DE102009040526B4

DE102009040526B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils durch Rührreibschweißen, deren Verwendung sowie rührreibgeschweißtes Bauteil

Info

Publication number: DE102009040526B4
Application number: DE102009040526.7A
Authority: DE
Inventors: Tommy Brunzel; Jürgen Silvanus
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2009-09-08
Filing date: 2009-09-08
Publication date: 2017-08-03
Anticipated expiration: 2029-09-09
Also published as: DE102009040526A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus zwei Werkstücken (4, 6) durch Rührreibschweißen, mit einem rotierbaren Werkzeug (8), das einen hülsenartigen Werkzeugkörper (10) hat, der eine ringartige Schulterfläche (12) zum Einleiten einer Prozesskraft (F1) in die Werkstücke (4, 6) aufweist und durch den ein Rührstift (22) mit einem tellerartigen Endabschnitt (24) zum Einleiten einer der Prozesskraft F1 entgegengerichteten Gegenkraft (F2) in die Werkstücke (4, 6) geführt ist, mit den Schritten: – Positionieren der Werkstücke (4, 6) zueinander, – Positionieren des Werkzeugs (8) zu den Werkstücken (4, 6), – Ansteuern des Werkzeugs (8), wobei es mit einer in Richtung der Prozesskraft (F1) gerichteten Zusatzkraft (F3) beaufschlagt wird, so dass es eine Bewegung in Richtung der Prozesskraft (F1) ausführt und ein versetzt ausgebildeter Bauteilbereich (38) entsteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus zwei Werkstücken durch Rührreibschweißen, eine Vorrichtung zum Rührreibschweißen nach dem Oberbegriff des Patentanspruch 6, ein rührreibgeschweißtes Bauteil nach dem Oberbegriff des Patentanspruch 7 und ein Anwendungsgebiet für ein derartiges Verfahren und ein Anwendungsgebiet für eine derartige Vorrichtung.
Rührreibschweißen oder Friction Stir Welding (FSW), wie es beispielsweise in der WO 93/10935 A1 beschrieben ist, ermöglicht das stoffschlüssige Fügen zweier mit herkömmlichen Schmelzschweißverfahren nicht bzw. nur sehr schwer schweißbarer Werkstücke. Es wird vornehmlich zum Verschweißen von Leichtmetallen eingesetzt. Eine Zugabe eines Schweißzusatzstoffes ist nicht notwendig. Beim Rührreibschweißen wird ein Rührstift, der sich von einer Stirnfläche eines sich drehenden Zylinders erstreckt, in einen Stumpfstoß zweier Werkstücke gedrückt und entlang des Stumpfstoßes geführt, wobei der Zylinder mit seiner Ringstirnfläche bzw. Schulterfläche die Werkstücke mit einer einseitigen Prozesskraft beaufschlagt. Durch die Reibung zwischen der Schulterfläche und den Werkstücken entsteht Wärme mittels der das Material in dem Stumpfstoß plastifiziert wird und das dann durch den eintauchenden Rührstift gleichmäßig verrührt wird.
Aus der WO 01/36143 A1 ist eine Vorrichtung zum Verbinden von Werkstücken nach der Methode des Rührreibschweißens bekannt. Die Werkstücke schließen dabei einen Verbindungsbereich ein. Die Vorrichtung umfasst eine rotierende Achse, an deren antriebsabgewandten Ende ein stiftartiger Vorsprung ausgebildet ist, der bei seiner Rotation in Kontakt mit dem Verbindungsbereich der Werkstücke diese wenigstens im Kontaktbereich plastifiziert. An dem antriebsabgewandten Ende des stiftartigen Vorsprungs ist ein eine zweite Schulter bildender Anschlag mit einem größeren Durchmesser als der Stift angeordnet, sowie ein eine erste Schulter bildender Anschlag. Die Werkstücke sind zwischen den beiden Anschlägen eingeschlossen.
Weiter ist aus der US 7,367,487 B2 bekannt, einen ausgesparten Bereich mit einem im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt in der oberen Endfläche eines Traggestells vorzusehen. Wenn eine Probe einer Vorrichtung zum Rührreibschweißen in die obere Endfläche einer geschichteten Struktur eingetaucht wird erfolgt ein Fließen von plastifiziertem Material in der Umgebungen um den Abschnitt. Das bewirkt, dass das flüssige Material in den ausgesparten Bereich fließt, wodurch das Material in einem relativ großen Bereich gerührt wird.
In der JP 11254155 A ist des Weiteren ein Rührreibschweißverfahren und ein Verbindungsverfahren beschrieben.
Weiter ist in der JP 10263852 A eine rotierende stiftförmige Probe beschrieben, welche sich von einem Drehzylinder mit einem größeren Durchmesser erstreckt. Die rotierende Probe wird in oder nahe zweier zu verbindender und aneinander anstoßender Metallteile aufgebracht, wobei der Teil, welcher in Kontakt mit der rotierenden Probe ist durch die Reibungswärme aufgeweicht und gerührt wird.
In der JP 2005288525 A werden ein erstes und zweites Metallelement aus einem unterschiedlichen Material und mit unterschiedlicher Härte überlappend angeordnet und miteinander punktverschweißt.
Aus der WO 00/02699 A1 ist ein Rührreibschweißverfahren bekannt, bei dem die Werkstücke in ihrem Stumpfstoßbereich mit entgegengerichteten gleich großen Prozesskräften beaufschlagt wird. Bei diesem kraftneutralen Rührreibschweißen werden die Werkstücke zwischen einer Schulterfläche einer drehenden Hülse und einer entgegengesetzten Tellerfläche eines durch die Hülse geführten Rührstiftes eines Werkzeugs eingespannt. Vorteile dieses sogenannten „Bobbin Tools” und dieses Verfahrens sind geringere Belastungen der Werkstücke, eine vereinfachte Spanntechnik, ein homogenerer Wärmeeintrag und ein geringerer Verzug. Nachteile sind ein recht hoher Wärmeeintrag, so dass teuere Spannmittel aus wärmeleitfähigen Materialien wie Kupfer und Aluminium notwendig sind. Mit steigender Werkstückdicke überwiegen die Vorteile, jedoch sind die Prozesskräfte recht hoch, was bei einer Werkstückdicke von etwa 12 mm häufig zu einem frühzeitigen Versagen des Werkzeugs führt. Ein weiterer Nachteil ist ein sich ergebender Nahteinfall auf Seiten der Tellerfläche. Insbesondere in der Luft- und Raumfahrt stellt der Nahteinfall ein gravierendes Problem dar, da die Bauteile wie zum Beispiel Schalenelemente aus Gewichtsgründen sehr dünnwandig sind und aus aerodynamischen Gründen eine ebene Außenfläche aufweisen müssen, so dass dieses bekannte Rührreibschweißverfahren nur bedingt für die Luft- und Raumfahrt geeignet sind. Die Wandstärke in der Fügezone kann zwar über einen vor dem Verschweißen ausgebildeten Sockel erhöht werden, jedoch ist die Aufbringung des Sockels zeitintensiv.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Rührreibschweißen, das die vorgenannten Nachteile beseitigt und eine Einebnung eines Nahteinfalls erlaubt, sowie eine hierfür geeignete Vorrichtung zum Rührreibschweißen zu schaffen, um neue Anwendungsgebiete zu erschließen, sowie ein entsprechend rührreibgeschweißtes Bauteil auszubilden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Rührreibschweißen mit den Schritten des Patentanspruchs 1, durch eine Vorrichtung zum Rührreibschweißen mit den Merkmalen des Patentanspruch 6, durch ein rührreibgeschweißtes Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 sowie durch ein Anwendungsgebiet nach dem Patentanspruch 10 und ein Anwendungsgebiet nach Patentanspruch 11.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus zwei Werkstücken durch Rührreibschweißen wird ein als „Bobbin Tool” ausgebildetes rotierbares Werkzeug eingesetzt, das einen hülsenartigen Werkzeugkörper hat, der eine ringartige Schulterfläche zum Einleiten einer Prozesskraft in die Werkstücke aufweist und durch den ein Rührstift mit einem tellerartigen Endabschnitt zum Einleiten einer der Prozesskraft entgegengerichteten Gegenkraft in die Werkstücke geführt ist. Zuerst werden die beiden Werkstücke zueinander positioniert. Dann wird das Werkzeug zu den Werkstücken ausgerichtet und angesteuert, wobei es mit einer in Richtung der Prozesskraft gerichteten Zusatzkraft beaufschlagt wird, so dass das Werkzeug eine Bewegung in Richtung der Prozesskraft ausführt und ein versetzter Bauteilbereich gebildet wird.
Erfindungsgemäß werden somit die Werkstücke in ihrer Fügezone derart verformt, dass ein gegenüber benachbarten Werkstückflächen zurückgestufter Flächenabschnitt und ein hervorstehender Flächenabschnitt entsteht. Die Schweißnaht wird quasi in Richtung der Prozesskraft versetzt. Somit wird beim Verschweißen automatisch ein Sockel ausgebildet, der dann in einem nachgelagerten abtragenden Verfahren wie zum Beispiel Fräsen zumindest partiell entfernt werden kann, so dass ein störender Nahteinfall beseitigbar ist.
Die Zusatzkraft wird insbesondere in Abhängigkeit des Materials der Werkstücke, der Materialstärke der Werkstücke und/oder des Vorschubs des Werkzeugs gewählt. Hierdurch kann die Zusatzkraft variabel an den Schweißprozess angepasst werden und eine Schädigung der Werkstücke aufgrund der Verformung bzw. des Versatzes ist nicht zu befürchten. Bevorzugterweise ist die Zusatzkraft größer als die gleichgerichtete Prozesskraft und größer als der Betrag der Gegenkraft.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Beträge der Prozesskraft und der Gegenkraft gleich groß, so dass das eigentliche Schweißen kraftneutral erfolgt.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils aus zwei Werkstücken durch Rührreibschweißen hat ein rotierbares Werkzeug, das einen hülsenartigen Werkzeugkörper mit einer ringartigen Schulterfläche zum Einleiten einer Prozesskraft in die Werkstücke aufweist, und einen durch den Werkzeugkörper geführten Rührstift mit einem tellerartigen Endabschnitt zum Einleiten einer der Prozesskraft entgegen gerichteten Gegenkraft in die Werkstücke aufweist. Erfindungsgemäß ist eine Einrichtung zum Beaufschlagen des Werkzeugs mit einer in Richtung der Prozesskraft gerichteten Zusatzkraft vorgesehen, so dass ein in Richtung der Prozesskraft versetzter Bauteilbereich entsteht, dessen hervorstehender Flächenabschnitt zumindest abschnittsweise einebbar ist.
Ein erfindungsgemäßes rührreibgeschweißtes Bauteil aus zwei in einer Fügezone miteinander verbunden Werkstücken weist in der Fügezone einen versetzten Bauteilbereich mit einem zurückgesetzten Flächenabschnitt und mit einem entgegengesetzten hervorstehenden Flächenabschnitt auf. Bevorzugterweise wird der hervorstehende Flächenabschnitt zumindest abschnittsweise eingeebnet, so dass eine stufenlose Oberfläche entsteht. Ein beispielhaftes Bauteil ist ein Rumpftonnenabschnitt eines Flugzeugs.
Eine erfindungsgemäße Verwendung des Verfahrens bzw. der Vorrichtung besteht darin, in der Luft- und Raumfahrt oder in der Fahrzeugtechnik dünnwandige Bauteile zu einem Strukturbauteil zu fügen. Beispiele sind die Herstellung einer Rumpfsektion eines Flugzeugs aus einer Vielzahl von Rumpfschalen sowie das Fügen einer Rumpftonne.
Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen
1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäß hergestellten Fügeverbindung, und
3 eine Seitenansicht der Fügeverbindung aus 2 nach einer Endbearbeitung.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 2 zur Herstellung eines Bauteils aus zwei Werkstücken 4, 6 durch Rührreibschweißen, die im Stumpfstoß zueinander positioniert sind. Die Werkstücke 4, 6 sind beispielsweise zwei Rumpfschalen eines Flugzeugs, die entlang ihrer Längsseiten zu einem Rumpftonnenabschnitt miteinander zu verbinden sind. Sie bestehen aus einem Leichtmetall wie Aluminium bzw. einer entsprechenden Aluminiumlegierung.
Die Vorrichtung 2 umfasst ein Rührreib-Werkzeug 8 mit einem hülsenartigen Werkzeugkörper 10, der eine ringartige Schulterfläche 12 zur Anlage an gegenüberliegenden Innenflächen 14, 16 der Werkstücke 4, 6 aufweist. In dem Werkzeugkörper 10 ist ein zu einer Drehachse 18 des Werkzeugs 8 koaxialer Kanal 20 zur Aufnahme eines Rührstifts 22 ausgebildet, dessen freier Endabschnitt 24 tellerartig erweitert ist und eine Tellerfläche 26 zur Anlage an gegenüberliegenden Außenflächen 28, 30 der Werkstücke 4, 6 aufweist. Die Schulterfläche 12 und die Tellerfläche 26 haben gleiche Durchmesser.
Im Betrieb wird über die Schulterfläche 12 eine Prozesskraft F1 und über die Tellerfläche 26 eine zur Prozesskraft F1 entgegengerichtete Gegenkraft F2 in die Werkstücke 4, 6 eingeleitet. Die Beträge der Prozesskraft F1 und der Gegenkraft F2 sind gleich groß. Gleichzeitig führen die Schulterfläche 12 und die Tellerfläche 26 eine gemeinsame Drehbewegung um die Drehachse 18 aus.
Die Werkstücke 4, 6 weisen in der Fügezone innenflächenseitig, d. h. schulterflächenseitig, einen Sockel 32 bzw. eine Materialverdickung und somit eine gegenüber angrenzenden Werkstückbereichen 34, 36 vergrößerte Wandstärke s auf.
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung 2 eine nicht gezeigte Einrichtung zur Beaufschlagung des Werkzeugs 8 mit einer in Richtung der Prozesskraft F1 verlaufenden Zusatzkraft F3 auf. Die Zusatzkraft F3 bewirkt eine Bewegung der Schulterfläche 12 und der Tellerfläche 26 in Richtung der Prozesskraft F1. Hierdurch wird wie in 2 gezeigt in der Fügezone ein in Richtung der Prozesskraft F1 versetzter Bauteilbereich 38 mit einem gegenüber benachbarten Sockelflächenabschnitten 40, 42 bzw. Innenflächenabschnitten zurückgesetzten Flächenabschnitt 44 und einem gegenüber benachbarten Außenflächenabschnitten 46, 48 hervorstehenden Flächenabschnitt 50 geschaffen. Die Werkstücke 4, 6 werden quasi über eine in Richtung der Zusatzkraft F3 bzw. der Prozesskraft F1 versetzte Schweißnaht 52 miteinander verbunden, wodurch automatisch beim Verschweißen tellerflächenseitig ein Gegensockel 54 entsteht.
Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßes Verfahren der Erfindung näher erläutert: Gemäß 1 werden die Werkstücke 4, 6 zur Herstellung eines Bauteils zueinander im Stumpfstoß positioniert und die Vorrichtung 2 wird in eine Spindel eingespannt. Die Schulterfläche 12 und die Tellerfläche 26 des Werkzeugs 8 werden in Anlage mit den Werkstücken 4, 6 in ihrer Fügezone gebracht und über eine Spindel in Rotation versetzt. Gleichzeitig wird der Werkzeugkörper 10 mit der Prozesskraft F1 und der Rührstift 22 mit der entgegengerichteten gleichgroßen Gegenkraft F1 beaufschlagt. Zusätzlich wird das Werkzeug 8 mit der in Richtung der Prozesskraft F1 wirkenden Zusatzkraft F3 beaufschlagt. Aufgrund der Rotation der Schulterfläche 12 und der Tellerfläche 26 sowie der Druckbeaufschlagung der Werkstücke 4, 6 in der Fügezone über die Prozesskraft F1 und die Gegenkraft F2 entsteht Reibwärme, so dass das Material der Werkstücke 4, 6 in der Fügezone plastifiziert und über den Rührstift 22 miteinander verrührt bzw. vermischt wird. Dabei führt das Werkzeug 8 aufgrund der Zusatzkraft F3 eine Bewegung in Richtung der Prozesskraft F1 aus, so dass der in 2 gezeigte in Richtung der Prozesskraft F1 versetzte Bauteilbereich 38 mit dem schulterseitig zurückgestuften Flächenabschnitt 44 und dem tellerflächenseitig hervorstehenden Flächenabschnitt 50 gebildet wird, was in dem Gegensockel 54 resultiert. Nach ausreichender Vermischung des Materials in der Fügezone und nach Ausbildung des Gegensockels 54 wird die Vorrichtung 2 in Längsrichtung des Stumpfstoßes bewegt bis die Werkstücke 4, 6 entlang des Stumpfstoßes miteinander verschweißt sind. Gemäß 3 wird nach der Herstellung der Schweißverbindung der Gegensockel 54 gegenüber den benachbarten Außenflächenabschnitten 46, 48 eingeebnet, so dass eine ebene und aerodynamisch günstige Außenumfangsfläche 56 in der Fügezone der Werkstücke 4, 6 geschaffen ist.
Es ist ebenfalls vorstellbar, die Werkstücke 4, 6 ohne die Ausbildung des Sockels 32 zu fügen. Ebenso ist es vorstellbar, die Zusatzkraft in Richtung der Gegenkraft F3 wirken zu lassen, so dass der Gegensockel 54 schulterflächenseitig ausgebildet wird. Ebenso können die Beträge der Kräfte F1, F2, und F3 variieren.
Offenbart ist ein Rührreibschweißverfahren zum stoffschlüssigen Fügen von zwei Werkstücken 4, 6, wobei eine als „Bobbin Tool” ausgebildete Rührreib-Vorrichtung 2 mit einer dritten Kraft F3 zur Bildung eines in Richtung der dritten Kraft F3 versetzten Bauteilbereichs 38 gebildet wird, eine Vorrichtung 2 zur Durchführung eines derartigen Verfahrens, ein nach einem derartigen Verfahren hergestelltes Bauteil sowie ein bevorzugtes Anwendungsgebiet des Verfahrens bzw. der Vorrichtung 2.
Bezugszeichenliste

2: Vorrichtung
4: Werkstück
6: Werkstück
8: Werkzeug
10: Werkzeugkörper
12: Schulterfläche
14: Innenfläche
16: Innenfläche
18: Drehachse
20: Kanal
22: Rührstift
24: Endabschnitt
26: Tellerfläche
28: Außenfläche
30: Außenfläche
32: Sockel
34: Werkstückbereich
36: Werkstückbereich
38: Bauteilbereich
40: Sockelflächenabschnitt
42: Sockelflächenabschnitt
44: Flächenabschnitt
46: Außenflächenabschnitt
48: Außenflächenabschnitt
50: Flächenabschnitt
52: Schweißnaht
54: Gegensockel
56: Außenumfangsfläche
F1: Prozesskraft
F2: Gegenkraft
F3: Zusatzkraft
s: Wandstärke

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus zwei Werkstücken (4, 6) durch Rührreibschweißen, mit einem rotierbaren Werkzeug (8), das einen hülsenartigen Werkzeugkörper (10) hat, der eine ringartige Schulterfläche (12) zum Einleiten einer Prozesskraft (F1) in die Werkstücke (4, 6) aufweist und durch den ein Rührstift (22) mit einem tellerartigen Endabschnitt (24) zum Einleiten einer der Prozesskraft F1 entgegengerichteten Gegenkraft (F2) in die Werkstücke (4, 6) geführt ist, mit den Schritten: – Positionieren der Werkstücke (4, 6) zueinander, – Positionieren des Werkzeugs (8) zu den Werkstücken (4, 6), – Ansteuern des Werkzeugs (8), wobei es mit einer in Richtung der Prozesskraft (F1) gerichteten Zusatzkraft (F3) beaufschlagt wird, so dass es eine Bewegung in Richtung der Prozesskraft (F1) ausführt und ein versetzt ausgebildeter Bauteilbereich (38) entsteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zusatzkraft F3 insbesondere in Abhängigkeit des Materials der Werkstücke, der Materialstärke der Werkstücke (4, 6) und/oder des Vorschubs des Werkzeugs (8) gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Zusatzkraft (F3) größer als die Beträge der Einzelkräfte (F1) und (F2) ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Beträge der Prozesskraft (F1) und der Gegenkraft (F2) gleich groß sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein hervorstehender Flächenabschnitt (50) des Bauteilbereichs (38) zumindest abschnittsweise eingeebnet wird.
Vorrichtung (2) zur Durchführung eines Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung eines Bauteils aus zwei Werkstücken (4, 6) durch Rührreibschweißen, das ein rotierbares Werkzeug (8) mit einem hülsenartigen Werkzeugkörper (10) hat, der eine ringartige Schulterfläche (12) zum Einleiten einer Prozesskraft (F1) in die Werkstücke (4, 6) aufweist und durch den ein Rührstift (22) mit einem tellerartigen Endabschnitt (24) zum Einleiten einer der Prozesskraft (F1) entgegengerichteten Gegenkraft (F2) in die Werkstücke (4, 6) geführt ist, wobei eine Einrichtung zum Beaufschlagen des Werkzeugs (8) mit einer in Richtung der Prozesskraft (F1) gerichteten Zusatzkraft (F3) vorgesehen ist.
Rührreibgeschweißtes Bauteil aus zwei in einer Fügezone miteinander verbunden Werkstücken (4, 6), wobei in der Fügezone ein versetzter Bauteilbereich (38) mit einem zurückgesetzten Flächenabschnitt (44) und mit einem entgegengesetzten hervorstehenden Flächenabschnitt (50) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass es nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 hergestellt ist.
Rührreibgeschweißtes Bauteil nach Anspruch 7, wobei der hervorstehende Flächenabschnitt (50) zumindest abschnittsweise eingeebnet ist.
Rührreibgeschweißtes Bauteil nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Bauteil ein Rumpftonnenabschnitt eines Flugzeugs ist.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung eines Strukturbauteils in der Luft- und Raumfahrt oder der Fahrzeugtechnik.
Verwendung einer Vorrichtung (2) nach Anspruch 6 zur Herstellung eines Strukturbauteils in der Luft- und Raumfahrt oder der Fahrzeugtechnik.