DE102013000574A1 - Friction stir welding apparatus, useful for welding two joining members, comprises a tool having a tool shoulder that is rotationally driven with its front-side friction surface under pressure to form a mixing zone - Google Patents

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Abstract

The friction stir welding apparatus comprises a tool (1) having a tool shoulder. The tool shoulder is rotationally driven with its front-side friction surface under pressure to form a mixing zone (25) with locally plasticized material on one of joining members (5), and is movable to form a weld seam (3) in a feed direction (V). The tool comprises a cleaning profile of the tool shoulder in the feed direction outside the mixing zone. A structural surface (29) of the joining members are pre-treated, especially purified and/or partially covered by an oxide layer. The friction stir welding apparatus comprises a tool (1) having a tool shoulder. The tool shoulder is rotationally driven with its front-side friction surface under pressure to form a mixing zone (25) with locally plasticized material on one of joining members (5), and is movable to form a weld seam (3) in a feed direction (V). The tool comprises a cleaning profile of the tool shoulder in the feed direction outside the mixing zone. A structural surface (29) of the joining members are pre-treated, especially purified and/or partially covered by an oxide layer. The tool is designed rotationally symmetrical, and/or the cleaning profile is formed radially outside the tool shoulder. The cleaning profile is annularly extended around the tool shoulder. The cleaning profile is upstream of a cooling zone in which a mold temperature is lower in the friction surface of the tool shoulder, preferably lower than a threshold temperature range, above which a plastic deformation of the joining members take place. The cleaning profile is extended between the tool shoulder and an outer edge of the tool. The cleaning profile is reset by an axial offset relative to the tool shoulder. The cleaning profile has a particularly smooth-surfaced annular surface that is in a plane parallel to the friction surface of the tool shoulder. The friction surface of the tool shoulder at a transition stage merges into the annular surface, where a step height is 0.1 mm. The tool is inclined at an angle with respect to the joining members perpendicular to a tool position and opposite to the feed direction. A pin coaxially projects along an axis of rotation of the friction surface of the tool shoulder.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rührreibschweißvorrichtung zur Schweißverbindung von Fügepartnern, insbesondere Blechbauteilen aus Aluminium oder dergleichen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zum Rührreibschweißen nach dem Patentanspruch 10.The invention relates to a Rührreibschweißvorrichtung for welding connection of joining partners, in particular sheet metal components made of aluminum or the like, according to the preamble of claim 1 and a method for Rührreibschweißen according to claim 10.

Beim Rührreibschweißen erfolgt eine Plastifizierung der Werkstoffe der zu fügenden Fügepartner. Dabei wird ein rotierendes Werkzeug aus verschleißfestem Werkstoff eingesetzt. Das Werkzeug besteht aus einem speziell geformten Stift beziehungsweise einem Pin, der koaxial zur Rotationsachse vom Werkzeug vorragt. In einer ersten Phase des Rührreibschweiß-Vorganges wird das Werkzeug nach dem Vorpositionieren unter Rotation um die eigene Achse sowie hoher Axialkraft in den Werkstoff eines oder beider Fügepartner eingetaucht, und zwar bis eine stirnseitige Werkzeugschulter die Fügepartner-Oberfläche berührt. Infolge der Relativbewegung und des Druckes zwischen dem Werkzeug und dem Fügepartner wird eine Reibungswärme erzeugt. Aufgrund der Druck- und Rotationsbeaufschlagung wird der Werkstoff im Fügepartner in einen lokal plastifizierten Zustand überführt. Im lokal plastifizierten Zustand wird die Soliduslinie des jeweiligen Fügepartners nicht überschritten, das heißt die Fügepartner-Temperatur bleibt knapp unterhalb der Schmelztemperatur des Fügepartner-Werkstoffes. Anschließend wird mit dem Einsetzen einer Vorschubbewegung des Werkzeugs der eigentliche Schweißvorgang gestartet.In friction stir welding, the materials of the joining partners to be joined are plasticized. In this case, a rotating tool made of wear-resistant material is used. The tool consists of a specially shaped pin or a pin which protrudes coaxially to the axis of rotation of the tool. In a first phase of the friction stir welding process, the tool is immersed after pre-positioning under rotation about its own axis and high axial force in the material of one or both joining partners, until an end-face tool shoulder touches the joining partner surface. As a result of the relative movement and the pressure between the tool and the joining partner, a frictional heat is generated. Due to the pressure and rotation, the material is transferred in the joining partner in a locally plasticized state. In the locally plasticized state, the solidus line of the respective joining partner is not exceeded, that is to say the joining partner temperature remains just below the melting temperature of the joining partner material. Subsequently, the actual welding process is started with the onset of a feed movement of the tool.

Dabei kann das Werkzeug zum Beispiel entlang eines Fügestoßes geführt werden und die beiden Fügepartner miteinander verschweißt werden.In this case, for example, the tool can be guided along a joining joint and the two joining partners can be welded together.

Aus der JP 10 225 781 A ist eine gattungsgemäße Rührreibschweißvorrichtung bekannt, bei der Fügepartner miteinander verschweißt werden. Die Vorrichtung weist ein Werkzeug mit einer Werkzeugschulter auf. Diese wird mit ihrer stirnseitigen Reibfläche unter Druck- und Rotationsbeaufschlagung sowie unter Bildung einer lokalen Rührzone (das heißt ein Plastifizierungsbereich) in den Fügepartner-Werkstoff eingetrieben. Anschließend wird das in den Fügepartner-Werkstoff eingetriebene Werkzeug zur Bildung einer Schweißnaht in der Vorschubrichtung bewegt.From the JP 10 225 781 A is a generic Rührreibschweißvorrichtung known to be welded together at the joining partners. The device has a tool with a tool shoulder. This is driven with its front-side friction surface under pressure and rotational pressure and to form a local stirring zone (that is, a Plastifizierungsbereich) in the joining partner material. Subsequently, the driven into the joining partner material tool for forming a weld in the feed direction is moved.

Speziell bei Blechbauteilen aus Aluminiumlegierungen sind die Bauteil-Oberflächen bei Zimmertemperatur durch Oxidation und Passivierung mit einer dünnen, amorphen Oxidschicht überzogen, deren Schichtdicke bei etwa 0,05 μm liegt. Die Oxidschichten auf der Blechober- und -unterseite werden beim Schweißvorgang durch die rotierende Werkzeugschulter aufgebrochen und mit dem Werkstofffluss in die Schweißnaht gefördert. Dabei lagern sich einzelne Oxidfragmente entlang charakteristischer Bahnen zusammen, wodurch die Lebensdauer der Schweißverbindung geschwächt und die Zugfestigkeit der Schweißverbindung reduziert wird.Especially at sheet metal components made of aluminum alloys, the component surfaces are coated at room temperature by oxidation and passivation with a thin, amorphous oxide layer whose layer thickness is about 0.05 microns. The oxide layers on the upper and lower sides of the sheet are broken during the welding process by the rotating tool shoulder and conveyed into the weld with the material flow. In the process, individual oxide fragments assemble along characteristic tracks, which weaken the service life of the welded joint and reduce the tensile strength of the welded joint.

Um die Einlagerung solcher Oxidfragmente in der Schweißnaht zu vermeiden, können vor Durchführung des Schweißvorganges in einem separaten Arbeitsschritt vor dem Schweißvorgang die Oberflächen der miteinander zu verschweißenden Bauteile gereinigt werden, das heißt zum Beispiel eine Oxidschicht von der Bauteil-Oberfläche entfernt werden. Ein solcher Reinigungsvorgang ist jedoch speziell bei einem vollautomatisierten Schweißprozess fertigungstechnisch nur aufwändig durchführbar.In order to avoid the incorporation of such oxide fragments in the weld, the surfaces of the components to be welded together can be cleaned before performing the welding process in a separate step before the welding process, that is, for example, an oxide layer are removed from the component surface. However, such a cleaning process is especially expensive to carry out, especially in a fully automated welding process.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Rührreibschweißvorrichtung sowie ein Verfahren zum Rührreibschweißen bereitzustellen, bei dem in einfacher Weise eine einwandfreie Schweißverbindung der Fügepartner erzielbar ist.The object of the invention is to provide a Rührreibschweißvorrichtung and a method for Rührreibschweißen, in which in a simple manner a perfect weld of the joining partners can be achieved.

Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder des Patentanspruchs 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.The object is solved by the features of claim 1 or claim 10. Preferred embodiments of the invention are disclosed in the subclaims.

Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass die sich in der Vorschubrichtung verlagernden Rührzone frei von Oxidfragmenten gehalten werden muss. Vor diesem Hintergrund wird die Oberflächenstruktur des Fügepartners unmittelbar vor der sich in der Vorschubrichtung verlagernden Rührzone mechanisch vorbehandelt, insbesondere gereinigt und/oder von der Oxidschicht befreit. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 weist nämlich das Werkzeug eine zusätzliche Reinigungskontur auf, die der Werkzeugschulter in der Vorschubrichtung vorauseilt und außerhalb der Rührzone die Oberflächenstruktur des Fügepartners vorbehandelt, insbesondere reinigt und/oder von einer Oxidschicht befreit. Die Reinigung der Fügepartner-Oberflächenstruktur erfolgt daher nicht mehr in einem separaten Arbeitsschritt vor dem Rührreibschweiß-Vorgang, sondern zeitlich unmittelbar vor dem Schweißvorgang, so dass eine erneute Bildung der Oxidschicht vermieden wird.The invention is based on the fact that the agitating in the feed direction stirring zone must be kept free of oxide fragments. Against this background, the surface structure of the joining partner is mechanically pretreated immediately before the stirring zone displaced in the feed direction, in particular cleaned and / or freed from the oxide layer. Namely, according to the characterizing part of claim 1, the tool has an additional cleaning contour which precurses the tool shoulder in the feed direction and pretreates the surface structure of the joining partner outside the stirring zone, in particular cleans and / or frees from an oxide layer. The cleaning of the joining partner surface structure is therefore no longer in a separate step before the friction stir welding process, but temporally immediately before the welding process, so that a re-formation of the oxide layer is avoided.

In einer technischen Realisierung kann das Werkzeug zusammen mit seiner Werkzeugschulter rotationssymmetrisch ausgeführt sein. Die Reinigungskontur kann bevorzugt radial außerhalb unmittelbar an die Werkzeugschulter anschließen. Besonders bevorzugt ist es, wenn sich die Reinigungskontur ringförmig um die Werkzeugschulter erstreckt.In a technical realization, the tool can be designed rotationally symmetrical together with its tool shoulder. The cleaning contour can preferably connect radially outside directly to the tool shoulder. It is particularly preferred if the cleaning contour extends annularly around the tool shoulder.

Wie oben erwähnt kann die Reinigungskontur Oxidfragmente aus der Oxidschicht wegbrechen beziehungsweise absplittern, noch die bevor die Oxidschicht in Kontakt mit der Rührzone aus lokal plastifiziertem Werkstoff kommt. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass der Werkstoff im Bereich der Reinigungskontur nicht plastifiziert, sondern nach wie vor fest ist. Vor diesem Hintergrund ist es besonders bevorzugt, wenn die Reinigungskontur als eine, der Werkzeugschulter in der Vorschubrichtung vorgelagerte Kühlzone bildet. Die Kühlzone ist so auszulegen, dass die Werkzeugtemperatur in der Kühlzone geringer ist als die Werkzeugtemperatur an der Reibfläche der Werkzeugschulter. Bevorzugt ist die Werkzeugtemperatur in der Kühlzone insbesondere geringer als ein Grenztemperaturbereich, bei dessen Überschreiten eine Plastifizierung des Werkstoffs des Fügepartners einsetzt.As mentioned above, the cleaning contour can break or chip away oxide fragments from the oxide layer, even before the Oxide layer comes in contact with the stirring zone of locally plasticized material. It is of crucial importance that the material in the area of the cleaning contour is not plasticized, but is still firm. Against this background, it is particularly preferred if the cleaning contour forms as a, upstream of the tool shoulder in the feed direction cooling zone. The cooling zone is to be designed so that the tool temperature in the cooling zone is lower than the tool temperature at the friction surface of the tool shoulder. In particular, the tool temperature in the cooling zone is in particular less than a limit temperature range beyond which plasticizing of the material of the joining partner is used.

Zwischen der Rührzone und der vorauseilenden Kühlzone ergibt sich somit ein Temperaturgefälle. Das Werkzeug kann daher im Bereich dieser Kühlzone eine mechanische Oberflächenbearbeitung vornehmen, bei der der Fügepartner-Werkstoff noch nicht plastifiziert ist. Bei einer solchen Oberflächenbearbeitung im Bereich der Kühlzone besteht somit noch keine Gefahr, dass sich Oxidfragmente mit dem plastifizierten Fügepartner-Werkstoff vermischen.Between the stirring zone and the leading cooling zone thus results in a temperature gradient. The tool can therefore perform a mechanical surface treatment in the region of this cooling zone, in which the joining partner material is not yet plasticized. With such a surface treatment in the region of the cooling zone, there is thus no danger of oxide fragments mixing with the plasticized joining partner material.

Die Reinigungskontur kann sich ausgehend von der mittigen Werkzeugschulter in Radialrichtung nach außen bis zu einer Außenkante des Werkzeuges erstrecken. Die Außenkante des Werkzeuges kann insbesondere als Bruchkante ein Aufbrechen der Oxidschicht einleiten oder begünstigen.The cleaning contour may extend radially outward from the central tool shoulder to an outer edge of the tool. The outer edge of the tool can in particular initiate or favor breaking up of the oxide layer as a breaking edge.

In einer Ausführungsform kann die Reinigungskontur um einen Achsversatz von zum Beispiel von 0,1 mm gegenüber der Werkzeugschulter zurückgesetzt sein. Die Reinigungskontur kann eine insbesondere glattflächige Ringfläche sein. Diese kann bevorzugt planparallel zur Reibfläche der Werkzeugschulter ausgerichtet sein. Auf diese Weise ergibt sich ein Werkzeug, an dessen Stirnseite zwei Schulterflächen vorgesehen sind, die um einen Höhenversatz in Axialrichtung zueinander versetzt sind.In one embodiment, the cleaning contour may be reset by an offset of, for example, 0.1 mm from the tool shoulder. The cleaning contour may be a particular smooth-surfaced annular surface. This can preferably be aligned plane-parallel to the friction surface of the tool shoulder. In this way, a tool results, on whose front side two shoulder surfaces are provided, which are offset by a height offset in the axial direction to each other.

Bevorzugt ist es, wenn das Werkzeug entgegen der Vorschubrichtung um einen Anstellwinkel geneigt ist. Auf diese Weise erfolgt im vorauseilenden Werkzeug-Bereich, das heißt in der Reinigungskontur, eine Druckentlastung in der Axialrichtung. Die vorauseilende Reinigungskontur wird daher – im Vergleich zur Reibfläche der Werkzeugschulter – mit einer reduzierten Axialkraft beaufschlagt. Dadurch wird im Bereich der Reinigungskontur weniger Reibungswärme generiert. Aufgrund der nur reduzierten Reibungswärme ist gewährleistet, dass der Fügepartner-Werkstoff im Bereich der Reinigungskontur noch in seinem festen Aggregatszustand verbleibt. Zudem hat sich gezeigt, dass aufgrund der im Bereich der Reinigungskontur reduzierten Axialkraft das Abtragen bzw. Abbrechen von Oxidfragmenten aus der Oxidschicht vereinfacht ist.It is preferred if the tool is inclined counter to the feed direction by an angle of attack. In this way, takes place in the leading tool area, that is in the cleaning contour, a pressure relief in the axial direction. The anticipatory cleaning contour is therefore - compared to the friction surface of the tool shoulder - acted upon by a reduced axial force. As a result, less frictional heat is generated in the area of the cleaning contour. Due to the reduced frictional heat, it is ensured that the joining partner material remains in its solid state of aggregation in the area of the cleaning contour. In addition, it has been found that the removal or breaking off of oxide fragments from the oxide layer is simplified on account of the reduced axial force in the region of the cleaning contour.

In einer weiteren Ausführungsform kann die Werkzeugschulter einen Stift beziehungsweise einen Pin aufweisen, der insbesondere koaxial zur Rotationsachse von der Reibfläche der Werkzeugschulter vorragt.In a further embodiment, the tool shoulder may have a pin or a pin which protrudes in particular coaxially to the axis of rotation of the friction surface of the tool shoulder.

Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.The advantageous embodiments and / or further developments of the invention explained above and / or reproduced in the dependent claims can be used individually or else in any desired combination with one another, for example in the case of clear dependencies or incompatible alternatives.

Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.The invention and its advantageous embodiments and further developments and advantages thereof are explained in more detail below with reference to drawings.

Es zeigen:Show it:

1 eine Perspektivdarstellung, mit der das Verbinden zweier Blechteile mittels Rührreibschweißen veranschaulicht ist; 1 a perspective view illustrating the joining of two sheet metal parts by means of friction stir welding;

2 eine Teilschnittdarstellung entlang der Schnittebene A-A aus der 1; 2 a partial sectional view along the sectional plane AA from the 1 ;

3 eine Ansicht entsprechend der 1; und 3 a view corresponding to the 1 ; and

4 eine Teilschnittdarstellung entlang der Schnittebene B-B aus der 3. 4 a partial sectional view along the section plane BB of the 3 ,

In der 1 ist teilweise ein Werkzeug 1 zum Rührreibschweißen während eines Schweißvorgangs gezeigt. Unter Ausbildung einer Schweißnaht 3 verbindet das Werkzeug 1 teilweise dargestellte Aluminium-Blechteile 5, die in einem Stumpfstoß zueinander angeordnet und beispielhaft mit einem Spalt 6 einer Breite b voneinander beabstandet sind. Die Blechteile 5 können dabei auch direkt aneinander anliegen. Das Werkzeug 1 ist rotationssymmetrisch um eine Rotationsachse A ausgeführt und weist einen koaxial von dem Werkzeug 1 nach unten abragenden Stift 7 auf, der im Querschnitt größer ist als der Spalt 6 zwischen den Blechteilen 5. Das Werkzeug 1 ist derart angeordnet, dass die Rotationsachse A des Werkzeuges 1 mittig in den Spalt 6 mit der Breite b fluchtet.In the 1 is partly a tool 1 for friction stir welding during a welding operation. Under formation of a weld 3 connects the tool 1 partially represented aluminum sheet metal parts 5 arranged in a butt joint to each other and exemplified with a gap 6 a width b are spaced from each other. The sheet metal parts 5 can also lie directly against each other. The tool 1 is rotationally symmetrical about a rotation axis A and has a coaxial of the tool 1 down projecting pin 7 on, which is larger in cross-section than the gap 6 between the sheet metal parts 5 , The tool 1 is arranged such that the axis of rotation A of the tool 1 in the middle of the gap 6 aligned with the width b.

Aus der 2 geht hervor, dass der Stift 7 im Querschnitt kleiner ist als eine stirnseitige Reibfläche 9 einer Werkzeugschulter 11 des Werkzeugs 1, von der der Stift 7 nach unten abragt. Des Weiteren weist das Werkzeug 1 gemäß der 2 eine radial außerhalb der Werkzeugschulter 11 ausgebildete Reinigungskontur 13 auf. Die Reinigungskontur 13 erstreckt sich ringförmig um die Werkzeugschulter 11 bis zu einer Außenkante 15 des Werkzeugs 1 und ist entlang der Rotationsachse A um einen Achsversatz Δx gegenüber der Reibfläche 9 nach oben zurückgesetzt. Die Reinigungskontur 13 weist eine plane Ringfläche 17 auf, die parallel zur Reibfläche 9 der Werkzeugschulter 11 mit dem Achsversatz Δx beabstandet ist, so dass die Reibfläche 9 an einer Übergangsstufe 19 in die Ringfläche 17 übergeht. Weiterhin weist die Reinigungskontur 13 radial außen eine Seitenwand 21 auf, die unter Bildung einer Bruchkante 23 in die plane Ringfläche 17 übergeht.From the 2 it turns out that the pen 7 smaller in cross section than a frontal friction surface 9 a tool shoulder 11 of the tool 1 from which the pin 7 protrudes downwards. Furthermore, the tool points 1 according to the 2 a radially outside the tool shoulder 11 trained cleaning contour 13 on. The cleaning contour 13 extends annularly around the tool shoulder 11 up to an outer edge 15 of the tool 1 and is along the axis of rotation A about an axial offset .DELTA.x with respect to the friction surface 9 reset to top. The cleaning contour 13 has a flat annular surface 17 on, parallel to the friction surface 9 the tool shoulder 11 with the axial offset .DELTA.x is spaced, so that the friction surface 9 at a transitional stage 19 in the ring area 17 passes. Furthermore, the cleaning contour 13 radially outside a side wall 21 on, forming a fractured edge 23 in the plane ring surface 17 passes.

Aus den Figuren geht weiter hervor, dass sich das Werkzeug 1 beim Verschweißen der Blechteile 5 entlang einer Vorschubrichtung v bewegt. Das Werkzeug 1 drückt zum Verschweißen der Blechteile 5 zudem mit einer Axialkraft FA auf die Blechteile 5 und rotiert gleichzeitig mit einer Drehzahl n relativ zu den Blechteilen 5 um die Rotationsachse A. Die Axialkraft FA und die Drehzahl n sind derart gewählt, dass aufgrund der durch die Relativbewegung zwischen der stirnseitigen Reibfläche 9 des Werkzeugs 1 und den Blechteilen 5 entstehenden Reibwärme die Blechteile 5 im Bereich der Reibfläche 9 plastifizieren, so dass sich im Werkstoff der Blechteile 5 eine Rührzone 25 bildet. Gemäß der 2 taucht zum Verschweißen der Blechteile 5 der Stift 7 in die Rührzone 25, so dass der Stift 7 den plastifizierten Werkstoff der Blechteile 5 miteinander verrührt. Bewegt sich das Werkzeug 1 weiter entlang der Vorschubrichtung v, kühlen die Blechteile 5 unter Bildung einer stoffschlüssigen Verbindung ab.From the figures also shows that the tool 1 when welding the sheet metal parts 5 moved along a feed direction v. The tool 1 Presses to weld the sheet metal parts 5 also with an axial force F A on the sheet metal parts 5 and simultaneously rotates at a speed n relative to the sheet metal parts 5 about the axis of rotation A. The axial force F A and the rotational speed n are chosen such that due to the relative movement between the front-side friction surface 9 of the tool 1 and the sheet metal parts 5 resulting frictional heat the sheet metal parts 5 in the area of the friction surface 9 plasticize, so that in the material of the sheet metal parts 5 a stirring zone 25 forms. According to the 2 emerges to weld the sheet metal parts 5 the pencil 7 in the stirring zone 25 so the pen 7 the plasticized material of the sheet metal parts 5 mingled with each other. Does the tool move? 1 further along the feed direction v, cool the sheet metal parts 5 forming a cohesive connection.

Die in der 2 gezeigte, radial außerhalb der Reibfläche 9 ausgebildete Reinigungskontur 13 eilt der Reibfläche 9 während des Schweißvorgangs in der Vorschubrichtung v voraus. Das heißt, dass die Reinigungskontur 13 der Rührzone 25 vorgelagert ist und weitgehend außerhalb der Rührzone 25 angeordnet ist. Die Blechteile 5 sind im Bereich der vorauseilenden Reinigungskontur 13 noch nicht plastifiziert und bilden im Blechteil-Werkstoff eine Kühlzone 27. Die Werkstoff-Temperatur in der Kühlzone 27 ist geringer als in der Rührzone 25, und zwar bevorzugt geringer als eine Grenztemperatur, bei deren Überschreiten eine Plastifizierung der Bauteile 5 einsetzt, so dass die Bauteile 5 in der Kühlzone 27 noch in einem festen Aggregatszustand sind.The in the 2 shown, radially outside the friction surface 9 trained cleaning contour 13 rushes the friction surface 9 during the welding process in the feed direction v ahead. That is, the cleaning contour 13 the stirring zone 25 is upstream and largely outside the stirring zone 25 is arranged. The sheet metal parts 5 are in the area of anticipatory cleaning contour 13 not yet plasticized and form a cooling zone in the sheet metal part material 27 , The material temperature in the cooling zone 27 is less than in the stirring zone 25 , Preferably less than a limit temperature, when exceeded, a plasticization of the components 5 so that the components 5 in the cooling zone 27 are still in a solid state of aggregation.

Erfindungsgemäß ist daher das Werkzeug 1 so ausgebildet, dass an der Reinigungskontur 13 weniger Reibungswärme generiert wird als an der Reibfläche 9, so dass die Bauteile 5 im Bereich der Kühlzone 27 nicht so stark erwärmt werden wie in der Rührzone 25. Das Temperaturgefälle zwischen der Reibfläche 9 und der Ringfläche 17 der Reinigungskontur 13 kann aufgrund der Neigung des Werkzeugs 1 entgegen der Vorschubrichtung v in einem Anstellwinkel α noch verstärkt werden, wie es nachfolgend erläutert ist. Aufgrund der Neigung des Werkzeugs 1 erfolgt im Bereich der vorauseilenden Reinigungskontur 13 eine Verringerung des Drucks auf die Blechteile 5, so dass die Kühlzone 27 im Vergleich zur Rührzone 25 mit einer reduzierten Axialkraft beaufschlagt wird. Durch die reduzierte Axialkraft im Bereich der Kühlzone 27 wird weniger Reibungswärme generiert und die Temperatur in der Kühlzone 27 im Vergleich zur Rührzone 25 verringert.According to the invention is therefore the tool 1 designed so that at the cleaning contour 13 less frictional heat is generated than at the friction surface 9 so that the components 5 in the area of the cooling zone 27 not be heated as much as in the stirring zone 25 , The temperature gradient between the friction surface 9 and the ring surface 17 the cleaning contour 13 may be due to the inclination of the tool 1 are further amplified α opposite to the feed direction v in an angle of attack, as explained below. Due to the inclination of the tool 1 takes place in the area of the anticipatory cleaning contour 13 a reduction in pressure on the sheet metal parts 5 so that the cooling zone 27 in comparison to the stirring zone 25 is subjected to a reduced axial force. Due to the reduced axial force in the area of the cooling zone 27 less frictional heat is generated and the temperature in the cooling zone 27 in comparison to the stirring zone 25 reduced.

Durch die in der 2 gezeigte, in der Vorschubrichtung v vorauseilende Reinigungskontur 13, in deren Bereich die Kühlzone 27 ausgebildet ist, erfolgt eine mechanische Vorbehandlung von Oberflächen 29 der Bauteile 5 außerhalb der Rührzone 25. Die Reinigungskontur 13 reinigt die Oberflächen 29, indem sie eine Oxidschicht 31 von den Bauteilen 5 abbricht. Das Abbrechen der Oxidschicht 31 durch die Reinigungskontur 13 erfolgt aufgrund der auf die Bauteile 5 wirkenden Axialkraft FA des Werkzeugs 1, der Drehzahl n des Werkzeugs 1 relativ zu den Bauteilen 5 sowie aufgrund der Bewegung des Werkzeugs 1 in die Vorschubrichtung v. Beim Abbrechen der Oxidschicht 31 splittern Oxidfragmente 33 von der Oxidschicht 31 ab und die Oxidfragmente 33 werden von dem Werkzeug 1 weggeschleudert, so dass weder die Oxidschicht 31 noch die Oxidfragmente 33 in die Rührzone 25 gelangen können, in der die Bauteile 5 lokal plastifiziert sind. Ein Einlagern der Oxidfragmente 33 oder der Oxidschicht 31 in die Rührzone 25, würde die Lebensdauer und die Zugfestigkeit der Schweißverbindung beeinträchtigen.By in the 2 shown, leading in the feed direction v cleaning contour 13 in whose area the cooling zone 27 is formed, there is a mechanical pretreatment of surfaces 29 of the components 5 outside the stirring zone 25 , The cleaning contour 13 cleans the surfaces 29 by applying an oxide layer 31 from the components 5 aborts. The breaking off of the oxide layer 31 through the cleaning contour 13 due to the on the components 5 acting axial force F A of the tool 1 , the speed n of the tool 1 relative to the components 5 as well as due to the movement of the tool 1 in the feed direction v. When breaking off the oxide layer 31 splinter oxide fragments 33 from the oxide layer 31 and the oxide fragments 33 be from the tool 1 thrown away, leaving neither the oxide layer 31 still the oxide fragments 33 in the stirring zone 25 can reach, in which the components 5 are plastified locally. A storage of oxide fragments 33 or the oxide layer 31 in the stirring zone 25 , would affect the life and the tensile strength of the welded joint.

Da die Reinigungskontur 13 unmittelbar an dem Werkzeug 1 ausgebildet ist, erfolgt die Reinigung und das Verschweißen der Bauteile 5 in einem gemeinsamen Arbeitsschritt. Des Weiteren ist eine erneute Ausbildung der Oxidschicht 31 aufgrund der zeitlich unmittelbar vor dem Schweißvorgang stattfindenden Reinigung der Oberflächen 29 verhindert.Because the cleaning contour 13 directly on the tool 1 is formed, the cleaning and welding of the components takes place 5 in a joint step. Furthermore, a re-formation of the oxide layer 31 due to the cleaning of the surfaces taking place immediately before the welding process 29 prevented.

In den 3 und 4 ist das Rührreibschweißen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiels des Werkzeugs 1 gezeigt. Der Aufbau und die Funktionsweise der darin gezeigten Vorrichtung sind im Wesentlichen identisch mit der in den 1 und 2 gezeigten Vorrichtung. Insoweit wird auf die Vorbeschreibung verwiesen und im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der in den 1 und 2 gezeigten Ausführung hervorgehoben. So sind die Blechteile 5 in den 3 und 4 nicht wie in den 1 und 2 in einem Stumpfstoß zueinander ausgerichtet, sondern vielmehr zueinander überlappt. Das Werkzeug 1 ist zudem nicht zwischen den Blechteilen 5 angeordnet, sondern an der Oberfläche 29 des oberen Blechteils 5 in einem Überlappungsbereich 35 der Blechteile 5.In the 3 and 4 is the friction stir welding according to a second embodiment of the tool 1 shown. The construction and operation of the device shown therein are substantially identical to that in FIGS 1 and 2 shown device. In that regard, reference is made to the preliminary description and below only the differences from those in the 1 and 2 highlighted embodiment shown. So are the sheet metal parts 5 in the 3 and 4 not like in the 1 and 2 aligned in a butt joint to each other, but rather overlaps each other. The tool 1 is also not between the sheet metal parts 5 arranged but at the surface 29 of the upper sheet metal part 5 in an overlap area 35 the sheet metal parts 5 ,

Das Werkzeug 1 gemäß der 3 und 4 weist keinen Stift 7 auf, der von der stirnseitigen Reibfläche 9 des Werkzeugs 1 abragt. Das Verrühren der Blechteile 5 erfolgt dabei nicht über den Stift 7 wie bei dem Werkzeug 1 gemäß der 1 und 2, sondern alleine über die stirnseitige Reibfläche 9, so dass die Reibfläche 9 den Werkstoff der Blechteile 5 sowohl plastifiziert als auch miteinander verrührt.The tool 1 according to the 3 and 4 does not have a pen 7 on, from the frontal friction surface 9 of the tool 1 protrudes. Stirring the sheet metal parts 5 does not take place via the pen 7 like the tool 1 according to the 1 and 2 , but alone on the frontal friction surface 9 so that the friction surface 9 the material of the sheet metal parts 5 both plasticized and mixed with each other.

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  • JP 10225781 A [0004] JP 10225781 A [0004]

Claims (11)

Rührreibschweißvorrichtung zur Schweißverbindung von Fügepartnern (5), insbesondere Blechbauteile, mit einem Werkzeug (1) mit einer Werkzeugschulter (11), die mit ihrer stirnseitigen Reibfläche (9) unter Druck- und Rotationsbeaufschlagung (FA, n) sowie unter Bildung einer Rührzone (25) mit lokal plastifiziertem Werkstoff in zumindest einen der Fügepartner (5) eintreibbar ist und zur Bildung einer Schweißnaht (3) in einer Vorschubrichtung (v) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (1) eine Reinigungskontur (13) aufweist, die der Werkzeugschulter (11) in der Vorschubrichtung (v) vorauseilt und außerhalb der Rührzone (25) die Oberflächenstruktur (29) des Fügepartners (5) vorbehandelt, insbesondere reinigt und/oder zumindest teilweise von einer Oxidschicht (31) befreit.Friction friction welding device for the welded connection of joining partners ( 5 ), in particular sheet metal components, with a tool ( 1 ) with a tool shoulder ( 11 ), which with its front-side friction surface ( 9 ) under pressure and rotation (F A , n) and to form a stirring zone ( 25 ) with locally plasticized material in at least one of the joining partners ( 5 ) is drivable and to form a weld ( 3 ) is movable in a feed direction (v), characterized in that the tool ( 1 ) a cleaning contour ( 13 ), the tool shoulder ( 11 ) in the feed direction (v) leading and outside the stirring zone ( 25 ) the surface structure ( 29 ) of the joining partner ( 5 ), in particular cleans and / or at least partially of an oxide layer ( 31 ) released. Rührreibschweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (1) zusammen mit der Werkzeugschulter (11) rotationssymmetrisch ausgeführt ist, und/oder dass die Reinigungskontur (13) radial außerhalb der Werkzeugschulter (11) ausgebildet ist.Friction friction welding device according to claim 1, characterized in that the tool ( 1 ) together with the tool shoulder ( 11 ) is rotationally symmetrical, and / or that the cleaning contour ( 13 ) radially outside the tool shoulder ( 11 ) is trained. Rührreibschweißvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Reinigungskontur (13) ringförmig um die Werkzeugschulter (11) erstreckt.Friction friction welding device according to claim 2, characterized in that the cleaning contour ( 13 ) annularly around the tool shoulder ( 11 ). Rührreibschweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungskontur (13) eine der Werkzeugschulter (11) in der Vorschubrichtung (v) vorgelagerte Kühlzone (27) bildet, und dass insbesondere in der Kühlzone (27) die Werkzeugtemperatur geringer ist als an der Reibfläche (9) der Werkzeugschulter (11), insbesondere geringer als eine Grenztemperaturbereich, bei dessen Überschreiten eine Plastifizierung des Fügepartner-Werkstoffes (5) einsetzt.Friction friction welding device according to one of the preceding claims, characterized in that the cleaning contour ( 13 ) one of the tool shoulder ( 11 ) in the feed direction (v) upstream cooling zone ( 27 ), and in particular in the cooling zone ( 27 ) the tool temperature is lower than at the friction surface ( 9 ) of the tool shoulder ( 11 ), in particular less than a limit temperature range, when exceeding a plasticization of the joining partner material ( 5 ). Rührreibschweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Reinigungskontur (13) zwischen der Werkzeugschulter (11) und einer Außenkante (15) des Werkzeugs (1) erstreckt.Friction friction welding device according to one of the preceding claims, characterized in that the cleaning contour ( 13 ) between the tool shoulder ( 11 ) and an outer edge ( 15 ) of the tool ( 1 ). Rührreibschweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungskontur (13) um einen Achsversatz (Δx) gegenüber der Werkzeugschulter (11), insbesondere deren Reibfläche (9), zurückgesetzt ist.Friction friction welding device according to one of the preceding claims, characterized in that the cleaning contour ( 13 ) by an axial offset (Δx) with respect to the tool shoulder ( 11 ), in particular its friction surface ( 9 ), is reset. Rührreibschweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungskontur (13) eine insbesondere glattflächige Ringfläche (17) aufweist, und dass die Ringfläche (17) insbesondere planparallel zur Reibfläche (9) der Werkzeugschulter (11) ist.Friction friction welding device according to one of the preceding claims, characterized in that the cleaning contour ( 13 ) a particular smooth-surfaced annular surface ( 17 ), and that the annular surface ( 17 ) in particular plane-parallel to the friction surface ( 9 ) of the tool shoulder ( 11 ). Rührreibschweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibfläche (9) der Werkzeugschulter (11) an einer Übergangsstufe (19) in die zurückgesetzte Ringfläche (17) übergeht, und dass insbesondere die Stufenhöhe in einem Bereich von 0,1 mm ist.Friction friction welding device according to one of the preceding claims, characterized in that the friction surface ( 9 ) of the tool shoulder ( 11 ) at a transitional stage ( 19 ) in the recessed annular surface ( 17 ), and in particular, the step height is in a range of 0.1 mm. Rührreibschweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (1) aus einer gegenüber dem Fügepartner (5) rechtwinkligen Werkzeugposition entgegen der Vorschubrichtung (v) um einen Anstellwinkel (α) geneigt ist.Friction friction welding device according to one of the preceding claims, characterized in that the tool ( 1 ) from one opposite the joint partner ( 5 ) right-angled tool position opposite to the feed direction (v) by an angle (α) is inclined. Rührreibschweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugschulter (11) einen Stift (7) aufweist, der insbesondere koaxial zur Rotationsachse (A) von der Reibfläche (9) der Werkzeugschulter (11) abragt.Friction friction welding device according to one of the preceding claims, characterized in that the tool shoulder ( 11 ) a pen ( 7 ), in particular coaxial to the axis of rotation (A) of the friction surface ( 9 ) of the tool shoulder ( 11 ) protrudes. Verfahren zum Rührreibschweißen von Fügepartnern (5) mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Method for friction stir welding of joining partners ( 5 ) with a device according to one of the preceding claims.
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