DE102011106506A1

DE102011106506A1 - Schweißwerkzeug zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken, Schweißverfahren und Werkstück

Info

Publication number: DE102011106506A1
Application number: DE102011106506A
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: US20140326392A1; WO2012171523A2; WO2012171523A3; EP2720823A2; US9796133B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schweißwerkzeug (10) zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken (28, 30) an einem Verbindungsbereich (32) mittels Rührreibschweißen. Das Schweißwerkzeug (10) weist eine entlang einer Achse (A) des Schweißwerkzeuges (10) angeordnete Sonde (12) zum Aufbringen von Reibungswärme auf die Werkstücke (28, 30) sowie eine die Sonde (12) umschließende Schulter (14) zum Abtrennen des Verbindungsbereiches (32) von einer Umgebung (22) auf. Die Schulter (14) ist im Wesentlichen parallel zu der Achse (A) beweglich ausgebildet. Weiter betrifft die Erfindung ein Schweißverfahren sowie ein Werkstück (33), das mit dem Schweißwerkzeug (10) bzw. 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 gleichzeitig auf beide Werkstücke aufbringt. Dabei laufen die folgenden Schritte ab:
Im ersten Schritt wird das Schweißwerkzeug mit einer rotierenden Sonde mit hoher Kraft zwischen die beiden zu verbindenden Werkstücke gedrückt, bis eine die Sonde umschließende Schulter des Schweißwerkzeuges auf der Oberfläche der Werkstücke zur Anlage kommt.
Im zweiten Schritt verbleibt die sich drehende Sonde kurze Zeit an der Eintauchstelle, wobei sich der Bereich zwischen der Schulter des Schweißwerkzeuges und den Werkstücken bis kurz unter den Schmelzpunkt der Werkstücke erwärmt. Dabei wird der Werkstoff der Werkstücke weich und plastifiziert, so dass eine Vermischung zwischen den Materialien der zu verbindenden Werkstücke in dem Verbindungsbereich möglich wird.
Im dritten Schritt wird das Schweißwerkzeug in Vorschubrichtung bewegt, derart, dass die Schulter weiterhin mit großer Kraft auf die Werkstückoberfläche und die Sonde somit in den Verbindungsbereich gepresst wird. 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 demgemäß die Sonde und eine 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.
Nachteil ist jedoch, dass durch Austritt der Sonde ein Endkrater am Ende der Schweißnaht entsteht. Weiter war es bislang auch problematisch, sich verändernde Einschweißtiefen zwischen zwei zu verbindenden Werkstücken zu schweißen, da hierzu immer eine neue Sonde mit einer unterschiedlichen Länge an dem Schweißwerkzeug montiert werden musste.
Bislang wurde zur Lösung der oben genannten Probleme vorgeschlagen, eine automatisch zurückziehbare Sonde zu verwenden, die innerhalb einer Sondenhalterung des Schweißwerkzeuges vertikal verfahren werden kann. Der Schweißwerkzeugaufbau wird dadurch jedoch kompliziert und verschleißanfällig.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, mit einem einfachen Werkzeugaufbau, der wenig verschleißanfällig ist, eine Längenänderung der Sonde zu erreichen.
Diese Aufgabe wird mit einem Schweißwerkzeug mit der Merkmalskombination des Anspruches 1 gelöst.
Ein Schweißverfahren sowie ein Werkstück, das mit dem Schweißwerkzeug und/oder dem Schweißverfahren hergestellt ist, sind Gegenstand der Nebenansprüche.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Schweißwerkzeug zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken mittels Rührreibschweißen an einem Verbindungsbereich weist eine entlang einer Achse des Schweißwerkzeugs angeordnete Sonde zum Aufbringen von Reibungswärme auf die Werkstücke und eine die Sonde umschließende Schulter zum Abtrennen des Verbindungsbereichs von der Umgebung auf. Die Schulter ist im Wesentlichen parallel zu der Achse beweglich ausgebildet.
Dadurch dass die Schulter beweglich ausgebildet ist, ist es möglich, die Sonde, die von der Schulter umschlossen ist, mit verschiedenen Weglängen aus der Schulter hervorzubringen. Es ist damit möglich, unterschiedliche Einschweißtiefen unter Verwendung ein und derselben Sonde zu erreichen. Ferner können mit diesem Schweißwerkzeug Werkstücke mit sich verändernder oder unterschiedlicher Stoßdicke ohne Unterbrechung des Schweißprozesses einfach miteinander verbunden werden.
Vorzugsweise weist die Schulter einen elastischen Bereich auf. Dann kann vorteilhaft einfach durch Krafteinwirkung parallel zu der Achse ein Zurückschieben der Schulter bewirkt werden, so dass die Sonde weiter aus der Schulter hervortritt. Bei Nachlassen der Kraft dehnt sich die Schulter wieder aus, so dass die Sonde wieder weiter in die Schulter eintritt und somit vorteilhaft kürzere Einschweißtiefen ermöglicht.
Besonders bevorzugt ist der elastische Bereich durch eine Federanordnung gebildet. So kann besonders einfach durch Verwendung hitzebeständiger Materialien eine Elastizität der Schulter erzielt werden. Alternativ können auch elastische Materialien als Kissen an einer geeigneten Stelle der Schulter vorgesehen werden, um diese durch Krafteinwirkung parallel zu der Achse verschieben zu können.
Vorzugsweise ist der elastische Bereich an einem Schulterendbereich ausgebildet, der im Betrieb wenigstens einem der Werkstücke zuzuwenden ist. Damit kann ein stabiler Gesamt-Schulteraufbau erreicht werden, wobei lediglich der untere Bereich, nämlich der Schulterendbereich, den elastischen Bereich aufweist und somit die Schulter parallel zur Achse beweglich macht.
Vorteilhaft weist die Sonde in Richtung der Achse einen Überstand zum Überstehen über den Schulterendbereich auf. Dieser Überstand kann auch als Sondenendbereich oder Sondenspitze bezeichnet werden.
Besonders bevorzugt entspricht ein maximal möglicher Bewegungsweg der Schulter im Wesentlichen dem Überstand der Sonde über den Schulterendbereich. So ist es vorteilhaft möglich, die Sonde komplett in die Schulter einzufahren und somit durch die Bewegung zu reinigen. Beispielsweise kann der maximal mögliche Bewegungsweg zwischen 0 bis 10 mm, insbesondere zwischen 2 bis 4 mm, liegen.
Weiter vorteilhaft ist die Sonde entfernbar an einer Sondenhalterung angeordnet, so dass sie vorzugsweise einfach von der Sondenhalterung entfernt werden kann und durch eine neue Sonde ersetzt werden kann.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Sondenhalterung um die Achse drehbar gelagert, so dass sich bei Drehung der Sondenhalterung auch automatisch die Sonde selbst mitdreht. Eine drehbare Lagerung der Sonde selbst kann so vorzugsweise entfallen.
Vorteilhaft ist die Schulter integral mit der Sondenhalterung ausgebildet. In derartiger Anordnung kann die Schulter gleichzeitig mit der Sonde um dieselbe Achse mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit drehen.
Alternativ kann die Schulter getrennt von der Sondenhalterung um die Achse drehbar gelagert oder fest angeordnet sein. So kann beispielsweise auch eine unterschiedliche Winkelgeschwindigkeit zwischen Sonde und Schulter erreicht werden, oder die Schulter kann fest und ohne Rotation die Sonde umschließen.
Vorzugsweise ist die Sondenhalterung im Längsschnitt entlang der Achse kegelförmig ausgebildet. Dann kann die Schulter, die sich bereits entlang der Sondenhalterung in Richtung der Achse erstreckt, an dem Schulterendbereich dichter an die Sonde herangebracht werden, wodurch vorzugsweise ein besseres Abdichten gegenüber der Umgebungsluft erzielt werden kann.
Daher ist es von Vorteil, wenn auch die Schulter im Längsschnitt entlang der Achse kegelförmig und/oder im Wesentlichen L-förmig ausgebildet ist.
Ein Schweißverfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken mit entlang eines Verbindungsbereichs sich verändernder Einschweißtiefe durch Rührreibschweißen unter Verwendung eines oben beschriebenen Schweißwerkzeuges weist die folgenden Schritte auf:

a) Inkontaktbringen der Schulter mit wenigstens einem Werkstück;
b) Aufbringen einer im Wesentlichen parallel zur Achse ausgerichteten Kraft auf die Schulter, bis die Sonde vollständig in einen Verbindungsbereich der wenigstens zwei Werkstücke eingedrungen ist;
c) Verändern der Kraft zum Verändern der Einschweißtiefe der Sonde in dem Verbindungsbereich bei kontinuierlichem Kontakt der Schulter mit dem Verbindungsbereich.

Mit diesem Verfahren können auch Werkstücke mit sich verändernder oder unterschiedlicher Stoßdicke ohne Unterbrechung des Schweißprozesses einfach miteinander verbunden werden.
Vorzugsweise folgt nach dem Schweißen ein Entfernen der Schulter von dem wenigstens einen Werkstück und Verstellen der Schulter parallel zur Achse, damit die Sonde so einfach gereinigt werden kann.
Ein Werkstück wird vorzugsweise mit dem oben beschriebenen Schweißwerkzeug und/oder mit dem oben beschriebenen Schweißverfahren hergestellt.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schweißwerkzeugs zum Rührreibschweißen mit Sonde und Schulter;
2 das Schweißwerkzeug aus 1 beim Verschweißen eines Werkstückes mit einem dicken Werkstück;
3 das Schweißwerkzeug aus 1 beim Verschweißen eines Werkstückes mit einem dünnen Werkstück; und
4 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schweißwerkzeuges aus 1.
1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Schweißwerkzeugs 10 mit einer Sonde 12 und einer Schulter 14.
Die Sonde 12 ist an einer Sondenhalterung 16 befestigt, die um eine Achse A in Pfeilrichtung drehbar gelagert ist.
In der gezeigten Ausführungsform ist die Sondenhalterung 16 zylinderförmig ausgestaltet und die Sonde 12 verjüngt sich zu einem Sondenendbereich 18 hin, der durch eine Schulteröffnung 20 in eine Umgebung 22 hervortritt. Die Sonde 12 steht damit um einen Überstand l über einen Schulterendbereich 24 hervor.
Die Schulter 14 ist getrennt von der Sondenhalterung 16 angeordnet und in der gezeigten Pfeilrichtung entlang der Achse A beweglich.
Die Schulter 14 ist im Wesentlichen zylinderförmig um die Achse A ausgebildet und weist im Längsschnitt eine L-Form auf, wobei zu der Sonde 12 hin ausgerichtete Balken 26 der L-Form im Längsschnitt der Verjüngung der Sonde 12 angepasst sind.
2 und 3 zeigen einen Schweißvorgang zum Verbinden zweier Werkstücke 28, 30 an einem Verbindungsbereich 32 mittels Rührreibschweißen unter Verwendung des Schweißwerkzeugs 10.
In 2 weist das erste Werkstück 28 eine größere Dicke auf als das erste Werkstück 28 in 3. Das erste Werkstück 28 in 2 weist beispielsweise eine Dicke von 4 mm auf, während das erste Werkstück 28 in 3 beispielsweise eine Dicke von 2 mm aufweist. Demgemäß muss zur Verbindung der Werkstücke 28, 30 zum Erreichen eines T-förmigen Endwerkstückes 33 die Sonde 12 in 2 tiefer in das erste Werkstück 28 eintauchen als in 3. Dies wird dadurch erzielt, dass die Schulter 14 entlang der Achse A beweglich ist und somit die Sonde 12 weiter aus der Schulter 14 hervortreten kann. So ist es auch möglich, Werkstücke 28, 30 miteinander zu verschweißen, die sich über den Verbindungs-bereich 32 ändernde Einschweißtiefen 34 aufweisen.
4 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Schweißwerkzeuges 10.
Hierbei sind die Sondenhalterung 16 sowie die Schulter 14 kegelförmig ausgebildet und verjüngen sich zum Schulterendbereich 24 hin. Bei gleichzeitiger L-förmiger Ausbildung der Schulter 14 im Schulterendbereich 24 ist es nun möglich, die Schulter 14 besonders nah an die Sonde 12 heranzuführen und somit eine besonders gute Isolierung der entstehenden Schweißnaht von der Umgebung 22 zu bewirken.
In der gezeigten Ausführungsform sind die Schulter 14 sowie die Sondenhalterung 16 getrennt voneinander gelagert, wobei die Sondenhalterung 16 um die Achse A drehbar ist. Dies wird durch eine Spindel 36 erreicht, an der die Sondenhalterung 16 befestigt ist.
Am Schulterendbereich 24 weist die Schulter 14 dadurch einen elastischen Bereich 37 auf, dass der Schulterendbereich 24 in zwei Schulterendteilbereiche 37a, 37b zerteilt ist und im Zwischenraum zwischen den Schulterendteilbereichen 37a, 37b eine Federanordnung 38 vorgesehen ist. Wird nun auf diese Federanordnung 38 eine im Wesentlichen parallel zur Achse A ausgerichtete Kraft F aufgebracht, wird die Federanordnung 38 zusammengedrückt und der Zwischenraum zwischen dem ersten Schulterendteilbereich 37a und dem zweiten Schulterendteilbereich 37b verändert. Dabei ändert sich auch der Überstand l der Sonde 12 über die Schulter 14. Im Wesentlichen entspricht der Überstand l dem durch die Federanordnung 38 vorgegebenen maximal möglichen Bewegungsweg des zweiten Schulterendteilbereichs 37b.
Durch das Schweißwerkzeug 10 können über Rührreibschweißen unterschiedliche Stoßdicken zusammengefügt werden.
Bislang musste beim Schweißen mit sich veränderter Stoßdicke die Sonde 12 entweder gewechselt werden, wobei der Schweißprozess unterbrochen werden musste, bevor er mit der veränderten bzw. angepassten Sonde 12 weitergeführt werden konnte. Alternativ wurde eine sogenannte zurückziehbare Sonde 12 verwendet, die innerhalb der Sondenhalterung 16 vertikal verfahren werden konnte, um eine Längenänderung der Sonde 12 zu erreichen.
Mit dem Schweißwerkzeug 10 kann nun eine Längenänderung der Sonde 12 dadurch erreicht werden, dass nicht die Sonde 12 innerhalb der Sondenhalterung 16 verfahren wird, sondern dass die Schulter 14 insbesondere an dem Schulterendbereich 24 beweglich und/oder elastisch ausgelegt ist. Dadurch wird über eine Krafteinleitung eine Deformation oder Auslenkung bewirkt. Mit dem Maß dieser Auslenkung bzw. Deformation korreliert die freie Sondenlänge 12 und damit die Einschweißtiefe 34 in den Verbindungsbereich 32.
Daher ist während des Schweißens an ein und demselben Bauteil oder Werkstück 28, 30 kein Schweißwerkzeugwechsel nötig und es wird ein wesentlich einfacherer Schweißwerkzeugaufbau erreicht, um damit unterschiedliche Sondenlängen 12 in dem Schweißwerkzeug 10 zur Verfügung zu stellen.
Die Schulter 14 kann dabei starr und nicht rotierend oder zum Mitrotieren mit der Sonde 12 ausgebildet sein. Die Sonde 12 ist vorzugsweise an einer Spindel 36 angeordnet, die drehbar gelagert ist. Die Sonde 12 ist dabei nicht entlang der Achse A verstellbar, jedoch die Schulter 14. Der Überstand l der Sonde 12 über die Schulter 14 wird durch die Verstellung der Schulter 14 entlang der Achse A gesteuert.
Vorteilhaft ist die Verstellung der Schulter 14 entlang der Achse A wesentlich einfacher technisch umsetzbar als eine Verstellung der Sonde 12 und es wird somit ein einfacherer, robusterer und billigerer Sondenüberstand erreicht. Es ist keine zusätzliche Regelung erforderlich, der Überstand l wird lediglich über Einleitung einer Kraft geregelt.
Weiter vorteilhaft ergibt sich am Ende des Schweißverfahrens ein Putzeffekt durch wiederholte Verstellung der Schulter 14 entlang der Achse A, wodurch ein Festfressen des Schweißwerkzeuges 10, der Sonde 12 oder der Sondenhalterung 16 vermieden werden kann. Besonders vorteilhaft ist dabei eine Ausführung der Sondenhalterung 16 und der Balken 26 mit kegelförmigem Längsschnitt.
Über die veränderbare Einschweißtiefe 34 der Sonde 12 können unterschiedliche Steg- und Flanschdicken miteinander verbunden werden.
Bezugszeichenliste

10: Schweißwerkzeug
12: Sonde
14: Schulter
16: Sondenhalterung
18: Sondenendbereich
20: Schulteröffnung
22: Umgebung
24: Schulterendbereich
26: Balken
28: erstes Werkstück
30: zweites Werkstück
32: Verbindungsbereich
33: Endwerkstück
34: Einschweißtiefe
36: Spindel
37: elastischer Bereich
37a: erster Schulterendteilbereich
37b: zweiter Schulterendteilbereich
38: Federanordnung
A: Achse
l: Überstand
F: Kraft

Claims

Schweißwerkzeug (10) zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken (28, 30) an einem Verbindungsbereich (32) mittels Rührreibschweißen, mit einer entlang einer Achse (A) des Schweißwerkzeugs (10) angeordneten Sonde (12) zum Aufbringen von Reibungswärme auf die Werkstücke (28, 30) und mit einer die Sonde (12) umschließenden Schulter (14) zum Abtrennen des Verbindungsbereichs (32) von der Umgebung (22), dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (14) im Wesentlichen parallel zu der Achse (A) beweglich ausgebildet ist.
Schweißwerkzeug (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (14) einen elastischen Bereich (37) aufweist.
Schweißwerkzeug (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elastische Bereich (37) durch eine Federanordnung (38) gebildet ist.
Schweißwerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elastische Bereich (37) an einem Schulterendbereich (24) ausgebildet ist, der im Betrieb wenigstens einem der Werkstücke (28, 30) zuzuwenden ist.
Schweißwerkzeug (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (12) in Richtung der Achse (A) einen Überstand (l) zum Überstehen über den Schulterendbereich (24) aufweist.
Schweißwerkzeug (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximal möglicher Bewegungsweg der Schulter (14) im Wesentlichen dem Überstand (l) entspricht.
Schweißwerkzeug (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (12) entfernbar an einer Sondenhalterung (16) angeordnet ist.
Schweißwerkzeug (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sondenhalterung (16) um die Achse (A) drehbar gelagert ist.
Schweißwerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (14) integral mit der Sondenhalterung (16) ausgebildet ist,
Schweißwerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (14) getrennt von der Sondenhalterung (16) um die Achse (A) drehbar gelagert oder fest angeordnet ist.
Schweißwerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sondenhalterung (16) im Längsschnitt entlang der Achse (A) kegelförmig ausgebildet ist.
Schweißwerkzeug (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (14) im Längsschnitt entlang der Achse (A) kegelförmig und/oder im Wesentlichen L-förmig ausgebildet ist.
Schweißverfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken (28, 30) mit entlang eines Verbindungsbereichs (32) sich verändernder Einschweißtiefe (34) durch Rührreibschweißen unter Verwendung eines Schweißwerkzeugs (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, mit den Schritten: a) Inkontaktbringen der Schulter (14) mit wenigstens einem Werkstück (28, 30); b) Aufbringen einer im Wesentlichen parallel zur Achse (A) ausgerichteten Kraft (F) auf die Schulter (14), bis die Sonde (12) vollständig in einen Verbindungsbereich (32) der wenigstens zwei Werkstücke (28, 30) eingedrungen ist; c) Verändern der Kraft (F) zum Verändern der Einschweißtiefe (34) der Sonde (12) in dem Verbindungsbereich (32) bei kontinuierlichem Kontakt der Schulter (14) mit dem Verbindungsbereich (32).
Schweißverfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch Entfernen der Schulter (14) von dem wenigstens einen Werkstück (28, 30) und Verstellen der Schulter (14) parallel zur Achse (A) zum Reinigen der Sonde (12).
Werkstück (33), hergestellt mit einem Schweißwerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und/oder mit einem Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14.