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Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung zum Rührreibschweißen. Beim Rührreibschweißen werden stoffschlüssige Verbindungen durch den Eintrag von Wärme, die infolge von Reibung eines rotierenden Werkzeugs direkt in den Werkstoff von miteinander zu fügenden Werkstücken im jeweiligen Fügebereich erzeugt wird, hergestellt. Es können so hochbelastbare linienförmige Schweißverbindungen erhalten werden. Der Abstand der Werkstücke muss dabei möglichst konstant gehalten werden. Insbesondere eine unkontrollierte Bewegung von mindestens einem der beiden Werkstücke muss dabei verhindert werden. Dies ist aber besonders bei nicht geradlinig verlaufenden Schweißnähten schwer einzuhalten und gelingt in der Regel nicht immer.
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Aus
DE 10 2011 114 924 A1 ist eine Fügeeinrichtung bekannt, bei der jeweils ein Trägerprofil mit einem Werkstück verbunden ist. Außerdem sind an den beiden Trägerprofilen Leitschienen vorhanden, die zur Führung des Schweißkopfes und zu dessen Antrieb für den Vorschub genutzt werden können. Mit einer solchen Lösung ist es nur unbefriedigend möglich, die miteinander zu verbindenden Werkstücke in konstant gehaltener Ausrichtung zueinander zu positionieren.
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Die aus
US 2010/0006622 A1 bekannte Vorrichtung nutzt ebenfalls Schienen zur Führung eines Schweißkopfes. Mit dem Schweißkopf und daran angebrachten Rollen kann zusätzlich die Spaltgröße zwischen den miteinander zu fügenden Werkstücken konstant gehalten werden. Da dabei aber hohe Kräfte und Momente in diesem Bereich wirken, die durch den Schweißkopf abgefangen werden müssen, muss der Schweißkopf und insbesondere die mit ihm verbundene Bewegungsanlageextrem steif ausgeführt werden. Die verteuert den Bau von Schweißanlagen entscheidend. Da zudem Toleranzen bzw. Verschleiß an der Führung und den Rollen nicht ausgeschlossen werden können, ist eine ausreichend genaue Einhaltung der Positionen der miteinander zu verbindenden Werkstücke nicht möglich. Ganz problematisch ist dies bei Ausbildung von ein- oder mehrfach gekrümmten Schweißnähten.
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Außerdem ist aus
DE 10 2006 055 286 A1 eine Rührreibschweißvorrichtung mit Schweißkopf und einer absenkbaren Schweißunterlage bekannt.
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JP 2009-061479 A betrifft eine Rührreibschweißvorrichtung mit einem selbstfahrenden Körper.
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Eien selbstklemmende Rührreibschweißvorrichtung ist aus
US 2010/0006622 A1 bekannt.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die Einhaltung einer hohen Positionsgenauigkeit, bei der Ausbildung von Schweißnähten durch Rührreibschweißen, anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung zum Rührreibschweißen ist ein Schweißkopf mit seinem Werkzeug in einem Spalt zwischen zwei miteinander zu fügenden Werkstücken geführt. Die miteinander zu verbindenden Werkstücke sind mit jeweils einem Fixiersystem verbunden. Dabei weisen die Fixiersysteme jeweils mehrere Fixierelemente an einem Fixiersystem für ein Werkstück und mehrere Fixierelemente an einem Fixiersystem für ein zweites Werkstück auf, die paarweise sich gegenüberliegend an den Fixiersystemen vorhanden oder daran befestigt sind.
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Die einzelnen Paare der Fixierelemente sind jeweils mit einem Verbindungselement verbindbar. Die Verbindung der Verbindungselemente mit den Fixierelementen ist aber lösbar. Zum Lösen der Verbindung kann ein Verbindungselement aus dem Zwischenraum zwischen den ihm zugeordneten Fixierelementen heraus bewegt werden, so dass der Zwischenraum zwischen diesen Fixierelementen für eine ungehinderte Bewegung des Schweißkopfes in diesem Bereich frei gegeben ist, während gleichzeitig zumindest die zwei benachbarten Fixierelemente mittels jeweils eines Verbindungselementes so miteinander verbunden sind, so dass eine Relativbewegung der Werkstücke verhindert werden kann.
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Paare von Fixierelementen sollten jeweils einen Abstand in Vorschubachsrichtung des Schweißkopfes zueinander haben, der maximal 10% größer als die maximale laterale Ausdehnung des Schweißkopfes in Richtung der Vorschubachse beträgt.
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Mit der Erfindung kann ein sicherer Betrieb des Schweißkopfes auch bei der Bewegung durch Zwischenräume zwischen Paaren von Fixierelementen und auch gleichzeitig eine sichere Einhaltung der Positionen der miteinander zu verbindenden Werkstücke und die Einhaltung konstanter Kräfte zum Zusammenpressen der Werkstücke erreicht werden. Selbstverständlich können alle Fixierelemente mit Verbindungselementen, bis auf ein Paar in dessen Bereich sich zu diesem Zeitpunkt der Schweißkopf befindet, miteinander verbunden sein.
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Paare von Fixierelementen sollten symmetrisch in Bezug zu dem Spalt und der auszubildenden Schweißnaht angeordnet sein. D. h. die Fixierelemente eines Paares sollten zum Spalt bzw. zur Schweißnaht jeweils den gleichen Abstand haben. Außerdem sollten sie so ausgerichtet sein, dass das dem Paar zugeordnete Verbindungselement senkrecht zu Spalt bzw. Schweißnaht ausgerichtet ist.
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An einem Fixierelement eines Paares von Fixierelementen kann ein Arretierelement zur form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung mit dem jeweiligen Verbindungselement vorhanden sein. Ein Arretierelement kann in Form eines bewegbaren Dornes, der innerhalb einer Führung, die in einem Fixierelement ausgebildet ist, ausgebildet sein. Zur Herstellung der Verbindung mit dem Verbindungselement kann das Arretierelement in die Führung hinein und zum Lösen der Verbindung herausgeführt werden. Ein Arretierelement kann eine konische oder keilförmige Form aufweisen und so in eine komplementär ausgebildete Vertiefung, die in einem Verbindungselement ausgebildet ist, zur Herstellung einer kraft- und stoffschlüssigen Verbindung, eingeführt werden. Je nachdem, wie weit ein Arretierelement in die komplementär ausgebildete Vertiefung eingeführt ist, bestimmt sich der Abstand der Fixierelemente eines Paares, der Abstand der miteinander zu fügenden Werkstücke in diesem Bereich zueinander und die Kraft mit der die Werkstücke zusammen gepresst werden.
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Jeweils ein Verbindungselement kann in Führungen, die in den Fixierelementen ausgebildet sind, translatorisch zum Herstellen der Verbindung zwischen den Fixierelementen und zur Freigabe des Freiraumes hin und her bewegt werden. Die Verbindungselemente sollten daher eine Länge haben, die größer als der Abstand eines Paares zugeordneter Fixierelemente ist. Eine Führung für ein Verbindungselement kann eine Durchbrechung, die durch ein Fixierelement hindurch geführt ist, sein, die geometrisch angepasst an die äußere Gestalt der Verbindungselemente ist. Der freie Querschnitt sollte so dimensioniert sein, dass infolge eines geringen Spiels eine Bewegung des Verbindungselements in der Führung möglich ist. Verkantungen sollten dabei aber vermieden sein. Eine Führung kann beispielsweise als Bohrung oder als eine Durchbrechung mit mehreckigem Querschnitt sein. Die äußere Form der Verbindungselemente sollte dann entsprechend komplementär sein.
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An einem Verbindungselement kann an einer Stirnseite ein Anschlag vorhanden sein, der eine Wegbegrenzung für die translatorische Bewegung des Verbindungselements in eine Richtung bildet. Ein Anschlag kann eine Aufweitung, ein Steg oder ein überstehender Stift sein. Damit kann die Bewegung des Verbindungselementes begrenzt werden, wenn das Verbindungselement in die entsprechende Richtung so weit bewegt worden ist, bis der an das jeweilige Fixierelement anstoßende Anschlag eine Weiterbewegung verhindert. Die Fixierung kann dann mittels des Arretierelements, das am anderen Fixierelement eines Paares angeordnet ist und dort wirkt, erreicht werden.
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An den Fixiersystemen kann jeweils ein Kraftsensor zur Bestimmung der Spannkraft vorhanden sein. Die Kraftsensoren können bevorzugt an eine elektronische Regeleinrichtung angeschlossen sein. Mit Kraftsensoren können beispielsweise die an den Verbindungselementen wirkenden Zugkräfte bestimmt werden. Es kann ausreichend sein, wenn Kraftsensoren lediglich die Kräfte an jedem zweiten oder gar dritten Paar von Fixierelementen bestimmen.
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Die Fixiersysteme und/oder die Fixierelemente können mittels wirkendem Unterdruck an den Werkstücken befestigt sein. Solche technische Lösungen können auch als Spannsysteme auf Vakuumbasis bezeichnet werden.
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Die Arretierelemente und/oder Verbindungselemente können mittels elektrischer, hydraulischer oder pneumatischer Antriebe jeweils einzeln bewegt werden. Dies kann auch elektronisch gesteuert oder geregelt erfolgen. Dabei können die vorab erwähnten bestimmten Kräfte genutzt werden.
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Anstelle der Bestimmung der wirkenden Kräfte kann auch eine Wegmessung oder Positionsbestimmung genutzt werden. Bei der Wegmessung kann der von den jeweiligen Verbindungselementen bei der Fixierung zurück gelegte Weg bestimmt werden. Es können aber auch die Positionen von Fixierelementen beispielsweise optisch bestimmt werden.
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Eine Kombination aus Kraft- und Wegmessung und dem dazugehörendem Regelsystem kann zudem das gezielte Einstellen/Steuern des Nahtspaltes während des Schweißprozesses ermöglichen. Dadurch kann eine Freigabe des Weges durch eine Verschiebung eines Verbindungselementes, das einem Fixierelementepaar zugeordnet ist, allein durch die Bewegung des Schweißkopfes in Richtung des jeweiligen Fixierelementepaares erreicht werden. Ein Verbindungselement kann dabei mit einer Druckfeder vorgespannt sein. Durch ein Anstoßen des Schweißkopfes an eine geeignet ausgebildete Mechanik kann das Verbindungselement so verschoben werden, dass der Weg für den Schweißkopf zwischen den jeweiligen Fixierelementen freigegeben ist. Nach der Weiterbewegung bewegt sich das Verbindungselement mit Hilfe der Druckfeder zurück und kann an den Fixierelementen wieder arretiert werden. Auch ein Haltelement kann in analoger Form so bewegt werden, um eine Bewegung eines Verbindungselementes zur Freigabe des Weges für den Schweißkopf zu ermöglichen. Neben einer rein mechanischen Freigabe des Weges kann dies auch mit Hilfe von geeigneten Sensoren an den Fixierelementen erreicht werden. Solche Sensoren erfassen die Annäherung des Schweißkopfes an ein Fixierelementepaar und geben die Bewegung des Verbindungselementes frei. Dies kann elektromechanisch an Verbindungselementen und den jeweiligen Fixier- und Haltelementen erreicht werden.
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Am Schweißkopf und/oder an Fixierelementen kann ein zur Freigabe der Bewegung eines zwei Fixierelementen zugeordneten Verbindungselementes geeignetes mechanisch, elektromechanisch und/oder sensorisch aktivierbares Element vorhanden sein. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Taster, einen induktiven bzw. optischen Sensor handeln, welcher über eine geeignete Steuerung die Bewegung der Fixierelemente freigibt und auslöst. Eine mechanische Lösung, bestehend aus einem Hebel, welcher das vorgespannte Fixierelement freigibt, wäre hierbei auch denkbar.
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Mit der Erfindung kann eine intelligente und sehr steife Spannvorrichtung zur Verfügung gestellt werden, die auch bei gekrümmtem Verlauf von Schweißnähten eingesetzt werden kann. Es ist dabei lediglich eine Anpassung und Ausrichtung der Fixierelemente an den Schweißnahtverlauf zu berücksichtigen. Die miteinander zu fügenden Werkstücke können sicher in den gewünschten Positionen gehalten werden.
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Es können damit auch lediglich von einer Seite zugängliche Werkstücke sicher und mit guter Qualität miteinander verbunden werden.
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Es ist eine biege- und verschiebungssteife Spannung der miteinander zu fügenden Werkstücke möglich, da die Spannkräfte an mehreren Positionen und mit kurzen Hebeln in Bezug zu ihrem Abstand zur momentanen Fügezone, in der das Werkzeug wirkt, gleichzeitig wirken. Es können auch biegeschlaffe Werkstücke in dieser Form problemlos miteinander verschweißt werden.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 in perspektivischer Darstellung ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung an zwei miteinander zu fügenden Werkstücken und
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2 ein Beispiel für einsetzbare Fixierelemente, die mit einem Verbindungselement verbunden werden können.
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In 1 ist ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung, die an zwei miteinander durch Rührreibschweißen zu verbindenden Werkstücken 6a und 6b durch Unterdruckwirkung befestigt ist.
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Dabei sind an plattenförmigen Fixiersystemen 4a und 4b jeweils fünf Paare von Fixierelementen 2 und 3 befestigt. Zwischen den Paaren verläuft ein Spalt bzw. die bereits ausgebildete Schweißnaht. Der Schweißkopf 12 wird entlang des Spaltes bewegt, um die Schweißnaht auszubilden. Die Vorschubachsrichtung ist mit dem Pfeil gekennzeichnet.
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Jeweils vier Paare der Fixierelemente 2 und 3 sind mit jeweils einem Verbindungselement 1 verbunden. Die Fixierung der Verbindungselemente 1 in den Fixierelementen 2 und 3 bestimmt den Abstand zueinander, die Einhaltung des Spaltes und die sichere Einhaltung der Positionen der beiden Werkstücke 6a und 6b auch während der Bearbeitung. Bei dem mittleren Paar der Fixierelemente 2 und 3 ist die Verbindung gelöst und das Verbindungselement 1 in eine Richtung translatorisch soweit bewegt worden, dass zwischen den beiden Fixierelementen 2 und 3 ein Freiraum vorhanden ist, durch den der Schweißkopf 12 ohne Weiteres entlang seiner Vorschubachsrichtung bewegt werden kann. Hat der Schweißkopf 12 die Schweißnaht in diesem Bereich ausgebildet und wird weiter in Vorschubachsrichtung bewegt, wird das Verbindungselement 1, das dem mittleren Paar der Fixierelemente 2 und 3 zugeordnet ist, wieder translatorisch soweit bewegt, dass eine Fixierung und Arretierung an den beiden Fixierelementen 2 und 3 erreicht werden kann.
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Dann wird das in Vorschubachsrichtung folgende Verbindungselement 1 des entsprechenden Fixierelementepaares translatorisch bewegt, so dass dort die Verbindung gelöst und der Freiraum für die ungestörte Bewegung des Schweißkopfes frei gegeben wird. Dieser Vorgang kann sukzessive in Vorschubachsrichtung von einem Paar zum nächsten Paar der Fixierelemente 2 und 3 wiederholt werden, bis die Schweißnaht vollständig ausgebildet worden ist.
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Die 2 zeigt Beispiele für Fixierelemente 2 und 3 und ein dazu passendes Verbindungselement 1. Das Verbindungselement 1 hat einen rechteckigen Querschnitt. In den Fixierelementen 2 und 3 sind entsprechende Durchbrechungen mit rechteckigem freien Querschnitt als Führungen ausgebildet, in die ein Verbindungselement 1 eingeführt und darin translatorisch hin und her bewegt werden kann.
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Am rechts dargestellten Fixierelement 3 ist ein dornförmiges Arretierelement 5 gezeigt, das bis in das Innere der Führung eingeführt werden aber auch wieder heraus gezogen werden kann. In diesem Stirnseitenbereich des Verbindungselements 1, der dem Fixierelement 3 zugewandt ist, ist eine Vertiefung 7 ausgebildet, in die das Arretierelement 5 eingeführt werden kann, wenn eine Fixierung und Spannung mit diesem Paar der Fixierelemente 2 und 3 mit dem Verbindungselement 1 erreicht werden soll.
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In nichtdargestellter Form kann am anderen Ende bzw. der anderen Stirnseite des Verbindungselementes 1 ein Anschlag ausgebildet oder dort vorhanden sein. Dieser stößt bei einer Bewegung des Verbindungselements 1 an den dann hinteren Teil des Fixierelements 2 an und begrenzt so den Weg der translatorischen Bewegung des Verbindungselements 1 in Richtung auf das andere Fixierelement 3. Mit einem Anschlag kann also ein Widerlager gebildet werden.
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Sowohl das dornförmige Arretierelement 5, wie auch die Vertiefung 7 können konisch ausgebildet sein. Dadurch kann je nach Eindringtiefe des Arretierelements 5 in die Vertiefung der Abstand zwischen den Fixierelementen 2 und 3 und damit der Abstand der beiden miteinander zu verbindenden Werkstücke 6a und 6b in diesem Bereich sowie die wirkenden Spannkräfte mit denen die Werkstücke 6a und 6b zusammen gepresst werden, beeinflusst werden. Diese Justage des Abstandes kann auch über den Antrieb, z. B. einem Elektromotor mit Kugelgewindeantrieb vorgenommen werden.
