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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Rührreibschweißen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Derartige Vorrichtungen zum Rührreibschweißen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Mittels einer solchen Vorrichtung kann Rührreibschweißen, das heißt ein Rührreibschweißverfahren durchgeführt werden, um beispielsweise wenigstens zwei Fügepartner durch Rührreibschweißen miteinander zu verbinden. Hierzu umfasst die Vorrichtung ein Werkzeug zum eigentlichen Durchführen des Rührreibschweißens. Ferner umfasst die Vorrichtung wenigstens ein mit dem Werkzeug gekoppeltes Führungselement, über welches das Werkzeug beim Rührreibschweißen zu führen ist. Beispielsweise kann das Führungselement an einem Roboter befestigt werden, sodass dann das Werkzeug unter Vermittlung des Führungselements an dem Roboter gehalten ist. Dadurch können das Führungselement und über dieses das Werkzeug mittels des Roboters im Raum umherbewegt und dadurch beispielsweise beim Rührreibschweißen geführt werden. Hierdurch kann beispielsweise eine Automatisierung des Rührreibschweißens realisiert werden.
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Ferner offenbart die
DE 37 31 725 A1 ein roboterführbares Schleifwerkzeug, wobei das Schleifwerkzeug elastisch und senkrecht zur Schleifebene einstellbar nachgiebig an einem zum Anschluss an einen Roboter dienenden Kupplungsflansch aufgehängt ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass das Rührreibschweißen besonders prozesssicher durchgeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass das Rührreibschweißen besonders prozesssicher durchgeführt werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Werkzeug an dem Führungselement unter Vermittlung eines dynamischen, haftreibungsfreien Stellelements angeordnet ist, dessen Dämpfung zum Dämpfen von Schwingungen des Werkzeugs beim Rührreibschweißen aktiv einstellbar ist. Mit anderen Worten ist das Stellelement als aktives Dämpfungselement ausgebildet, welches zwischen dem Werkzeug und dem Führungselement angeordnet ist, sodass das Werkzeug über das Stellelement an dem Führungselement angeordnet beziehungsweise gehalten ist. Dabei sind Schwingungen des Werkzeugs relativ zu dem Führungselement mittels des Stellelements zu dämpfen, wobei die für das Dämpfen der Schwingungen des Werkzeugs maßgebliche Dämpfung, das heißt die Nachgiebigkeit des Stellelements aktiv einstellbar ist.
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Unter dieser einstellbaren Dämpfung beziehungsweise Nachgiebigkeit ist beispielsweise ein Maß zu verstehen, um welches das Stellelement noch Schwingungen des Werkzeugs und somit Relativbewegungen zwischen dem Werkzeug und dem Führungselement beim Rührreibschweißen zulässt. Durch die einstellbare Dämpfung des Stellelements können beim Rührreibschweißen auftretende Kraftamplituden im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen reduziert beziehungsweise kompensiert werden, sodass eine besonders hohe Prozessstabilität, mit welcher das Rührreibschweißen durchführbar ist, realisiert werden kann. Im Hinblick auf das Rührreibschweißen von geometrisch komplexen Fügepartnern ist die Prozessstabilität entscheidend für eine optimale Schweißnaht. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das Fügen auch von komplexen rührreibgeschweißten Bauteilen verfügbar gemacht werden. Um die Schwingungen und somit Kraftamplituden besonders vorteilhaft dämpfen zu können, ist durch das Stellelement beispielsweise eine serielle oder parallele Kinematik, das heißt eine Serien- oder Parallelkinematik geschaffen, über welche Schwingungen des Werkzeugs relativ zum Führungselement effektiv gedämpft werden können.
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Der Erfindung liegt dabei folgende Erkenntnis zugrunde: Selbst bei modernen kraftgeregelten Manipulatoren zum Führen von Werkzeugen zum Rührreibschweißen tritt bei Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück, welches durch Rührreibschweißen mit einem weiteren Werkstück verbunden wird, eine stoßförmige Kontaktkraft auf, die beim Rührreibschweißen oft problematisch ist. Darüber hinaus existieren während des Fügens durch Rührreibschweißen prozessbedingt nieder- und hochfrequente Kraft-Amplituden, welche sich negativ auf die Prozessstabilität auswirken. Dadurch kommt es häufig zu einem Versagen des Prozesses. Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine definierte Kontaktkraft zwischen einem Fügepartner, welcher durch Rührreibschweißen mit einem weiteren Fügepartner verbunden wird, und einem Werkzeug, insbesondere dessen Pin und Schulter, beim Rührreibschweißen realisiert werden.
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Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung können dabei Kraftamplituden mithilfe der aktiven Nachgiebigkeit beziehungsweise mithilfe der aktiven Dämpfung des Stellelements reduziert werden. Demzufolge können das Eintauchen und das dynamische Verhalten des Werkzeugs beim Rührreibschweißen, welches auch als FSW-Fügen bezeichnet wird, verbessert werden, insbesondere wenn durch das Stellelement eine Serien- oder Parallelkinematik geschaffen ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in der einzigen Fig. eine schematische Seitenansicht auf eine Vorrichtung zum Rührreibschweißen, mit einem Werkzeug zum Durchführen des Rührreibschweißens, und mit wenigstens einem mit dem Werkzeug gekoppelten Führungselement, über welches das Werkzeug beim Rührreibschweißen zu führen ist, wobei das Werkzeug an dem Führungselement unter Vermittlung eines dynamischen, haftreibungsfreien Stellelements angeordnet ist, dessen Dämpfung zum Dämpfen von Schwingungen des Werkzeugs beim Rührreibschweißen aktiv einstellbar ist.
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Die einzige Fig. zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine Vorrichtung zum Rührreibschweißen. Mit anderen Worten wird die in der Fig. gezeigte Vorrichtung im Rahmen eines entsprechenden Verfahrens genutzt, um wenigstens zwei Fügepartner, insbesondere für einen Kraftwagen, durch Rührreibschweißen miteinander zu verbinden. Dabei umfasst die Vorrichtung ein Werkzeug 10, mittels welchem das eigentliche Rührreibschweißen im Rahmen des Verfahrens durchgeführt wird. Das Werkzeug 10 umfasst ein Werkzeugelement 12 und eine Spindel 14, mittels welcher das Werkzeugelement 12 antreibbar und dadurch um eine Drehachse drehbar ist. Das Werkzeugelement 12 ist somit ein rotierendes Werkzeug, welches mittels der Spindel 14 im Rahmen des Rührreibschweißens relativ zu den Fügepartnern gedreht wird. Dabei wird das sich relativ zu den Fügepartnern drehende Werkzeugelement 12 gegen die Fügepartner, insbesondere in einem Fügespalt zwischen den Fügepartnern, gedrückt. Da das Werkzeugelement 12 relativ zu den Fügepartnern gedreht wird, kommt es zu einer Reibung zwischen dem sich relativ zu den Fügepartnern drehenden Werkzeugelement 12 und den Fügepartnern, wodurch die Fügepartner beispielsweise bis kurz unter ihre jeweilige Schmelztemperatur erwärmt werden. Dies hat einen Festigkeitsabfall zur Folge, und das Werkzeugelement 12 kann in die Fügepartner eintauchen. Dabei wird der jeweilige Werkstoff der jeweiligen Fügepartner plastifiziert, wobei die Werkstoffe der Fügepartner mittels des Werkzeugelements 12 vermischt werden. Dann wird beispielsweise eine Vorschubbewegung des Werkzeugs 10 bewirkt. Im Rahmen dieser Vorschubbewegung wird das Werkzeug 10 relativ zu den Fügepartnern entlang einer vorgebbaren Bahn bewegt, sodass entlang dieser Bahn mittels des Werkzeugelements 12 eine Schweißnaht hergestellt wird, entlang welcher die Fügepartner durch das Rührreibschweißen stoffschlüssig miteinander verbunden, das heißt gefügt werden.
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Um das Rührreibschweißen besonders zeit- und kostengünstig durchzuführen, kommt beispielsweise ein Roboter wie beispielsweise ein Industrieroboter zum Einsatz, mittels welchem das Werkzeug 10 beim Rührreibschweißen geführt wird. Dabei umfasst die Vorrichtung ein mit dem Werkzeug 10 gekoppeltes Führungselement 16, über welches das Werkzeug 10 beim Rührreibschweißen zu führen ist beziehungsweise geführt wird. Beispielsweise ist das Führungselement 16 an dem Roboter, insbesondere an einem Manipulator des Roboters, gehalten, sodass das Führungselement 16 und über dieses das Werkzeug 10 mittels des Roboters im Raum umher und dadurch relativ zu den Fügepartnern bewegt beziehungsweise geführt werden können.
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Um nun das Rührreibschweißen besonders prozesssicher durchführen zu können, umfasst die Vorrichtung wenigstens ein Stellelement 18. Vorliegend umfasst die Vorrichtung zwei Stellelemente 18. Dabei ist das Werkzeug 10 an dem Führungselement 16 unter Vermittlung der dynamischen, haftreibungsfreien Stellelemente 18 angeordnet, deren jeweilige Nachgiebigkeit und somit Dämpfung zum Dämpfen von Schwingungen des Werkzeugs 10 beim Rührreibschweißen aktiv einstellbar sind. Aus der Fig. ist erkennbar, dass das Werkzeug 10 über die Stellelemente 18 an dem Führungselement 16 gehalten ist, wobei vorliegend durch die Stellelemente 18 eine parallele Kinematik, das heißt eine Parallelkinematik geschaffen ist, mittels welcher Schwingungen des Werkzeugs 10 relativ zum Führungselement 16 effektiv gedämpft werden können. Die Nachgiebigkeit der Stellelemente 18 ist ein Maß, um welches die Stellelemente 18 Schwingungen und somit Relativbewegungen zwischen dem Werkzeug 10 und dem Führungselement 16 zulassen, wobei diese Nachgiebigkeit aktiv und beispielsweise gesteuert oder geregelt einstellbar ist beziehungsweise im Rahmen des Verfahrens eingestellt wird.
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Die Stellelemente 18 bilden dabei eine mechanische Konstruktion, die wenigstens ein dynamisches, haftreibungsfreies Stellelement 18 umfasst. Ferner bilden die Stellelemente 18 eine Führungseinrichtung, welche alle Bewegungsfreiheitsgrade des Werkzeugs 10 relativ zum Führungselement 16 mit Ausnahme der axialen Bewegbarkeit des Werkzeugs 10 relativ zum Führungselement 16 sperrt. Unter den Bewegungsfreiheitsgraden sind Freiheitsgrade zu verstehen, entlang welchen das Werkzeug 10 relativ zum Führungselement 16 bewegbar ist. Dabei lassen die dynamischen, haftreibungsfreien Stellelemente 18 eine axiale Bewegung des Werkzeugs 10 relativ zum Führungselement 16 zu, wobei diese axiale Bewegbarkeit des Werkzeugs 10 relativ zum Führungselement 16 in der Fig. durch einen Doppelpfeil 20 veranschaulicht ist. Dies bedeutet, dass der Doppelpfeil 20 den Bewegungsfreiheitsgrad veranschaulicht, den die Stellelemente 18 freigeben.
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Ferner ist eine mechanische Schnittstelle 22 vorgesehen, über welche die Stellelemente 18 beziehungsweise die durch die Stellelemente 18 gebildete Kinematik mit dem Führungselement 16 gekoppelt ist. Darüber hinaus ist eine mechanische Schnittstelle 24 vorgesehen, über welche die Stellelemente 18 beziehungsweise die durch die Stellelemente 18 gebildete Kinematik mit dem Werkzeug 10 gekoppelt ist. Beispielsweise ist die mechanische Schnittstelle 24 zur Aufnahme des Werkzeugs 10, insbesondere der Spindel 14, ausgebildet. Zwischen den Schnittstellen 22 und 24 sind die haftreibungsfreien, dynamischen Stellelemente 18 angeordnet. In der Fig. sind beispielhaft zwei Stellelemente 18 dargestellt. Alternativ dazu ist es möglich, genau ein dynamisches, haftreibungsfreies Stellelement oder mehr als zwei dynamische, haftreibungsfreie Stellelemente einzusetzen.
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Beim Führen des Werkzeugs 10 kann die Dämpfung beziehungsweise die aktive Nachgiebigkeit der Stellelemente 18 und somit der durch die Stellelemente 18 gebildeten Kinematik ruckfrei eingestellt, insbesondere geregelt, werden. Das ruckfreie Einstellen ist insbesondere möglich, da die Stellelemente 18 haftreibungsfrei sind. Durch eine entsprechende Ansteuerung oder Regelung kann die Dämpfung beziehungsweise die Nachgiebigkeit der Kinematik an auftretende Störgrößen des Rührreibschweißprozesses angepasst werden. Darüber hinaus kann eine Vorsteuerung zur Kompensation von Störgrößen in einen Regelalgorithmus integriert werden. Ziel dabei ist es, die Vorrichtung derart auszugestalten und insbesondere die Dämpfung beziehungsweise Nachgiebigkeit der Stellelemente 18 derart einzustellen, dass Kraftamplituden gering gehalten werden und eine Entkopplung zwischen Fügepartnern, Werkzeug 10 und Kinematik beim Rührreibschweißen erreicht wird. Alternativ zur vorliegend gebildeten Parallelkinematik ist die Realisierung einer Serien- oder Seriellkinematik denkbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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