DE102011106505A1

DE102011106505A1 - Schweißwerkzeug zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken, Schweißverfahren sowie Werkstück

Info

Publication number: DE102011106505A1
Application number: DE102011106505A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Silvanus; Erich Forster; Erich Tauscher
Original assignee: EADS Deutschland GmbH; Eurocopter Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH; Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2011-06-15
Filing date: 2011-06-15
Publication date: 2012-12-20
Also published as: WO2012171522A1; US20140203067A1; US10183356B2; EP2720824A1; US9919378B2; US20180133832A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schweißwerkzeug (10) zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken (18, 20) an einem Verbindungsbereich (24) mittels Rührreibschweißen, wobei das Schweißwerkzeug (10) eine Schulter (12) zum Abtrennen des Verbindungsbereichs (24) von der Umgebung (28) aufweist und die Schulter (12) als Formwerkzeug (34) ausgebildet ist. Weiter betrifft die Erfindung ein Schweißverfahren unter Verwendung des Schweißwerkzeuges (10) sowie ein Werkstück (33), das mit dem Schweißwerkzeug (10) und/oder dem Schweißverfahren hergestellt worden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schweißwerkzeug zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken an einem Verbindungsbereich mittels Rührreibschweißen.
Beim Rührreibschweißen wird im Gegensatz zum Reibschweißen die Reibenergie nicht durch Rotation eines der beiden zu verbindenden Werkstücke relativ zu dem anderen Werkstück erzeugt, sondern es wird ein verschleißfestes Schweißwerkzeug verwendet, das Rotationsenergie auf die beiden Werkstücke aufbringt. Dabei laufen die folgenden Schritte ab:
Im ersten Schritt wird das Schweißwerkzeug mit einer rotierenden Sonde mit hoher Kraft in einen Verbindungsbereich zwischen die beiden zu verbindenden Werkstücke gedrückt, bis eine die Sonde berührungslos umschließende Schulter des Schweißwerkzeuges auf der Oberfläche der Werkstücke zur Anlage kommt.
Im zweiten Schritt verbleibt die sich drehende Sonde kurze Zeit an der Einschweißstelle, wobei sich der Verbindungsbereich zwischen der Schulter des Schweißwerkzeuges und den Werkstücken bis kurz unter den Schmelzpunkt des Werkstoffes der Werkstücke erwärmt. Dabei werden die Werkstoffe weich und plastifizieren, so dass eine Vermischung zwischen den Werkstoffen der zu verbindenden Werkstücke in dem Verbindungsbereich möglich wird.
Im dritten Schritt wird das Schweißwerkzeug in Vorschubrichtung bewegt, derart, dass die Sonde und die Schulter weiterhin mit großer Kraft auf die Werkstückoberfläche gepresst werden. Es entsteht bei der Vorschubbewegung ein Druckunterschied zwischen dem Vorderbereich des Schweißwerkzeuges und seiner Rückseite durch die Drehbewegung der Sonde, so dass plastifizierter Werkstoff um die Sonde herum transportiert wird, sich vermischt und somit zur Schweißnahtbildung beiträgt.
Am Ende der Schweißnaht wird das Schweißwerkzeug aus dem Verbindungsbereich herausgezogen.
Das Schweißwerkzeug weist somit die Sonde und die im Wesentlichen senkrecht dazu angeordnete Schulter mit einem größeren Durchmesser als die Sonde selbst auf. Die Schulter dient dazu, die Umgebungsluft von der Schweißnaht zu isolieren, während die Sonde für die Verwirbelung des Werkstoffes zuständig ist. Da der Werkstoff durch die Verwirbelung zur Schweißnahtbildung herangezogen wird, sind Zusatzwerkstoffe nicht nötig. Weiter kann auch auf eine Schutzgasatmosphäre verzichtet werden.
Nachteilig beim Rührreibschweißen ist, das die Schulter mit den zu verschweißenden Werkstücken permanent in Kontakt sein muss und dadurch die dreidimensionale Bewegungsfreiheit des Schweißwerkzeuges eingeschränkt ist. Beispielsweise können Behälter nicht bis in die Ecken ausgeschweißt werden, ein Schweißen von Kantenstößen und Bördelnahten ist nicht möglich und es entstehen Materialüberstände, die durch Nacharbeiten entfernt werden müssen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schweißwerkzeug zur Verfügung zu stellen, mit dem die genannten Probleme überwunden werden können.
Diese Aufgabe wird mit einem Schweißwerkzeug mit der Merkmalskombination des Patentanspruches 1 gelöst.
Ein Schweißverfahren zum Rührreibschweißen sowie ein mit dem Schweißwerkzeug und/oder dem Schweißverfahren hergestelltes Werkstück sind Gegenstand der Nebenansprüche.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Schweißwerkzeug zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken an einem Verbindungsbereich mittels Rührreibschweißen weist eine Schulter zum Abtrennen des Verbindungsbereiches von der Umgebung auf. Die Schulter ist als Formwerkzeug ausgebildet.
Somit kann die Schulter an die jeweilige Schweißsituation angepasst werden und es können Verbindungen hergestellt werden, die bislang mittels Rührreibschweißen nicht möglich waren. Denn die Zugänglichkeit der Sonde zu dem zu verschweißenden Verbindungsbereich wird durch die angepasste Schulter verbessert.
Vorzugsweise ist die Schulter zum Formen des Verbindungsbereiches ausgebildet und eingerichtet.
Bei dem Verbindungsbereich handelt es sich vorzugsweise um denjenigen Bereich der wenigstens zwei Werkstücke, der während des Rührreibschweißprozesses durch die Reibungsenergie erwärmt wird. Das heißt, es handelt sich vorzugsweise nicht nur um die plastifizierte Fügezone, sondern auch um einen daran angrenzenden Bereich, der zumindest soweit erwärmt ist, dass er geformt oder verformt werden kann.
Vorzugsweise weist die Schulter an und/oder neben einer Schulterfläche, die während des Rührreibschweißens an dem Verbindungsbereich anzuordnen ist, einen Vorsprung auf. So ist es beispielsweise möglich, den Vorsprung an einer Seite einer Werkstückkante anzulegen, während sich die Schulterfläche auf der anderen Seite der Werkstückkante befindet. Je nach Ausbildung des Bereiches zwischen Schulterfläche und Vorsprung kann die Werkstückkante dann mitgeformt werden und beispielsweise eine Rundung, eine Fase bzw. eine Hohlkehle gebildet werden.
Weiter vorzugsweise ist der Vorsprung an einer Vorsprungsfläche, die während des Rührreibschweißens an dem Verbindungsbereich anzuordnen ist, gestuft ausgebildet. Somit ist es dann auch möglich, beispielsweise in Vorschubrichtung durch die Stufung der Vorsprungsfläche die zu verbindenden Werkstücke eng zusammen zu pressen und somit beispielsweise zwei Bleche miteinander zu verbördeln.
Die Stufen der Vorsprungsfläche können dabei beispielsweise senkrecht oder über ein Gefälle oder über eine Rundung miteinander verbunden sein.
Vorteilhaft sind an und/oder neben der Schulterfläche mehrere Vorsprünge gebildet. So ist vorteilhaft auch ein mehrseitiges Formen in dem Verbindungsbereich zweier zu verbindender Werkstücke möglich.
Besonders bevorzugt ist der Vorsprung zum Formen einer Fase und/oder einer Rundung und/oder einer Hohlkehle an dem Verbindungsbereich, insbesondere an einer Verbindungsbereichkante, ausgebildet. Dabei weist beispielsweise die Vorsprungsfläche zusammen mit der Schulterfläche eine Negativform der Fase bzw. Rundung bzw. Hohlkehle auf, die dann in Vorschubsrichtung entlang der zu verbindenen Werkstücken in dem Verbindungsbereich geführt werden. Ein Nacharbeiten des durch die Verbindung der beiden Werkstücke gebildeten Endwerkstückes kann dabei vorteilhaft vermieden werden.
Weiter vorteilhaft weist die Schulter einen konvex und/oder konkav gekrümmten Schulterflächenbereich auf. So ist es vorteilhaft auch möglich, zwei Werkstücke mit kleinen konvexen und/oder konkaven Radien vorteilhaft einfach miteinander zu verschweißen.
Besonders bevorzugt ist die Schulter zum Formen des Verbindungsbereiches und/oder des wenigstens einen Werkstückes ausgebildet. Durch die aufgebrachte Reibungsenergie erweicht das Werkstückmaterial und ist dadurch formbar. Es können daher einfach durch die an die Verbindungsoberfläche angepresste Schulter, die als Formwerkzeug ausgebildet ist, fließende Übergänge zwischen den beiden zu verbindenden Werkstücken gebildet werden, ohne zusätzliches Material verwenden zu müssen.
Weiter vorteilhaft ist die Schulter zum Formen einer während des Rührreibschweißens an dem Verbindungsbereich entstehenden Schweißnaht ausgebildet. Somit kann ein Nacharbeiten der Schweißnaht vorzugsweise entfallen.
Ein Schweißverfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken an einem Verbindungsbereich mittels Rührreibschweißen weist die folgenden Schritte auf:

a) Bereitstellen des beschriebenen Schweißwerkzeuges;
b) Rührreibschweißen an dem Verbindungsbereich unter gleichzeitigem Formen des Verbindungsbereiches und/oder des wenigstens einen Werkstücks und/oder einer entstehenden Schweißnaht.

Besonders bevorzugt wird ein Werkstück mit dem beschriebenen Schweißwerkzeug und/oder mit dem beschriebenen Schweißverfahren hergestellt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Schweißwerkzeuges;
2 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Schweißwerkzeuges;
3 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines Schweißwerkzeuges zum Schweißen eines U-Profils;
4 einen Längsschnitt durch eine vierte Ausführungsform eines Schweißwerkzeuges zum Erzeugen einer Bördelnaht;
5 einen Querschnitt durch das Schweißwerkzeug aus 4 entlang der Linie V-V;
6 zwei zu verbindende Werkstücke mit unterschiedlicher Stärke;
7 einen Längsschnitt durch eine fünfte Ausführungsform des Schweißwerkzeuges zum Verbinden der beiden Werkstücke aus 6;
8 das nach Verbindung der beiden Werkstücke aus 6 resultierende Endwerkstück.
1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Schweißwerkzeugs 10 mit einer Schulter 12 und einer Sonde 14 zum Verbinden von zwei Werkstücken 18, 20 mittels Rührreibschweißen.
Die Werkstücke 18, 20 werden durch Halteeinrichtungen 22 gegen Verschieben beim Bearbeiten mit dem Schweißwerkzeug 10 gesichert.
Die Sonde 14 rotiert um eine Achse A. Zum Verbinden der Werkstücke 18, 20 bringt die Sonde 14 des Schweißwerkzeuges 10 durch das erste Werkstück 18 Reibungswärme in einen Verbindungsbereich 24 der Werkstücke 18, 20 ein. Dadurch erweicht der Werkstoff der Werkstücke 18, 20, wird im Bereich der Fügezone durch die Rotation der Sonde 14 verwirbelt und die Werkstücke 18, 20 verbinden sich miteinander.
Die Schulter 12 umschließt die Sonde 14 berührungsfrei und liegt mit einer Schulterfläche 26 im Bereich des Verbindungsbereiches 24 auf den Werkstücken 18, 20 auf, um so den Verbindungsbereich 24 sowie eine durch das Rührreibschweißen entstehende Schweißnaht (nicht gezeigt) von einer Umgebung 28 zu trennen und somit den Kontakt mit Luft zu verhindern. Die Schulter 12 weist einen an der Schulterfläche 26 angeordneten Vorsprung 30 auf, der sich im Wesentlichen senkrecht zu der Schulterfläche 26 entlang der Erstreckungsrichtung des zweiten Werkstückes 20 erstreckt.
In der eingekreisten, vergrößerten Darstellung in 1 ist zu erkennen, dass das erste Werkstück 18 nach Verbindung mit dem zweiten Werkstück 20 eine Rundung 31 an einer Werkstückkante 32 eines Endwerkstückes 33 aufweisen soll. Dies wird dadurch erreicht, dass zwischen der Schulterfläche 26 und dem Vorsprung 30 eine abgerundete Kante 33a ausgebildet ist, so dass die Schulter 12 als Formwerkzeug 34 wirkt. Wird nun das Schweißwerkzeug 10 in eine Vorschubrichtung in Richtung senkrecht zur Zeichenebene bewegt, formt die Schulter 12 aufgrund der abgerundeten Kante 33a die Rundung 31 an der Werkstückkante 32.
2 zeigt einen Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform des Schweißwerkzeuges 10 mit der Schulter 12 und der Sonde 14. Die Schulter weist hier ebenfalls den Vorsprung 30 auf, der allerdings nicht an, sondern neben der Schulterfläche 26 angeordnet ist. Somit kann eine Schweißnaht in größerem Abstand zu der Werkstückkante 32 erzeugt und gleichzeitig die Werkstückkante 32 geformt werden.
Der Längsschnitt in 3 zeigt eine dritte Ausführungsform des Schweißwerkzeugs 10, bei dem die Schulter 12 einen konvex gekrümmten Schulterflächenbereich 36 umfasst. Mit dem gekrümmten Schulterflächenbereich 36 ist es möglich, Werkstücke 18, 20 an gerundeten Endbereichen 38 unter Ausbildung einer konkaven Fläche 40 miteinander zu verschweißen. Alternativ kann der Schulterflächenbereich 36 auch konkav gekrümmt sein, um einen konvexen Verbindungsbereich 24 zu formen.
4 und 5 zeigen die Verbindung der Werkstücke 18, 20 zum Bilden einer Bördelnaht 42 mit dem Schweißwerkzeug 10 in einer vierten Ausführungsform. 4 ist dabei ein Längsschnitt durch das Schweißwerkzeug 10 und 5 ist ein Querschnitt entlang der Linie V-V in 4.
In der gezeigten Ausführungsform sind an der Schulterfläche 26 zwei Vorsprünge 30 ausgebildet, um so die zu verbindenen Endbereiche 38 der Werkstücke 18, 20 zu umschließen. Die Sonde 14 ragt in einen Spalt zwischen den Endbereichen 38 und bringt Reibungswärme zum Plastifizieren der Endbereiche 38 auf den Verbindungsbereich 24 auf. Durch die Vorsprünge 30 werden die erwärmten und/oder plastifizierten Endbereiche 38 zusammengedrückt und es bildet sich die Bördelnaht 42.
5 zeigt, dass die Vorsprünge 30 an Vorsprungsflächen 46, die den Endbereichen 38 zugewandt sind, mit Stufen 47 ausgebildet sind. Die Vorschubrichtung ist durch den Pfeil angedeutet. Die Vorsprünge 30 weisen in Vorschubrichtung einen Einlaufbereich 48, einen Verdichtungsbereich 50 sowie einen Auslaufbereich 52 als die Stufen 47 auf. Die Stufen 47 sind über Gefälle 56 miteinander verbunden.
Entlang der Vorschubrichtung kommen die Endbereiche 38 beim Rührreibschweißen zunächst mit dem Einlaufbereich 48 in Kontakt und werden durch die Drehbewegung der Sonde 14 plastifiziert. In plastifiziertem Zustand werden sie von dem Verdichtungsbereich 50 kontaktiert, der die Endbereiche 38 zusammendrückt und somit verbördelt. Der Auslaufbereich 52 der Vorsprünge 30 hat nach Verbördelung keinerlei Kontakt mit den Endbereichen 38, sodass die Bördelnaht 42 sich ohne weitere Verformung verfestigen kann. Der Auslaufbereich 52 vermeidet eine Akkumulation von Werkstoff auf der Bördelnaht 42, so dass diese glatt und gratfrei verbleibt.
6 bis 8 zeigen die Verbindung zweier unterschiedlich starker Werkstücke 18, 20 zu einem Endwerkstück 33. Die Schulter 12 des in dieser fünften Ausführungsform im Längsschnitt gezeigten Schweißwerkzeuges 10 weist den Vorsprung 30 auf, der über eine Fase 60 mit der Schulterfläche 26 verbunden ist. Mit dieser Ausführungsform ist es möglich, auch zwischen den zu verbindenen Werkstücken 18, 20 die Fase 60 zu erzeugen. Die Fase 60 entsteht durch das Rührreibschweißen mit dem in 7 gezeigten Schweißwerkzeug 10 an einer Verbindungsbereichskante 62 zwischen den Werkstücken 18, 20. Es resultiert das in 8 gezeigte Endwerkstück 33.
In den gezeigten Ausführungsformen ist die Schulter 12 des Schweißwerkzeuges 10 für spezifische Aufgaben geformt. Somit lassen sich Verbindungen darstellen, die bislang nicht möglich waren.
Die bevorzugte Fügetechnik im Flugzeugbau ist zur Zeit immer noch das Nieten. Von dieser ausgereiften Technologie sind jedoch kaum weitere Kostenreduktionsmöglichkeiten oder Gewichtseinsparungen zu erwarten. Neue Technologien, wie beispielsweise die Verwendung faserverstärkter Kunststoffe, treten zu den etablierten Methoden und Werkstoffen in Konkurrenz. Im Bereich der metallischen Werkstoffe können nur weiterentwickelte, neue Werkstoffe und weiterentwickelte Fügeverfahren in Kombination zu Fortschritten bei den Produkteigenschaften und zu einer Kostenreduzierung beitragen.
Mit dem in den Ausführungsformen gezeigte Schweißwerkzeug 10 ist ein neues Fügeverfahren möglich. Es können Verbindungen erzeugt werden, die bislang nicht oder nur schwer darstellbar waren, beispielsweise ist nun das Verschweißen von Kantenstößen und von Behältern bis in die Ecken bzw. von Bördelnahten mittels Rührreibschweißen möglich. Weiter kann ein Materialüberstand vermieden bzw. automatisch über die Schulter 12 ein Materialüberstand nachgearbeitet und somit entfernt werden. Zusätzlich können Schweißnahtoberflächen geformt und wichtige Übergänge definiert werden. Unter Verwendung von Rührreibschweißwerkzeugen war dies bislang nicht möglich.
Durch die besondere Form der Schulter 12 ist die Zugänglichkeit besser, das Schweißverfahren wird einfacher und die Werkstücke 18, 20 sind sicherer einspannbar. Die Werkstückkante 32 kann beispielsweise als Rundung 31, als Fase 60 oder als Hohlkehle geformt werden. Weiter kann beispielsweise eine innere Ecke der Werkstücke 18, 20 an einen inneren Spannklotz als Halteeinrichtung 22 angeformt werden. Im Vergleich zu beispielsweise einer Kehlnaht ist die Verwendung des Schweißwerkzeuges 10 in den gezeigten Ausführungsformen einfacher und prozesssicherer, zusätzlich können die Werkstücke 18, 20 bis in die Ecken ausgeschweißt werden. Die als Formwerkzeug 34 ausgebildete Schulter 12 kann in ihrer Form, Masse und Gestalt den Erfordernissen angepasst werden, wie beispielsweise an die Wärme, die in dem geschweißten Bereich herrscht, und die gewünschte Nahtform.
Mit dem Schweißwerkzeug 10 können auf einfache Weise Stumpfstöße, spaltfreie Bördelnahten 42, definierte Übergänge unterschiedlicher Blechdicken sowie kleine Radien im Rührreibschweißverfahren geschweißt werden.
Bezugszeichenliste

10: Schweißwerkzeug
12: Schulter
14: Sonde
16: Kehlnaht
18: erstes Werkstück
20: zweites Werkstück
22: Halteeinrichtung
24: Verbindungsbereich
26: Schulterfläche
28: Umgebung
30: Vorsprung
31: Rundung
32: Werkstückkante
33: Endwerkstück
33a: Kante
34: Formwerkzeug
36: Schulterflächenbereich
38: Endbereich
40: konkave Fläche
42: Bördelnaht
46: Vorsprungsfläche
47: Stufe
48: Einlaufbereich
50: Verdichtungsbereich
52: Auslaufbereich
56: Gefälle
60: Fase
62: Verbindungsbereichkante
A: Achse

Claims

Schweißwerkzeug (10) zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken (18, 20) an einem Verbindungsbereich (24) mittels Rührreibschweißen, das eine Schulter (12) zum Abtrennen des Verbindungsbereichs (24) von der Umgebung (28) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (12) als Formwerkzeug (34) ausgebildet ist.
Schweißwerkzeug (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (12) an und/oder neben einer Schulterfläche (26), die während des Rührreibschweißens an dem Verbindungsbereich (24) anzuordnen ist, einen Vorsprung (30) aufweist.
Schweißwerkzeug (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (30) an einer Vorsprungsfläche (46), die während des Rührreibschweißens an dem Verbindungsbereich (24) anzuordnen ist, gestuft ausgebildet ist.
Schweißwerkzeug (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Stufen (47) der Vorsprungsfläche (46) senkrecht oder über ein Gefälle (56) oder über eine Rundung miteinander verbunden sind.
Schweißwerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an und/oder neben der Schulterfläche (26) mehrere Vorsprünge (30) gebildet sind.
Schweißwerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (30) zum Formen einer Fase (60) und/oder einer Rundung (31) und/oder einer Hohlkehle an dem Verbindungsbereich (24), insbesondere an einer Verbindungsbereichkante (62), ausgebildet ist.
Schweißwerkzeug (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (12) einen konvex und/oder konkav gekrümmten Schulterflächenbereich (36) aufweist.
Schweißwerkzeug (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (12) zum Formen des Verbindungsbereichs (24) und/oder des wenigstens einen Werkstücks (18, 20) ausgebildet ist.
Schweißwerkzeug (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (12) zum Formen einer während des Rührreibschweißens an dem Verbindungsbereich (24) entstehenden Schweißnaht ausgebildet ist.
Schweißverfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken (18, 20) an einem Verbindungsbereich (24) mittels Rührreibschweißen mit den Schritten: a) Bereitstellen eines Schweißwerkzeugs (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche; b) Rührreibschweißen an dem Verbindungsbereich (24) unter gleichzeitigem Formen des Verbindungsbereichs (24) und/oder des wenigstens einen Werkstücks (18, 20) und/oder einer entstehenden Schweißnaht.
Werkstück (33), hergestellt mit einem Schweißwerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder einem Schweißverfahren nach Anspruch 10.