from the drive, a shoulder is provided, from which the rotatable, pin-shaped projection, which has a smaller diameter than the shoulder, extends in the direction of the drive end of the tool body. The shoulder and the pin-shaped projection are independently driven in rotation.
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 which extends in the direction away from the drive end of the tool body. A fiber may be disposed in the through hole and supplied to the plasticized portion of the workpiece or the bonding portion during the friction stir process.
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 of the method according to the invention, the shoulder is applied to the workpiece region or connecting region under at least temporary pressurization, wherein, while the projection is in contact with the workpiece region or connecting region, the rotational 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, in particular plates with a thickness greater than 6 mm. It is important in turn that during the rotationally driven pin-shaped projection in contact with the Material or connection area is, the shoulder does not rotate, so that no additional heat of friction generated on the workpiece surface through the shoulder. Thus, the heat input is significantly reduced by Reibwärmegenerierung on the surface of the workpieces, creating a so-called low-heat joining is possible. The additional heating on the workpiece surface is eliminated, so that here the heat load is low and at the same time a homogeneous heat load over the entire penetration depth of the welding pin is ensured. At the same time, the workpiece alloys soften less because the heat affected zone is less pronounced. 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 geschweißten, reparierten, bearbeiteten bzw. umgewandelten Werkstücke.The pointing in the direction of the pin-shaped projection surface of the workpieces is applied at a given time by the action of the shoulder with the required pressure, which is advantageously reduced compared to conventional friction stir by a factor of 2 to 3 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 the 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.The fact that no additional friction is caused by the non-rotating shoulder, also causes the process with a higher speed or rotational speed of the welding pin can be performed. The speed can be increased by a factor of 3 to 4 compared to conventional friction stir process and is 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 another embodiment, the shoulder is applied to the workpiece area or joint area under at least temporary pressurization, wherein while the projection is in contact with the workpiece area or joint area, the rotational speed of the shoulder is less than the rotational speed of the projection. This embodiment makes it possible to set the shape of an endless fiber in the seam, since the shape is determined not only by the flow of the plasticized portion but also by the speed of rotation of the shoulder.
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 a further embodiment, the projection in the workpiece region or connecting region is moved linearly, wherein the fiber is continuously introduced into the plasticized region. This embodiment is used to introduce a long or continuous fiber into a long seam.
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.For joining two abutting workpieces, the projection can be moved relative to the abutting workpieces along the line connecting the abutting workpieces. Alternatively, the abutting workpieces are moved relative to the projection along the joining line of the abutting 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 which comprises a rotationally drivable tool body, at the end remote from the drive, a shoulder is provided, from which extends in the direction of the drive end facing away from the tool body, a rotatable, pin-shaped projection having a smaller diameter than the shoulder, wherein the shoulder and the pin-shaped projection are independently driven to rotate. According to the invention, the shoulder has at least one passage opening 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 may be disposed in the through hole and inserted into the plasticized region of the workpiece or the bonding region during the friction stir process. This arrangement has the advantage that the through-hole and the position of insertion of the fiber are as close as possible to the plasticized region. This allows for reliable insertion of the fiber into 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 exemplary embodiment, the passage opening widens in the direction of the drive-away surface of the shoulder. The fiber can be introduced through this passage opening directly above the workpiece in 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 passage opening may extend substantially perpendicular to a surface of the shoulder facing away from the drive. This has the advantage that the guide length of the fiber 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 surface facing away in the direction of the shoulder to a surface facing away from the projection in the direction of the shoulder. This arrangement has the advantage that the fiber source is arranged next to the tool body. 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 the pin-shaped projection has a speed n = 0. The central idea here is to design a friction stir tool in such a way that the 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 workpieces to be joined or machined in the sense of rotation or is fixed. However, this does not exclude a displacement of the shoulder in the axial direction of the tool. In this case, the shoulder defines a region of the friction stir tool having a larger diameter than the welding pin and ensures that, starting from a certain penetration depth of the welding pin, the shoulder rests positively and positively on the workpiece surface in order to apply the required pressure force to the workpiece surface and to prevent the 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 freed by means of a suitable bearing of the tool body or of the pin-shaped projection driving spindle rotation and thus contributes deliberately no additional frictional heat to the welding process, but is able to provide the necessary vertical force on the workpieces to be joined transfer. 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 molded part, which is arranged on the side facing towards the pin-shaped projection side of the bearing. The molded part, which is for example a sheet-like element (eg a steel sheet with a thickness of typically 2 to 5 mm) or a cast component, may for this purpose be provided with a bore for passing the pin-shaped projection, and from below (ie Direction of the pin-shaped projection) are pushed onto the bearing. It is important to ensure that the area between the molding and pin-shaped projection is formed as tight as possible in order to prevent escape of plasticized material in the axial direction of the friction stir tool.
Alternativ kann eine Anordnung mit Formteil ohne Lagerung verwendet werden.Alternatively, an arrangement 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.Furthermore, it is advantageous that the edge region of the molded part is angled in such a way that it at least partially surrounds the bearing. It is particularly advantageous if the molded part at least partially surrounds both the side regions of the bearing and the surface of the bearing pointing in the direction of the tool drive. In this way, it is ensured that when removing the tool or the pin-shaped projection from the workpiece or connecting region, the shoulder does not slip or move in the axial direction of the tool. At the same time it is counteracted by adhesion of the shoulder to the surface of the welded or machined workpieces.
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, the molded part is provided with a friction-reducing material at least on its side facing the projection. For this purpose, for example, the material "CC Aluspeed <(RTM)>" from Cemecon can be applied as a coating. As a result, the friction between the molded part and the workpiece surface is 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 an alternative embodiment, the shoulder is formed by the side facing in the direction of a corresponding bearing arranged on the tool body (for example plain or roller bearings). This represents a particularly simple embodiment since an additional element (for example, the molded part) 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.In this alternative embodiment, too, it is expedient to coat the side of the bearing pointing in the direction of the projection with a friction-reducing material of the aforementioned type, in order in turn to reduce the 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, the pin-shaped projection is formed integrally with the tool body, resulting in a very simple structure and the system technology for driving the tool or the pin-shaped projection is extremely simple, since essentially only one spindle to be driven is required. In this case, the friction stir tool is usually 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.The friction stir tool according to the invention ensures that the work piece material close to the shoulder is not overheated. Thus, when welding workpieces, it is ensured that the root area of the welded joint, which otherwise tends to become cold-weldable, is welded securely and with high quality thanks to the higher selectable welding pin rotational speed in comparison with known friction stir welding tools. A uniform temperature distribution over the entire cross-section of the workpieces is achieved, which is a prerequisite for a high-quality welded joint.
Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Werkzeug in analoger Weise auch zur Reparatur, Bearbeitung und Veredelungen von Werkstücken eingesetzt werden. In addition, the tool according to the invention can be used in an analogous manner for the repair, processing and finishing of workpieces.
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 invention also provides a device for friction stir, comprising a friction stir according to one of the preceding embodiments. The protrusion is insertable into a workpiece area or a connecting area of at least two workpieces to be connected with rotating movement, so that when it is rotated in contact with the workpiece area or connecting area, the protrusion plastifies this plasticized material at least in the contact area. The apparatus further comprises a fiber source, wherein fibers may be introduced into the plasticized material via the passage opening. The fibers can be supplied for example in the form of continuous, 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 comprise drive means with which the device can be guided linearly while the drive of the projection is rotating. 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 one embodiment, the shoulder may be applied to the workpieces outside the contact area between the protrusion and the workpiece area or joint area. The shoulder can thus be driven perpendicular to the workpieces, thus causing 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 tool 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 two adjoining workpieces made of fiber-reinforced plastic, fiber-reinforced metal or a fiber-reinforced alloy.
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 storage by means of roller bearings and hydrostatic or hydrodynamic bearings can be used. However, the function of storage is the same. Alternative can be dispensed with a 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.Another alternative embodiment of the molding allows to dispense with the bearing.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 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 the weld metal
- 1717
- plastifizierter Stoffplasticized fabric
- 1818
- verschweißte Nahtwelded seam
- 1919
- Gegenstand mit verschweißter NahtObject with welded seam
Claims (30)
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