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GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fügewerkzeug. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein modifiziertes Rührreibschweißverfahren, bei dem das Rührreibschweiß-Werkzeug während des Fügevorgangs zu hochfrequenten torsionalen Schwingungen angeregt wird.
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STAND DER TECHNIK
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Ein Rührreibschweißverfahren, bei dem die Drehrichtung des Rührreibschweiß-Werkzeugs während des Fügevorgangs umgekehrt wird, ist aus der
WO 9638256 A1 bekannt.
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Ferner ist aus der
EP 1930148 A1 eine Vorrichtung zum torsionalen Ultraschallschweißen bekannt, bei der ein rohrförmiger Aktor mit torsionalen Schwingungen beaufschlagt und auf die zu fügenden Werkstücke gepresst wird, um diese zu verschweißen.
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Aus der
DE 102008052326 A1 ist ein Werkzeughalter bekannt, in dem ein piezoelektrischer Scherwandler eine Torsionsschwingung um die Längsachse des Halters erzeugt, um Schnittkräfte bei der spanenden Bearbeitung zu reduzieren.
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Aus der
KR 20010019231 A ist eine Vorrichtung zur Beaufschlagung eines Aktors eines Ultraschall-Schweißgeräts mit einer Torsionsschwingung bekannt, in der Ultraschall-Aktuatoren senkrecht zur Werkzeugachse angebracht werden, um eine Torsionsschwingung zu erzeugen.
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Park, K. (Development and Analysis of Ultrasonic Assisted Friction Stir Welding Process, Diss. University of Michigan, 2009) beschreibt einen Versuchsaufbau für das Rührreibschweißen von Aluminium, in dem das Rührreibschweiß-Werkzeug senkrecht zur Längsachse zu Schwingungen angeregt wird, sodass es zusätzlich zur Rotation translatorisch in Vorschubrichtung schwingt, wodurch eine Reduktion der Anpresskraft und eine Erhöhung der Prozesstemperatur erreicht werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine modifizierte Vorrichtung und ein modifiziertes Verfahren zum Fügen von Werkstücken vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Zeichnungen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Führungseinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, eine an der Führungseinrichtung befestigte Werkzeugaufnahme entlang eines von einer Steuereinrichtung vorgegebenen Pfades zu bewegen, oder, welche dazu eingerichtet ist, eine Werkstückaufnahme entlang eines von der Steuereinrichtung vorgegebenen Pfades relativ zur Werkzeugaufnahme zu bewegen, ein Werkzeug, welches um eine Achse drehbar in der Werkzeugaufnahme gelagert ist, und einen mit der Werkzeugaufnahme in Wirkverbindung stehenden, insbesondere einen an der Werkzeugaufnahme befestigten Aktor, welcher dazu eingerichtet ist, eine Drehung des Werkzeugs um die Achse anzutreiben, wobei der Aktor ferner dazu eingerichtet ist, eine Drehrichtung des Werkzeugs mit einer Frequenz von mehr als 100 Hz und vorzugsweise von mehr als 10 kHz periodisch umzukehren.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt somit, eine erste Verbindungsfläche eines ersten Werkstücks und eine zweite Verbindungsfläche eines zweiten Werkstücks, welche beispielsweise in der Werkstückaufnahme aneinander anliegen und vorzugsweise in Kontaktrichtung mit Druck beaufschlagt sind, durch eine Bewegung des rotierenden Werkzeugs relativ zu den Werkstücken entlang der Verbindungsflächen zu plastifizieren und zu verbinden.
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Durch das Erzeugen von hochfrequenten, mechanischen Schwingungen des Werkzeugs kann im Vergleich zu (herkömmlichen) Rührreibschweiß-Vorrichtungen der Anpressdruck verringert werden. Durch die Verringerung des Anpressdrucks kann der Einsatzbereich hinsichtlich der zu fügenden Materialien bzw. deren Stärken vergrößert werden. Ferner werden die beim Werkzeug- oder Werkstückvorschub aufzuwendenden Kräfte reduziert, wodurch der Vorschubantrieb schwächer und kostengünstiger ausgelegt werden kann.
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Zudem kann bei den geringen Amplituden der hochfrequenten Drehschwingung, welche vorzugsweise im Bereich von weniger als 10° liegen, ein nicht-rotationssymmetrisches Werkzeug verwendet werden. Dadurch kann die Vorrichtung zum Fügen komplexer Stoß-Geometrien verwendet werden, wie etwa bei Kehlnähten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Werkzeug einen Basisabschnitt auf, von dem sich ein länglicher Fortsatz entlang der Achse erstreckt, wobei der Fortsatz vorzugsweise spiegelsymmetrisch zu einer Ebene ist, in der die Achse liegt.
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Der Fortsatz erlaubt es, die Verbindungsflächen großflächiger zu verbinden, indem er während des Fügens zwischen die aneinander gepressten Verbindungsflächen eintaucht und dadurch (Kontaktflächen-nahe) Bereiche erwärmen und plastifizieren kann, die von der Auflagefläche des Basisabschnitts des Werkzeugs auf den Werkstücken entfernt sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Werkzeug ein Rührreibschweiß-Werkzeug.
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Rührreibschweiß-Werkzeuge ermöglichen eine dauerhafte und widerstandsfähige Verbindung der Verbindungsflächen, indem das erste Werkstück und das zweite Werkstück entlang der Verbindungsflächen „verzahnt” werden. Um eine gewünschte Verzahnung zu erreichen, kann die Amplitude und Frequenz des rotatorisch oszillierenden Aktors an das zu bearbeitende Material angepasst werden. Die Vorrichtung kann dazu vorzugsweise mit einer Steuerung versehen sein, welche dazu eingerichtet ist, Amplitude und Frequenz des rotatorisch oszillierenden Aktors in Abhängigkeit eines Materials oder einer Materialkombination der Werkstücke zu steuern, wobei die Steuerung vorzugsweise dazu eingerichtet ist, eine Vielzahl an Parametersätzen zu speichern.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Werkzeug als Sonotrode, vorzugsweise als Torsionssonotrode ausgebildet.
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Durch das Ausbilden des Werkzeugs als Sonotrode kann dieses weitgehend verschleißfrei betrieben und bei Bedarf aufwandsarm ausgetauscht werden. Dies erhöht die Verfügbarkeit der Vorrichtung und reduziert den zu betreibenden Wartungsaufwand.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der rotatorisch oszillierende Aktor mindestens ein piezoelektrisches Element, vorzugsweise mindestens einen piezoelektrischen Scherwandler.
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Die Verwendung von piezoelektrischen Elementen ermöglicht eine gute Abstimmbarkeit der Frequenz in Bezug auf unterschiedliche Materialien und Materialkombinationen der Werkstücke. Die Verwendung gestapelter piezoelektrischer Elemente ermöglicht zudem eine Abstimmbarkeit der Amplitude, indem, je nach gewünschter Amplitude, eine unterschiedliche Spannung an das piezoelektrische Element angelegt wird oder eine unterschiedliche Anzahl an piezoelektrischen Elementen eines Stapels synchron betrieben werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte des Anlegens einer ersten Verbindungsfläche eines ersten Werkstücks an eine zweite Verbindungsfläche eines zweiten Werkstücks, das Erwärmen eines an die erste Verbindungsfläche angrenzenden Bereichs des ersten Werkstücks und eines an die zweite Verbindungsfläche angrenzenden Bereichs des zweiten Werkstücks durch Erzeugen von Reibungswärme durch Anpressen eines rotierenden Werkzeugs an die Bereiche, wobei die Drehrichtung des Werkzeugs während des Fügevorgangs periodisch umgekehrt wird, wobei die periodische Umkehr der Drehrichtung mit einer Frequenz von mehr als 100 Hz und vorzugsweise von mehr als 10 kHz erfolgt.
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Durch Rotation und Druck des Werkzeugs wird Reibungswärme erzeugt, wodurch die an die Kontaktstelle zwischen Werkstücken und Werkzeug angrenzenden Bereiche plastifizieren und eine dauerhafte Verbindung eingehen. Je nach Materialart und Materialstärke sowie der gewünschten Haltbarkeit der Verbindung kann das (Stoß-an-Stoß) Anlegen der ersten Verbindungsfläche des ersten Werkstücks an die zweite Verbindungsfläche des zweiten Werkstücks mit einem vorbestimmten Druck erfolgen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Werkzeug während des Fügevorgangs entlang eines durch die Verbindungsflächen gebildeten Stoßes geführt.
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Durch das Führen des Werkzeugs entlang des Stoßes, d. h. entlang der Verbindungsflächen, wird eine durchgehende (kontinuierliche und nicht nur punktförmige) Verbindung der Verbindungsflächen und damit eine höhere Beständigkeit der Verbindung erreicht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Werkzeug einen Basisabschnitt und einen sich von diesem Basisabschnitt erstreckenden Fortsatz auf, welcher während des Fügevorgangs zwischen die aneinander gepressten Verbindungsflächen eintaucht.
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Der Fortsatz, welcher als Schweißstift dient, taucht in das durch den Druck und die Rotation des Werkzeugs erweichte, plastifizierte Material der Werkstücke und erzeugt durch seine Kontur und die Rotation eine homogene Vermischung entlang der Verbindungsflächen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Werkzeug als Sonotrode, vorzugsweise als Torsionssonotrode ausgebildet.
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Wie oben ausgeführt, kann das Werkzeug als Sonotrode weitgehend verschleißfrei betrieben und bei Bedarf problemlos ausgetauscht werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird die periodische Umkehr der Drehrichtung des Werkzeugs mit einem rotatorisch oszillierenden Aktor bewirkt, welcher vorzugsweise ein piezoelektrisches Element und besonders vorzugsweise einen piezoelektrischen Scherwandler umfasst.
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Der rotatorisch oszillierende Aktor und insbesondere das piezoelektrische Element ist in bestehende Anlagentechnik integrierbar, so dass das erfindungsgemäße Verfahren kostengünstig anwendbar ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Ein Ausführungsbeispiel wird Bezug nehmend auf die beiliegende Zeichnung erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Verwendung in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die in 1 gezeigte Vorrichtung 10 umfasst eine Führungseinrichtung 12, welche mit einem Gehäuse (nicht gezeigt) der Vorrichtung 10 verbunden ist. Die Führungseinrichtung 12 umfasst einen Roboterarm, der mehrere Gelenke aufweist, welche es erlauben, eine an der Führungseinrichtung 12 befestigte Werkzeugaufnahme 14 entlang eines von einer Steuereinrichtung (nicht gezeigt) vorgegebenen Pfades zu bewegen und die Werkzeugaufnahme 14 dreidimensional auszurichten. Die Vorrichtung 10 umfasst ferner eine Werkstückaufnahme 16a, 16b, welche zwei in der Werkstückaufnahme 16a, 16b angeordnete Werkstücke 18, 20 gegeneinander presst.
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An der Werkzeugaufnahme 14 ist ein Werkzeug 22 befestigt, welches um eine Achse 24 drehbar in der Werkzeugaufnahme 14 gelagert ist. Die drehbare Lagerung ist durch eine mit Kugellagern versehene Welle 26 realisiert, deren erstes Ende mit der Werkzeugaufnahme 14 und deren anderes Ende mit dem Werkzeug 22 verbunden ist. Zwischen Werkzeugaufnahme 14 und Werkzeug 22 ist ferner ein piezoelektrischer Scherwandler 28 vorgesehen, der die Drehung des Werkzeugs 22 um die Achse 24 antreibt. Der piezoelektrische Scherwandler 28, ist dazu eingerichtet, eine Drehrichtung des Werkzeugs 22 mit einer Frequenz von 20 kHz periodisch umzukehren, wobei auch größere oder kleinere Frequenzen möglich sind.
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Das Werkzeug 22 umfasst einen Basisabschnitt 30, von dem sich ein länglicher Fortsatz 32 entlang der Achse 24 erstreckt. Der Fortsatz 32 ist spiegelsymmetrisch zu einer zu den Kontaktflächen 34, 36 der Werkstücke 18, 20 parallelen Ebene, in der die Achse 24 liegt. Das Werkzeug 22 umfasst eine Werkzeugschulter 38, welche beim Fügen auf die Werkstücke 18, 20 gepresst wird, während der Fortsatz 32 zwischen bzw. in die aneinandergepressten Werkstücke 18, 20 eintaucht.
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Das Werkzeug 22 wird von der Führungseinrichtung 12 solange in einer bestimmten Position gehalten, bis genug Hitze generiert wird, dass die an die Verbindungsflächen 34, 36 unmittelbar anschließenden Bereiche plastifizieren. Anschließend startet die Führungseinrichtung 12 eine translatorische Bewegung. Dabei erzeugt der Fortsatz 32 (Schweißstift) durch seine Kontur und Rotation eine homogene Vermischung oder Verzahnung des Materials der Werkstücke 18, 20 entlang der Verbindungsflächen 34, 36. Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Werkstücke 18, 20 derart an den Verbindungsflächen 34, 36 plastifiziert, dass der plastifizierte Werkstoff im Wesentlichen gleichmäßig über beide Werkzeugflanken symmetrisch an den Werkzeugnachlauf geführt wird. Am Ende der Schweißnaht wird die translatorische Bewegung gestoppt und das Werkzeug 22 wird nach oben verfahren, wobei der Fortsatz 32 aus dem Fügespalt herausgezogen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 12
- Führungseinrichtung
- 14
- Werkzeugaufnahme
- 16a
- Werkstückaufnahme
- 16b
- Werkstückaufnahme
- 18
- Werkstück
- 20
- Werkstück
- 22
- Werkzeug
- 24
- Achse
- 26
- Welle
- 28
- Scherwandler
- 30
- Basisabschnitt
- 32
- Fortsatz
- 34
- Verbindungsfläche
- 36
- Verbindungsfläche
- 38
- Werkzeugschulter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 9638256 A1 [0002]
- EP 1930148 A1 [0003]
- DE 102008052326 A1 [0004]
- KR 20010019231 A [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Park, K. (Development and Analysis of Ultrasonic Assisted Friction Stir Welding Process, Diss. University of Michigan, 2009) [0006]
