DE102014210019B3

DE102014210019B3 - Tool arrangement for friction stir welding

Info

Publication number: DE102014210019B3
Application number: DE201410210019
Authority: DE
Inventors: Gunther Göbel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-05-26
Filing date: 2014-05-26
Publication date: 2015-03-19
Anticipated expiration: 2034-05-27
Also published as: WO2015180926A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Werkzeuganordnung zum Rührreibschweißen mit mindestens zwei Doppelschulterwerkzeugen, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind. Dabei ist mindestens ein Doppelschulterwerkzeug mit einer rotierenden Antriebsspindel von einer Seite von miteinander zu verschweißenden Werkstücken angetrieben. Die Schultern der Doppelschulterwerkzeuge stehen jeweils in berührendem Kontakt mit einer Oberfläche der miteinander zu fügenden Werkstücke. Die Schultern der Doppelschulterwerkzeuge, die an der der mindestens einen Antriebsspindel gegenüberliegenden Seite der Werkstücke angeordnet sind, sind mit einem Verbindungselement verbunden.The invention relates to a tool assembly for Rührreibschweißen with at least two double shoulder tools, which are arranged at a distance from each other. In this case, at least one double shoulder tool with a rotating drive spindle is driven from one side of workpieces to be welded together. The shoulders of the double shoulder tools are each in touching contact with a surface of the workpieces to be joined together. The shoulders of the double shoulder tools, which are arranged on the at least one drive spindle opposite side of the workpieces, are connected to a connecting element.

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeuganordnung zum Rührreibschweißen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Beim Rührreibschweißen werden Werkstücke miteinander verschweißt, indem die zum Schweißen erforderlichen Temperaturen durch Reibung einer rotierenden Werkzeugschulter an der Werkstückoberfläche und eines in das Material eingeführten i. d. R. zentrisch zur Schulter positionierten Stegs (Pin) erreicht werden und durch intensive Umformung im thermisch erweichten Zustand vermischt werden. Dazu sind relativ hohe Bearbeitungskräfte erforderlich. Es können so hochbelastbare linienförmige Schweißnähte ausgebildet werden, Problematisch sind dabei Fehler, die beim Schweißen an der Schweißnaht auftreten können. Dies sind insbesondere Bindefehler im Schweißnahtwurzelbereich (Lack of Penetration).In friction stir welding workpieces are welded together by the required temperatures for welding by friction of a rotating tool shoulder on the workpiece surface and an imported i. d. R. are centrally located to the shoulder positioned pin (pin) can be achieved and mixed by intensive deformation in the thermally softened state. This relatively high processing forces are required. It can be formed as heavy-duty linear welds, problems are errors that can occur during welding at the weld. These are in particular binding defects in the weld root area (Lack of Penetration).

Zur Lösung dieses Problems sind verschiedene Lösungsansätze bekannt.To solve this problem, various approaches are known.

So wird beim klassischen Rührreibschweißen ein positionsangepasstes Nachführen des Werkzeugs (Adjustable Pin Tool) eingesetzt. Dabei wird vor dem Schweißen die Kontur der auszubildenden Schweißnaht mit einer Messeinrichtung abgefahren und die Entfernung zwischen Werkzeug und Auflagefläche des eingesetzten Spannsystems für die jeweiligen zu fügenden Werkstücke entlang der auszubildenden Schweißnaht bestimmt. Damit kann eine lokal angepasste Positionierung des Werkzeugs und der Steglänge mit einem optimalen Abstand zwischen der Auflagefläche und der Unterseite des Stegs erreicht werden. Eine solche Ausführung erfordert aber komplex ausgebildete Antriebsspindeln mit unabhängig davon steuerbarer Werkzeugsteglänge und erheblich kostenintensivere Werkzeuge. Der Einsatz ist nur bei beidseitiger Zugänglichkeit der Werkstücke möglich, da eine Abstützung der Werkstücke an den der Antriebsspindel gegenüberliegend angeordneten Oberflächen der Werkstücke erforderlich ist.For example, traditional friction stir welding uses position-adjusted tool tracking (Adjustable Pin Tool). In this case, the contour of the weld to be formed is traversed with a measuring device before welding and determines the distance between the tool and bearing surface of the clamping system used for the respective workpieces to be joined along the trainee weld. Thus, a locally adapted positioning of the tool and the web length can be achieved with an optimal distance between the support surface and the underside of the web. However, such a design requires complex trained drive spindles with independently controllable tool bar length and significantly more expensive tools. The use is only possible with two-sided accessibility of the workpieces, since a support of the workpieces on the drive spindle opposite arranged surfaces of the workpieces is required.

Bei einer anderen bekannten Möglichkeit werden Doppelschulterwerkzeuge eingesetzt, bei denen zwei Schultern mit ihren Stirnflächen gegenüberstehend angeordnet sind, beide Schultern jeweils durch den Steg verbunden sind und sich das Werkstück zwischen den Stirnflächen der Schultern befindet. An der der Antriebspindel gegenüberliegenden Stirnfläche, also an der Rückseite der Werkstücke kann so ein Wegfließen des Werkstoffs vermieden werden. Der Steg muss bei einer solchen Ausführung aber alle Kräfte und Momente übertragen, was zu einer hohen Belastung führt, die zusätzlich durch die in diesem Bereich auftretenden maximalen Temperaturen in ihrer Wirkung noch gesteigert wird.In another known possibility double shoulder tools are used in which two shoulders are arranged with their faces facing each other, both shoulders are respectively connected by the web and the workpiece is located between the end faces of the shoulders. At the opposite end of the drive spindle, so at the back of the workpieces so a flow of the material can be avoided. However, in such an embodiment, the web must transmit all forces and moments, which leads to a high load, which is additionally increased in its effect by the maximum temperatures occurring in this area.

Es sind auch Werkzeuge bekannt, bei denen auf der Rück- oder Unterseite der zu fügenden Werkstücke ein Werkzeug in Form eines Behältnisses eingesetzt wird, das keinen Kontakt zu dem Werkzeug hat, das mit der Antriebsspindel verbunden ist und das um den Steg ausgetriebenen Werkstoff auffängt und in den Prozess zurückpresst. Vorteil dieser Anordnung ist, dass der Steg vollständig durch das Werkstück durchdringen kann, was somit ein Lack of Penetration verhindert. Auch bei dieser Ausführung muss der Steg des Werkzeuges alle Kräfte und Momente übertragen. Es ist ein hoher Aufwand für die Führung der Werkzeuge erforderlich.There are also known tools in which on the back or bottom of the workpieces to be joined a tool in the form of a container is used, which has no contact with the tool, which is connected to the drive spindle and the material expelled around the web material and presses back into the process. Advantage of this arrangement is that the web can penetrate completely through the workpiece, thus preventing a Lack of Penetration. In this version too, the web of the tool must transfer all forces and moments. It takes a lot of effort to guide the tools.

Außerdem werden Werkzeuge in einer Tandemanordnung eingesetzt, die sich axial gegenüberstehen und unabhängig voneinander betrieben werden, s. [Thomas, W. M., Inalco 98, 7th. Intl. Conf. Cambridge UK, April 1998]. Dadurch kann das Werkstück von Ober- und Unterseite gleichzeitig geschweißt werden, Bindefehler können dabei lediglich in der Mitte der Werkstücke auftreten. Es sind aber generell zwei voneinander unabhängig betriebene Antriebsspindeln erforderlich und es werden hohe Anforderungen an die Führung der Werkzeuge gestellt.In addition, tools are used in a tandem arrangement that face each other axially and are operated independently of each other, s. [Thomas, W.M., Inalco 98, 7th. Intl. Conf. Cambridge UK, April 1998]. As a result, the workpiece can be welded simultaneously from the top and bottom, while binding errors can only occur in the middle of the workpieces. However, there are generally two independently operated drive spindles required and there are high demands on the leadership of the tools.

So ist aus JP 2001-112 271 A ein Rührreibschweißverfahren bekannt, bei dem zwei Werkzeuge genutzt werden.That's how it is JP 2001-112 271 A a friction stir welding known in which two tools are used.

Die WO 2012/162606 A1 betrifft eine Rührreibschweißvorrichtung, bei der Rührreibschweißwerkzeuge an einem Träger vorhanden sind.The WO 2012/162606 A1 relates to a friction stir welding apparatus in which friction stir welding tools are provided on a carrier.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten zur Vermeidung von Bindefehlern an den Schweißnähten beim Rührreibschweißen anzugeben, mit denen auch eine vereinfachte Führung der Werkzeuge und eine Reduzierung der auf die Werkzeuge wirkenden Kräfte und Momente erreicht werden können.It is therefore an object of the invention to provide ways to avoid binding defects at the welds in friction stir welding, with which also a simplified guidance of the tools and a reduction of the forces acting on the tools and moments can be achieved.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Werkzeuganordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.According to the invention, this object is achieved with a tool arrangement having the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the invention can be achieved with features described in the subordinate claims.

An der erfindungsgemäßen Werkzeuganordnung zum Rührreibschweißen sind mindestens zwei Doppelschulterwerkzeuge vorhanden, die in einem Abstand zueinander, bevorzugt in Vorschubachsrichtung, angeordnet sind. Dabei ist mindestens ein Doppelschulterwerkzeug mit einer rotierenden Antriebsspindel von einer Seite von miteinander zu verschweißenden Werkstücken angetrieben. Die Schultern der Doppelschulterwerkzeuge stehen jeweils in berührendem Kontakt mit einer Oberfläche der miteinander zu fügenden Werkstücke. Die Schultern der Doppelschulterwerkzeuge, die an der der mindestens einen Antriebspindel gegenüberliegenden Seite der Werkstücke angeordnet sind, sind an ihren von den Werkstücken abgewandten Stirnflächen mit einem Verbindungselement verbunden.At least two double shoulder tools are provided on the tool arrangement according to the invention for friction stir welding, which are arranged at a distance from one another, preferably in the feed axis direction. In this case, at least one double shoulder tool with a rotating drive spindle is driven from one side of workpieces to be welded together. The shoulders of the double shoulder tools are each in touching contact with a surface of the workpieces to be joined together. The shoulders of the double shoulder tools, which are arranged on the at least one drive spindle opposite side of the workpieces are connected at their remote from the workpieces faces with a connecting element.

In einer einfachen Ausführung kann ein Verbindungselement eine Traverse (Balken, Metallprofil) sein, in der die Schultern der Doppelschulterwerkzeuge drehbar gelagert sind, die an dieser Seite der Doppelschulterwerkzeuge angeordnet sind. Dabei sollte jedes Doppelschulterwerkzeug einzeln angetrieben oder zumindest mit einer eigenen Antriebsspindel verbunden sein.In a simple embodiment, a connecting element may be a traverse (bar, metal profile) in which the shoulders of the double shoulder tools are rotatably mounted, which are arranged on this side of the double shoulder tools. Each double shoulder tool should be driven individually or at least connected to its own drive spindle.

Das Verbindungselement kann aber auch in Form eines Getriebes oder mit einem Getriebe ausgebildet sein. Bei einer solchen Ausführung kann der Antrieb mit einer einzigen Antriebsspindel erfolgen, die an einem der Werkzeuge angreift. Das Drehmoment kann dann für das eine oder weitere Doppelschulterwerkzeug(e) über das Getriebe übertragen werden. Dabei kann durch eine Übersetzung eine Drehzahldifferenz an den Doppelschulterwerkzeugen oder es können unterschiedliche Drehrichtungen realisiert werden, was sich vorteilhaft auf die Qualität der auszubildenden Schweißnaht auswirken kann. Als Getriebe können reine Zahnradgetriebe aber auch Kombinationen mit Kette oder Zahnriemen eingesetzt werden.The connecting element can also be designed in the form of a transmission or with a transmission. In such an embodiment, the drive can be done with a single drive spindle, which acts on one of the tools. The torque may then be transmitted for the one or more double shoulder tool (s) via the transmission. In this case, by a translation, a speed difference at the double shoulder tools or different directions of rotation can be realized, which can advantageously affect the quality of the weld to be formed. As a gear pure gear transmission but also combinations with chain or toothed belt can be used.

Ein Verbindungselement kann vorteilhaft so ausgebildet sein, dass Oberflächenbereiche neben den werkstück-zugewandten Stirnflächen der Schultern der Doppelschulterwerkzeuge an der entsprechenden Oberfläche der Werkstücke anliegen und eine Auflage für die Werkstücke bilden. Dadurch kann auf eine zusätzliche Abstützung verzichtet werden und es können Schwingungen, die bei der Bearbeitung auftreten, besser kompensiert werden. Außerdem können dadurch die auf die Werkzeuge wirkenden Querkräfte und Momente reduziert werden.A connecting element can advantageously be designed so that surface areas adjacent to the workpiece-facing end faces of the shoulders of the double shoulder tools rest on the corresponding surface of the workpieces and form a support for the workpieces. This can be dispensed with an additional support and it can be better compensated for vibrations that occur during machining. In addition, this can be reduced by the lateral forces and moments acting on the tools.

In und/oder an einem Verbindungselement kann eine Kühlung vorhanden sein. Bei entsprechend dimensioniertem Verbindungselement kann eine Kühlung in das Verbindungselement integriert sein. Es kann eine kostengünstige Wasserkühlung eingesetzt werden.Cooling may be present in and / or on a connecting element. With a correspondingly dimensioned connecting element, cooling can be integrated into the connecting element. It can be used a cost-effective water cooling.

An einem Verbindungselement kann mindestens ein Führungselement vorhanden sein, das zumindest teilweise in berührendem Kontakt mit der Oberfläche mindestens eines der miteinander zu fügenden Werkstücke steht. Dadurch können unerwünschte Bewegungen und Schwingungen reduziert werden.At least one guide element may be present on a connecting element, which is at least partially in touching contact with the surface of at least one of the workpieces to be joined together. As a result, unwanted movements and vibrations can be reduced.

Die Stege zwischen den Schultern der Doppelschulterwerkzeuge können jeweils einen unterschiedlichen Außendurchmesser aufweisen. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Geschwindigkeiten, der sich drehenden Stege und es verändern sich die Reibverhältnisse und erreichbaren Temperaturen in den von den Stegen der Doppelschulterwerkzeuge bearbeiteten Bereichen im Fügespalt.The webs between the shoulders of the double shoulder tools can each have a different outer diameter. This results in different speeds, the rotating webs and it change the friction conditions and achievable temperatures in the machined by the webs of Doppelschulterwerkzeuge areas in the joint gap.

So kann der Steg eines Doppelschulterwerkzeugs, das in Vorschubachsrichtung hinter einem anderen Doppelschulterwerkzeug angeordnet ist, einen kleineren Außendurchmesser aufweisen, als an einem davor angeordneten Doppelschulterwerkzeug. Mit einem Doppelschulterwerkzeug dessen Steg einen größeren Außendurchmesser aufweist, können höhere Umformgrade und Temperaturen erreicht werden. Dementsprechend kann mit einem in Vorschubachsrichtung vorn angeordneten Doppelschulterwerkzeug eine Erwärmung durch Reibung und mit einem nachfolgend angeordneten Doppelschulterwerkzeug eine höhere Verformungsverfestigung des Werkstoffs erreicht werden.Thus, the web of a double shoulder tool, which is arranged in Vorschubachsrichtung behind another double shoulder tool, have a smaller outer diameter, as compared to a front mounted double shoulder tool. With a double shoulder tool whose web has a larger outer diameter, higher degrees of deformation and temperatures can be achieved. Accordingly, a heating by friction and with a subsequently arranged double shoulder tool a higher strain hardening of the material can be achieved with a feed axis in front arranged double shoulder tool.

Mit der Erfindung können die auf die Werkzeuge wirkenden Kräfte und Momente, insbesondere die Umlaufbiegung der Stege vergleichmäßigt bzw. reduziert werden.With the invention, the forces and moments acting on the tools, in particular the circumferential bending of the webs can be made uniform or reduced.

Außerdem können weitere Zusatzelemente an einem Verbindungselement ausgebildet oder angebracht sein, die mit der Werkzeuganordnung mitgeführt werden können.In addition, other additional elements may be formed or attached to a connecting element, which may be carried along with the tool assembly.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment.

Dabei zeigt:Showing:

1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Werkzeuganordnung für zwei zu fügende ebene Werkstücke. Zur besseren Sichtbarkeit ist die Anordnung entlang der Fügezone im Bereich des Eingriffs der Werkzeuge geschnitten dargestellt. 1 an example of a tool assembly according to the invention for two flat workpieces to be joined. For better visibility, the arrangement is shown cut along the joining zone in the region of the engagement of the tools.

Bei der in der 1 gezeigten Werkzeuganordnung sind zwei Doppelschulterwerkzeuge 1 und 2 jeweils mit einer Antriebsspindel 3 und 4 verbunden, deren Drehrichtung entgegengesetzt ist. Die oberen in Richtung der Antriebsspindeln 3 und 4 weisenden Schultern der Doppelschulterwerkzeuge 1 und 2 stehen in berührendem Kontakt mit der in diese Richtung weisenden Oberflächen der zu fügenden Werkstücke 5 und 6. Die unteren Schultern der Doppelschulterwerkzeuge 1 und 2 stehen in berührendem Kontakt mit der gegenüberliegenden Oberfläche der zu fügenden Werkstücke 5 und 6. An diesen beiden Schultern sind die beiden Doppelschulterwerkzeuge 1 und 2 mit dem Verbindungselement 7 verbunden, das in diesem Fall eine Traverse ist. Diese Schultern sind im Verbindungselement 7 drehbar gelagert, was mit einer Gleit- aber auch mit einer Wälzlagerung erreicht werden kann. Dazu können stiftförmige Erhebungen, die an der in Richtung Verbindungselement 7 weisenden Stirnfläche dieser Schultern jeweils in der Drehachse angeordnet sind, in entsprechend komplementär ausgebildete Aufnahmen im Verbindungselement 7 eingeführt sein. Die Lagerung bildet dabei eine zumindest nahezu spielfreie Aufnahme, die einer Biegung um die Drehachse der Doppelschulterwerkzeuge 1 und 2 entgegenwirkt.When in the 1 shown tool assembly are two double shoulder tools 1 and 2 each with a drive spindle 3 and 4 connected, whose direction of rotation is opposite. The upper in the direction of the drive spindles 3 and 4 pointing shoulders of double shoulder tools 1 and 2 are in touching contact with the facing in this direction surfaces of the workpieces to be joined 5 and 6 , The lower shoulders of the double shoulder tools 1 and 2 are in touching contact with the opposite surface of the workpieces to be joined 5 and 6 , At these two shoulders are the two double shoulder tools 1 and 2 with the connecting element 7 connected, which in this case is a Traverse. These shoulders are in the connecting element 7 rotatably mounted, which can be achieved with a sliding but also with a rolling bearing. These can be pin-shaped elevations, which are in the direction of connecting element 7 facing end face of these shoulders are each arranged in the axis of rotation, in accordance complementarily formed recordings in the connecting element 7 be introduced. The bearing thereby forms an at least almost play-free recording, which is a bend about the axis of rotation of the double shoulder tools 1 and 2 counteracts.

Das Verbindungselement 7 ist in diesem Fall ein einfacher Balken mit ausreichendem Widerstandsmoment, das eine Verformung verhindert. Es können aber auch anders gestaltete Metallprofile eingesetzt werden, die ebenfalls diese Anforderung erfüllen können.The connecting element 7 is in this case a simple beam with sufficient moment of resistance preventing deformation. But it can also be used differently shaped metal profiles, which can also meet this requirement.

In nicht dargestellter Form können am Verbindungselement 7 eine Kühlung, Führungselemente oder andere Zusatzelemente, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert, vorhanden sein.In not shown form can on the connecting element 7 a cooling, guide elements or other additional elements, as explained in the general part of the description, be present.

Das Verbindungselement 7 kann auch so ausgebildet sein, dass bestimmte Bereiche an der unteren Oberfläche der Werkstücke 5 und 6 anliegen. Dies können beispielsweise die Bereiche sein, die in Vorschubachsrichtung vorn und hinten angeordnet sind.The connecting element 7 can also be designed so that certain areas on the lower surface of the workpieces 5 and 6 issue. These may be, for example, the areas which are arranged in Vorschubachsrichtung front and rear.

In ebenfalls nicht dargestellter Form kann in das Verbindungselement 7 auch ein Getriebe integriert oder das Verbindungselement 7 als Getriebe ausgebildet sein. In diesem Fall kann auf eine Antriebspindel 3 oder 4 verzichtet werden.In likewise not shown form can in the connecting element 7 also integrated a gear or the connecting element 7 be designed as a transmission. In this case can be on a drive spindle 3 or 4 be waived.

Claims

Rührreibschweißen tool assembly with at least two double shoulder tools, which are arranged at a distance to each other and at least one double shoulder tool ( 1 . 2 ) with a rotating drive spindle ( 3 . 4 ) from one side of the workpieces to be welded together ( 5 . 6 ) and the shoulders of the double shoulder tools ( 1 . 2 ) are each in touching contact with a surface of the workpieces to be joined together, characterized in that the shoulders of the double shoulder tools ( 1 . 2 ), which at the at least one drive spindle ( 3 . 4 ) opposite side of the workpieces ( 5 . 6 ) are arranged, with a connecting element ( 7 ) are connected.

Tool arrangement according to claim 1, characterized in that the connecting element ( 7 ) is a traverse in which the shoulders of the double shoulder tools ( 1 . 2 ) are rotatably mounted.

Tool arrangement according to claim 1, characterized in that the connecting element ( 7 ) is designed in the form of a transmission or with a transmission.

Tool arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the double shoulder tools ( 1 . 2 ) are arranged in Vorschubachsrichtung at a distance from each other.

Tool arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the transmission is a speed difference and / or a reversal of the direction of rotation of the interconnected double shoulder tools ( 1 . 2 ) causes.

Tool arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a connecting element ( 7 ) is formed so that surface areas adjacent to the end faces of the shoulders of the double shoulder tools ( 1 . 2 ) on the corresponding surface of the workpieces ( 5 . 6 ) and form a support for the workpieces.

Tool arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that in and / or on a connecting element ( 7 ) cooling is present.

Tool arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that on a connecting element ( 7 ) at least one guide element is present, which at least partially in touching contact with the surface of at least one of the workpieces to be joined together ( 5 . 6 ) stands.

Tool arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the webs of the double shoulder tools ( 1 . 2 ) each have a different outer diameter between the shoulders.

Tool arrangement according to the preceding claim, characterized in that the web of a double shoulder tool ( 2 ), which in feed axial direction behind another double shoulder tool ( 1 ), has a smaller outer diameter than a double shoulder tool ( 1 ).

Tool arrangement according to claim 1, characterized in that the workpieces ( 5 . 6 ) facing side of the connecting element ( 7 ) at least at its lying in the feed direction edge ( 9 ) a bevel ( 8th ) having