DE102016119062A1 - Rührreibschweißtechnologie zum Verbinden von Bauteilen aus unterschiedlichen Materialien - Google Patents

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Abstract

Die Offenbarung betrifft eine Technologie zum Verbinden mindestens zweier Bauteile (120, 130) durch Rührreibschweißen (FSW). Sie umfasst ein Verfahren, eine Bauteilaufnahme (161) und eine Bearbeitungsstation (60). Ein erstes und ein zweites Bauteil (120, 130) werden in Kontakt mit der Bauteilaufnahme (161) unter Bildung eines Stumpf-Stoßes zwischen einer ersten Stoßkante (121) des ersten Bauteils (120) und einer zweiten Stoßkante (131) des zweiten Bauteils (130) positioniert. Der Verlauf des Stump-Stoßes überlappt mit dem Verlauf einer Ausnehmung (165) in der Bauteilaufnahme (161). Eine FSW-Schweißverbindung (150) wird zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil (120, 130) unter Verwendung eines FSW-Werkzeugs (110) und Führung des FSW-Werkzeugs (110) entlang dem Verlauf des Stumpf-Stoßes hergestellt, wobei plastifiziertes Material (140) in die Ausnehmung (165) in der Bauteilaufnahme (161) gefördert und dort zu einer profilierten Nahtüberhöhung (144) geformt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Technologie zum Verbinden von Bauteilen durch Rührreibschweißen, wobei die Bauteile aus gleichen oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen können.
  • Die vorliegend offenbarte Technologie umfasst zumindest ein Schweißverfahren, eine durch das Schweißverfahren hergestellte Bauteilverbindung, ein Rührreibschweißwerkzeug sowie eine Bearbeitungsvorrichtung zur Durchführung des Schweißverfahrens mit den jeweiligen Merkmalen im Oberbegriff der eigenständigen Ansprüche.
  • Das Rührreibschweißen, hier auch als FSW bezeichnet (FSW = Friction Stir Welding), ist in der Praxis grundsätzlich bekannt. Bei bekannten FSW-Prozessen werden zwei zu verbindende Bauteile durch Stoffschluss miteinander verbunden. Die Bauteile werden so zueinander positioniert, dass eine definierte Stoßfuge gebildet wird. Ein FSW-Werkzeug, das einen rotierenden Schweißstift und eine ebenfalls rotierende Schulter aufweist, wird mit dem Schweißstift an die Oberfläche beider Bauteile im Bereich der Stoßfuge geführt. Durch den reibenden Kontakt des FSW-Werkzeugs an der Oberfläche wird das Material der Bauteile in der Nähe der Kontaktzone erwärmt und zwar so lange, bis das Material beider Bauteile plastifiziert, d.h. aufgeweicht ist. Hierbei tritt in der Regel kein Aufschmelzen des Materials auf. Das Material beider Bauteile bleibt in der (plastifizierten) Festphase.
  • Durch einen Vorschub des FSW-Werkzeugs entlang der Stoßfuge (Schweißrichtung) und eine Rotation des Schweißstifts, wird bei den bekannten Verfahren das plastifizierte Material beider Bauteile um den Schweißstift herum transportiert und vermengt. In der Schweißrichtung hinter dem FSW-Werkzeug bildet sich eine geschlossene Schweißnaht aus dem vermengten plastifizierten Material beider Bauteile.
  • Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist auf das Verbinden von Bauteilen aus unterschiedlichen Materialien gerichtet.
  • Die bisher bekannten FSW-Prozesse dienen mehrheitlich zur Verbindung von Bauteilen aus identischen Materialien oder aus ähnlichen Legierungen desselben Basis-Metallwerkstoffs, insbesondere aus Aluminium bzw. Aluminium-Legierungen. Ferner wurden vereinzelt Bauteile aus demselben Basis-Metallwerkstoff oder aus unterschiedlichen Basis-Metallwerkstoffen und mit jeweils gleichen oder sehr ähnlichen Schmelzpunkten durch Rührreibschweißen verbunden.
  • Die Offenbarung gemäß dem ersten Aspekt folgt dem Ziel, eine verbesserte FSW-Technologie aufzuzeigen, die eine breitere Anwendbarkeit des Rührreibschweißens für unterschiedliche Materialkombinationen bietet.
  • Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft das Herstellen von Schweißverbindungen durch Rührreibschweißen, wenn besondere Anforderungen an die Schweißnaht hinsichtlich des Aussehens oder der Beschaffenheit der Schweißnahtoberfläche auf der Sichtseite gestellt werden.
  • Die Offenbarung gemäß dem zweiten Aspekt hat die Aufgabe, eine FSW-Technologie aufzuzeigen, mit der Schweißnahtoberflächen auf der Sichtseite einer FSW-Schweißnaht mit besonderen Eigenschaften hinsichtlich Aussehen und/oder Nachbearbeitbarkeit und/oder Nahtgefüge zielgerichtet herstellbar sind.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale in den eigenständigen Ansprüchen.
  • Die vorgenannten Aspekte der vorliegenden Offenbarung können jeweils für sich allein oder in Kombination genutzt werden. Die offenbarten Merkmale können einen Beitrag zur Lösung der Aufgaben in beiden Aspekten leisten und sind dementsprechend beliebig kombinierbar.
  • Das Rührreibschweißverfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung dient zum Verbinden zweier Bauteile, wobei das erste Bauteil aus einem Material mit einer ersten niedrigen Schmelztemperatur und das zweite Bauteil aus einem Material mit einer zweiten und deutlich höheren Schmelztemperatur bestehen. Insbesondere kann das Material des ersten Bauteils in einem Temperaturbereich plastifiziert werden, der unterhalb des Temperaturbereichs liegt, der zum Plastifizieren des Materials des zweiten Bauteils erforderlich wäre. Andererseits kann der Unterschied zwischen den Schmelzpunkten so hoch sein, dass bei Erreichen des Temperaturbereichs, in dem das Material des zweiten Bauteils plastifizierbar wäre, bereits der Schmelzpunkt des Materials des ersten Bauteils überschritten wäre.
  • Das erste Bauteil kann beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung bestehen. Das zweite Bauteil kann aus einem Stahlwerkstoff bestehen. Daneben sind weitere Materialkombinationen möglich.
  • Das Rührreibschweißverfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst zumindest die nachfolgenden Schritte, die in der angegebenen oder einer etwaig anderen Reihenfolge ausgeführt werden können.
  • Das erste und das zweite Bauteil werden unter Bildung eines Stumpf-Stoßes zwischen einer ersten Stoßkante des ersten Bauteils und einer zweiten Stoßkante des zweiten Bauteils positioniert. Die Positionierung kann auf beliebige Weise geschehen, beispielsweise durch eine geeignete Bauteilaufnahme mit einer Spannvorrichtung.
  • Das erste Bauteil wird durch ein Rührreibschweißwerkzeug (FSW-Werkzeug) kontaktiert und zwar bevorzugt in einem Oberflächenbereich neben der Stoßfuge.
  • Das Material des ersten Bauteils wird plastifiziert und der Schweißstift des FSW-Werkzeugs wird in das Material des ersten Bauteils eingetaucht, insbesondere bis die Schulter des FSW-Werkzeugs an der Außenoberfläche des ersten Bauteils anliegt.
  • Der Schweißstift des FSW-Werkzeugs wird im Wesentlichen senkrecht auf die zweite Stoßkante des zweiten Bauteils zubewegt und an diese angepresst. Gleichzeitig werden der Schweißstift und die Schulter des FSW-Werkzeugs in Rotation gehalten, wobei ggf. weiteres Material des ersten Bauteils plastifiziert wird.
  • Das FSW-Werkzeug und insbesondere der Schweißstift werden entlang der zweiten Stoßkante des zweiten Bauteils geführt, wobei der Verlauf der Stoßkante die Schweißrichtung bzw. Schweißbahn definiert.
  • Das Rührreibschweißverfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann bevorzugt vollständig ohne eine Plastifizierung des Materials des zweiten Bauteils ausgeführt werden. Wie nachfolgend im Detail ausgeführt wird, können in einer durch das vorliegende Verfahren gebildeten Schweißverbindung gute Festigkeitseigenschaften erzeugt werden, die anteilig oder überwiegend auf der Bildung eines Formschlusses zwischen der Schweißnaht und dem zweiten Bauteil und ggf. auf Diffusionsvorgängen beruhen.
  • Eine Schweißverbindung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil ausgebildet, die aus Materialien mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen bestehen. Zwischen den Bauteilen liegt eine durch Rührreibschweißen erzeugte Schweißnaht vor, die im Wesentlichen aus plastifiziertem und wieder erstarrtem Material des ersten Bauteils besteht. An dem zweiten Bauteil liegt eine Stoßkante vor, die durch Formschluss in der Schweißnaht eingebettet ist. Ggf. kann in der Schweißnaht ein plastifiziertes und wieder erstarrtes Material eines Zusatzwerkstoffs enthalten sein, der sich von dem Material des zweiten Bauteils unterscheidet und insbesondere eine Schmelztemperatur aufweist, die der Schmelztemperatur des Materials des ersten Bauteils entspricht oder nahe liegt.
  • Ein Rührreibschweißverfahren gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst zumindest die nachfolgenden Schritte, die in der angegebenen oder einer etwaig anderen Reihenfolge ausgeführt werden können.
  • Ein erstes und ein zweites Bauteil werden in Kontakt mit einer Bauteilaufnahme und unter Bildung eines Stumpf-Stoßes zwischen einer ersten Stoßkante des ersten Bauteils und einer zweiten Stoßkante des zweiten Bauteils positioniert und bevorzugt in dieser Lage fixiert. In der Bauteilaufnahme ist eine Ausnehmung vorgesehen, deren Verlauf mit dem Verlauf des Stumpf-Stoßes überlappt. Insbesondere können die Verläufe der Ausnehmung und des Stumpf-Stoßes identisch sein. Die Bauteilaufnahme weist zumindest im Bereich neben der Stoßfuge eine im Wesentlichen ebene Anlagefläche zur Abstützung der Bauteile auf. Die Ausnehmung ist gegenüber dieser Anlagefläche zurückversetzt. Sie kann nutförmig ausgebildet sein und verschiedene Querschnittsformen haben, die weiter unten erläutert werden. Alternativ kann die Ausnehmung auf der vom FSW-Werkzeug bzw. von den Bauteilen abgewandten Seite geöffnet sein, sodass ein etwaiger Überschuss an plastifiziertem Material nach außen hin entweichen kann. Die Formgebung der Ausnehmung steht in Relation zu der zu erwartenden Größe der Schweißnaht, insbesondere steht eine Profiltiefe der Ausnehmung in einem Verhältnis zur Wandstärke der Bauteile und eine Profilbreite der Ausnehmung steht in einem Verhältnis zur erwarteten Nahtwurzelbreite der Schweißnaht.
  • Das erste und das zweite Bauteil können bevorzugt aus einem Metall oder Kunststoff bestehen. Die Grundform des ersten und des zweiten Bauteils im Bereich der Stoßfuge ist bevorzugt platten- oder blechförmig. Die zu verbindenden Materialabschnitte können bspw. platten- oder blechförmige Stege von Profilen sein. Alternativ sind beliebige andere Bauteilformen möglich, zwischen denen ein Stumpfstoß gebildet werden kann, unter dem ausreichender Freiraum vorliegt.
  • Zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil wird unter Verwendung eines FSW-Werkzeugs eine FSW-Schweißverbindung hergestellt, wobei das FSW-Werkzeug entlang dem Verlauf des Stumpf-Stoßes (und damit entlang dem Verlauf der Ausnehmung) geführt wird. Mit anderen Worten stimmt der Verlauf der Schweißbahn mit dem Verlauf des Stumpf-Stoßes und dem Verlauf der Ausnehmung überein. Durch das FSW-Werkzeug wird zumindest das Material eines der Bauteile, bevorzugt das Material beider Bauteile plastifiziert, und zwar ohne dass es zu einem Aufschmelzen der Materialien kommt. Ein Teil des plastifizierten Materials wird in die Ausnehmung in der Bauteilaufnahme gefördert und dort geformt. Die Formung des plastifizierten Materials erfolgt bevorzugt unter anliegenden Kontakt des Materials mit einer Kontur der Ausnehmung. Die Formung erfolgt insbesondere zur Bildung einer profilierten Nahtüberhöhung. Die profilierte Nahtüberhöhung wird im Wesentlichen als Negativform der Ausnehmung gebildet. Das Ausmaß des Kontakts zwischen dem plastifizierten Material und der Ausnehmung kann weitgehend durch die Formgebung der Ausnehmung gesteuert werden, was weiter unten erläutert wird.
  • Die in der Ausnehmung gebildete Nahtüberhöhung weist eine Querschnittsform auf, die durch das Querschnittsprofil der Ausnehmung in definierter Weise vorgegeben ist. Es handelt sich somit um eine profilierte Nahtüberhöhung, bei der insbesondere zumindest eine Überstandsbreite oder eine Überstandshöhe oder ein Ansatzbereich der Nahtüberhöhung gemäß der Formgebung der Ausnehmung geformt ist.
  • Die profilierte Nahtüberhöhung kann an dem gefügten Werkstück in verschiedener Weise positiv genutzt werden. Einerseits ist es möglich, die Nahüberhöhung unter Vorgabe (vergleichsweise geringen) Überstandshöhe und/oder einer vergleichsweise geringen Überstandbreite der Nahtüberhöhung zu formen. Die Überstandshöhe und/oder Überstandsbreite kann insbesondere derart gewählt sein, dass eine nachfolgende Abtragung der Nahtüberhöhung mit nur einem nachfolgenden Arbeitsschritt möglich ist, bspw. durch ein Fräswerkzeug. Weiterhin kann die Überstandshöhe derart gewählt sein, dass etwaig auftretende Vermischungs-Fehlzonen im Randbereich der Schweißnaht nicht in den Raum der direkten Überdeckung zwischen den Stoßkanten der Bauteile reichen.
  • Durch das Bilden einer Nahtüberhöhung mit einer definierten Querschnittsform und das nachfolgende Abtragen werden verschiedene Vorteile erreicht. Einerseits kann eine FSW-Schweißnaht mit einer besonders hohen Oberflächengüte erzielt werden, insbesondere eine vollkommen ebene Nahtoberfläche, die bündig an die angrenzenden Oberflächenbereiche der Bauteile anschließt. Rücksprünge in der Nahtoberfläche gegenüber den angrenzenden Bauteiloberflächen können vollständig vermieden werden. Eine solche Nahtoberfläche ist optisch besonders ansprechend und kann für die Sichtseiten von Werkstücken verwendet werden. Auf eine aufwendige Nachbehandlung der Naht durch Spachteln und/oder Aufbringen von Füllmasse kann verzichtet werden. Nach dem Abtrennen der Nahtüberhöhung ist insbesondere eine direkte Lackierung oder sonstige Beschichtung der Schweißnaht möglich. Hierdurch können FSW-geschweißte Werkstücke für Anwendungsbereiche nutzbar gemacht werden, die bisher nur anderen Fügeverfahren offenstanden, beispielsweise für die Herstellung von Sichtpaneelen für Personenzüge.
  • Bei herkömmlichen FSW-Schweißprozessen für die Herstellung von mechanisch belasteten Schweißnähten wird ein hoher Aufwand zur Vermeidung von Vermischungs-Fehlstellen und anderen Nahtfehlern im Randbereich der Schweißnaht betrieben. Mit dem Rührreibschweißverfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Offenbarung kann dieser Aufwand reduziert werden, weil der etwaige Fehlstellen enthaltende Randbereich beim Abtrennen der Nahtüberhöhung entfernt wird, sodass nur die homogenen Innenbereiche der Vermischungszone in der Schweißnaht verbleiben. Am Werkstück wird also eine Schweißnaht mit besonders homogener Struktur und Oberflächengüte erzeugt, die bevorzugt frei von Anriss-Wirkungen ist. Eine Nahtfehlstelle kann insbesondere ein sog. kissing bond sein – eine sich in Längsrichtung des Stumpf-Stoßes erstreckende Randzone mit unvollständiger Vermischung der plastifizierten Materialien. Die Reduzierung des vorgenannten Aufwands kann insbesondere die Führung des FSW-Werkzeugs mit höheren Geschwindigkeiten erlauben, sodass geringere Fertigungsdauern erreichbar sind.
  • Bei herkömmlichen FSW-Prozessen wird darauf geachtet, dass die Eintauchtiefe des Schweißstifts stets geringer ist als die Wandstärke der Bauteile. Durch die Ausnehmung in der Bauteilaufnahme wird es bei dem hier offenbarten Verfahren ermöglicht, dass die Eintauchtiefe eines Schweißstifts des FSW-Werkzeugs größer oder gleich der Wandstärke bzw. Materialdicke der Bauteile im Stumpf-Stoß gewählt wird. Mit anderen Worten kann der Schweißstift die Höhenlinie der angrenzenden (vom FSW-Werkzeug abgewandten) Oberflächen der Bauteile erreichen oder überschreiten, ohne dass es zu einer Kollision mit der Bauteilaufnahme kommt. Durch die erhöhte Eintauchtiefe des Schweißstifts kann in dem direkten Überlappungsbereich zwischen den Bauteilen eine verbesserte Homogenität der Schweißnaht bzw. der Vermischung des plastifizierten Materials erreicht werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante kann eine Materialanhäufung im Bereich des Stumpf-Stoßes gebildet sein, die plastifiziert und mit dem Material zumindest eines der Bauteile vermischt wird. Die Materialanhäufung kann in beliebiger Weise gebildet sein, insbesondere durch einen Zusatzwerkstoff oder eine lokale Bauteilverdickung. Eine Materialanhäufung kann auch durch Einlegen eines Zusatz-Werkstoffs in die Ausnehmung gebildet sein. Die infolge der Materialanhäufung vergrößerte Menge an plastifiziertem Material kann verschiedenen Zwecken dienlich sein. Einerseits kann eine ausreichende Menge an Zusatzmaterial bereitgestellt sein, um die Ausnehmung bzw. einen vorgesehenen Teil der Ausnehmung in der Bauteilaufnahme zu füllen. Andererseits können beispielsweise aus variierenden Spaltmaßen im Stumpfstoß resultierende lokale Mehr- oder Minderbedarfe an plastifiziertem Material kompensiert werden, sodass ein übermäßiges Eintauchen des FSW-Werkzeugs in die Schweißnaht vermindert oder ausgeschlossen wird. In der Folge wird auch auf der zum FSW-Werkzeug weisenden Seite der Bauteile eine besonders homogene Struktur der Schweißnaht erreicht.
  • Mit anderen Worten kann die durch eine Materialanhäufung zur Verfügung gestellte Materialmenge (lokal) angepasst sein, um den Füllungsgrad der Ausnehmung und damit das Nahtbild zu beeinflussen.
  • Gemäß einer ersten Ausführungsvariante des Rührreibschweißverfahrens ist vorgesehen, dass die gesamte Ausnehmung mit plastifiziertem Material gefüllt wird. Dies kann dadurch erreicht werden, dass das FSW-Werkzeug mit einem bestimmten Anpressdruck in Normalrichtung auf die Bauteile angepresst wird, wobei etwaig im Falle unterschiedlicher Breiten des Stoßfuge ein größere oder kleinere Eintauchtiefe auftreten kann. Dies kann zu lokal unterschiedlichen Nahtunterhängen auf der zum FSW-Werkzeug weisenden Seite der Schweißnaht führen. Auf der anderen Seite wird jedoch eine einheitliche Nahtüberhöhung erreicht.
  • Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass die Ausnehmung einen Basisabschnitt und einen Überlaufabschnitt aufweist, wobei zumindest der Basisabschnitt vollständig mit plastifiziertem Material gefüllt werden soll. Ob der Überlaufabschnitt mit plastifiziertem Material gefüllt wird, kann davon abhängen, ob ein (bspw. lokaler) Überschuss an plastifiziertem Material vorliegt. Auch das zumindest vollständige Befüllen des Basisabschnitts kann durch eine kraftgeführte Eintauchbewegung erreicht werden. Weiterhin kann zumindest so viel Zusatzmaterial vorhanden sein, dass durch unterschiedliche Weiten der Stoßnaht bedingte Mehr- oder Minderbedarfe an plastifiziertem Material ausgeglichen werden.
  • Wiederum alternativ kann vorgesehen sein, dass in einem bestimmten Bereich der Schweißlänge oder über die gesamte Schweißlänge ein so großer Überschuss an plastifiziertem Material vorhanden ist, dass zumindest das vollständige Befüllen der Ausnehmung bzw. des Basisabschnitts der Ausnehmung gewährleistet ist. Mehrbedarfe an plastifiziertem Material infolge einer (lokal) erhöhten Weite des Stoßspalts brauchen dann nicht durch eine übermäßig tiefe Eintauchbewegung zu kompensiert werden. Somit ist eine im Wesentlichen von Nahtunterhängen freie Ausbildung der Schweißnaht auf der zum FSW-Werkzeug gewandten Seite zu erreichen. Der überschüssige Volumenanteil des plastifizierten Materials kann in den Überlaufabschnitt der Ausnehmung gefördert werden und einen Überhang bilden, der etwaig in einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt abgetrennt wird. Auf diese Weise kann auf beiden Seiten der Schweißnaht ein homogenes Nahtbild erreicht werden. Ferner kann eine Mindest-Dicke oder eine einheitliche Dicke der Schweißnaht erreicht werden.
  • Mit anderen Worten kann bevorzugt eine solche Menge an Materialanhäufung vorgesehen sein, dass ein Überschuss an plastifiziertem Material gebildet wird, d.h. zumindest etwas mehr plastifiziertes Material als zum Füllen des direkten Überlappungsbereichs zwischen den Stoßkanten (Volumen der Schweißnaht) und einem Ansatzbereich der profilierten Nahtüberhöhung (Profilstrang) notwendig ist, wobei der Überschuss über oder in den Überlaufabschnitt entweichen kann.
  • Die vorliegende Offenbarung umfasst weiterhin ein Rührreibschweiß-Werkzeug (FSW-Werkzeug), das für die Verwendung in dem Schweißverfahren nach dem ersten oder zweiten Aspekt optimiert ist sowie eine Bearbeitungsvorrichtung zur Durchführung des Schweißverfahrens.
  • Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung, den beigefügten Zeichnungen sowie den Unteransprüchen angegeben.
  • Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft und schematisch dargestellt. Es zeigen:
  • 1 bis 3: das offenbarungsgemäße Schweißverfahren gemäß dem ersten Aspekt in einer Schrägbildansicht und zwei Schnittansichten;
  • 4 und 5: zwei Ausführungsvarianten einer Schweißverbindung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
  • 6A bis 6C: vergrößerte Schnittdarstellungen für eine erste Ausführungsvariante des Schweißverfahrens aus 1;
  • 7A bis 7C: vergrößerte Schnittdarstellungen für eine weitere Ausführungsvariante des Schweißverfahrens aus 1 und eine Bauteilaufnahme gemäß dem zweiten Aspekt der Offenbarung;
  • 8A bis 8C: beispielhafte Ausführungen eines FSW-Werkzeugs;
  • 9: eine vergrößerte Schnittansicht einer Schweißverbindung gemäß dem ersten Aspekt der Offenbarung;
  • 10: eine Schemadarstellung einer Bearbeitungsvorrichtung zur Durchführung eines Schweißverfahrens;
  • 11A bis 11C: Schnittdarstellungen zur Erläuterung eines Schweißverfahrens und einer Bauteilaufnahme gemäß dem zweiten Aspekt der Offenbarung;
  • 12 bis 14: Varianten des Schweißverfahrens und der Bauteilaufnahme aus 11A bis 11C und damit erzeugbare Querschnittsformen einer Nahtüberhöhung.
  • 15: Eine Schrägansicht auf eine Schweißnaht mit einer Nahtüberhöhung und einen Werkstückbereich nach dem Abtrennen der Nahtüberhöhung.
  • Nachfolgend werden zunächst Ausführungsbeispiele gemäß dem ersten Aspekt der Offenbarung unter Bezugnahme auf die 1 bis 10 erläutert.
  • 1 zeigt eine Schrägansicht auf zwei Bauteile (20, 30), die durch das offenbarungsgemäße Rührreibschweißverfahren gemäß dem ersten Aspekt verbunden werden. Die beiden Bauteile (20, 30) sind in 1 in einer Schnittdarstellung gezeigt. 2 zeigt eine Längsschnittansicht gemäß dem Pfeil II in 1. 3 zeigt eine Querschnittansicht gemäß Pfeil III in 1.
  • Das erste Bauteil (20) besteht aus einem Material mit einer ersten niedrigen Schmelztemperatur. Es weist eine erste Stoßkante (21) auf. Das zweite Bauteil (30) besteht aus einem Material mit einer zweiten und deutlich höheren Schmelztemperatur und weist eine zweite Stoßkante (31) auf.
  • Die Bauteile (20, 30) sind derart zueinander positioniert, dass zwischen der ersten Stoßkante (21) des ersten Bauteils (20) und der zweiten Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30) ein Stumpf-Stoß gebildet ist. Zwischen den Stoßkanten (21, 31) ist also eine Stoßfuge gebildet.
  • In dem Beispiel von 1 bis 3 erstreckt sich das erste Bauteil (20) unterhalb der Stoßfuge noch weiter in Richtung des zweiten Bauteils (30). Wie weiter unten erläutert wird, kann diese zusätzliche Erstreckung in dem Schweißverfahren vorteilhaft zur Bildung eines Makro-Formschlusses genutzt werden. Alternativ kann das erste Bauteil (20) ohne eine solche Erstreckung unterhalb der Stoßfuge ausgebildet sein.
  • Das erste Bauteil (20) weist in einem Bereich neben der Stoßfuge eine Materialanhäufung (24) auf, die hier durch einen Überstand des ersten Bauteils (20) über die auf der Seite des FSW-Werkzeugs gelegene Außenoberfläche (32) des zweiten Bauteils (30) gebildet ist. Eine solche Materialanhäufung (24) kann alternativ auf andere Weise gebildet sein.
  • Das erste Bauteil (20) wird durch ein Rührreibschweißwerkzeug (FSW-Werkzeug) (10) in einem Bereich der Außenoberfläche (22) des ersten Bauteils (20) neben der Stoßfuge kontaktiert. Das FSW-Werkzeug (10) und insbesondere der daran angeordnete Schweißstift (11) sowie eine Schulter (12) werden separat oder gemeinsam rotiert. Durch den reibenden Kontakt des FSW-Werkzeugs an der Oberfläche (22) des ersten Bauteils (20) wird das Material des ersten Bauteils (20) lokal plastifiziert, hier zunächst im Bereich der Materialanhäufung (24) und dann weiter nach innen fortschreitend.
  • 6A zeigt eine erläuternde Schnittdarstellung auf den Stumpf-Stoß zwischen den Bauteilen (20, 30) und das Ansetzen des FSW-Werkzeugs in einem Bereich neben der Stoßfuge.
  • Der Schweißstift (11) des FSW-Werkzeugs (10) wird in das plastifizierte Material (40) des ersten Bauteils (20) bzw. der Materialanhäufung (24) eingetaucht, wobei nach und nach auch weiter innen liegendes Material des ersten Bauteils (20) plastifiziert wird. Die Eintauch-Bewegung ist in Übergang von 6A zu 6B dargestellt sowie in 1 mit der Bezugsziffer (Z1) gekennzeichnet.
  • Die Eintauchbewegung kann im Wesentlichen senkrecht zur Außenoberfläche (22) des ersten Bauteils (20) bzw. der Materialanhäufung (24) erfolgen. Alternativ kann das FSW-Werkzeug (10) bereits während des Ansetzens oder des Eintauchens eine Neigung gemäß mindestens einem der weitern unten beschriebenen Neigungswinkel (A1, A2) aufweisen (vgl. 1).
  • Die Eintauch-Bewegung wird bevorzugt mindestens so weit ausgeführt, dass die am dorsalen Ende des Schweißstifts (11) angrenzende und sich nach außen hin erstreckende Schulter (12) des FSW-Werkzeugs (10) an der Oberfläche (22) des ersten Bauteils (20) bzw. der Materialanhäufung (24) zur Anlage kommt. Die Eintauchtiefe des Schweißstifts kann dabei größer sein als die Wandstärke des zweiten Bauteils (30). Durch die weitere Rotation des Schweißstifts (11) und der Schulter (12) und insbesondere den reibenden Kontakt zwischen der Schulter (12) und der Oberfläche des ersten Bauteils (20) bzw. der Materialanhäufung (24) wird noch weiteres Material des ersten Bauteils (20) sowie der Materialhäufung (24) plastifiziert.
  • Der Schweißstift (11) wird im Wesentlichen senkrecht gegen die zweite Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30) angepresst. Dabei wird etwaig zwischen dem Schweißstift (11) und der Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30) befindliches Material des ersten Bauteils (20) ebenfalls plastifiziert und verdrängt. Die Form der ersten Stoßkante (21) wird aufgelöst, während die Form der zweiten Stoßkante (31) im Wesentlichen erhalten bleibt.
  • Die Anpressbewegung ist im Übergang von 6B zu 6C dargestellt sowie in 1 mit dem Bezugszeichen (Z2) gekennzeichnet. Das Anpressen (Z2) an die zweite Stoßkante (31) erfolgt bevorzugt ohne das Material des zweiten Bauteils (30) zu plastifizieren. Insbesondere wird bevorzugt weiterhin vermieden, dass das Material des ersten Bauteils (20) über die Plastifizierung hinaus erwärmt wird oder aufschmilzt. Die Dynamik (Rotationsgeschwindigkeit, Eintauchgeschwindigkeit, Führungsgeschwindigkeit) des Schweißverfahrens kann in Abhängigkeit von den Materialien der Bauteile (10, 30) entsprechend angepasst werden.
  • Das Anpressen (Z2) des Schweißstifts (11) an die zweite Stoßkante (31) erfolgt bevorzugt unter einer vorgegebenen Anpresskraft (FN) in Normalrichtung bzw. senkrecht auf die Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30).
  • Das FSW-Werkzeug (10) wird an der zweiten Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30) entlang geführt, wobei der Schweißstift (11) bevorzugt permanent die Stoßkante (31) kontaktiert. Der Verlauf der zweiten Stoßkante (31) gibt somit die Schweißrichtung (SR) bzw. Schweißbahn vor. Die Führungsbewegung bzw. Schweißbewegung entlang der Stoßkante (31) ist in 1 mit dem Bezugszeichen (Z3) gekennzeichnet.
  • Besonders bevorzugt wird die senkrechte Anpresskraft (FN) an die zweite Stoßkante (31) während der Bewegung des FSW-Werkzeugs (10) in der Schweißrichtung (SR) aufrechterhalten und ggfs. in der Höhe variiert. Mit anderen Worten wird der Schweißstift (11) während der gesamten Bewegung entlang der Schweißrichtung (SR) gegen die Stoßkante (31) des zweiten Bauteils angepresst, ohne jedoch die Stoßkante (31) bzw. das Material des zweiten Bauteils (30) zu plastifizieren.
  • Durch die Bewegung des FSW-Werkzeugs (Rotation + Führungsbewegung) wird das plastifizierte Material (40) derart geformt, dass die zweite Stoßkante (31) durch Formschluss (42, 42a, 42b) in der Schweißnaht (41) aufgenommen wird. Der Formschluss kann als Makro-Formschluss (42b) und/oder als Mikro-Formschluss (42a) erzeugt werden. Nachfolgend werden verschiedene Aspekte erläutert, die einzeln oder gemeinsam bzw. in beliebiger Kombination einen Beitrag zur Formung des plastifizierten Materials (40) bzw. zur Ausbildung eines Formschlusses (42, 42a, 42b) leisten können.
  • Gemäß einem ersten Aspekt werden während des Schweißverfahrens Aufrauhungen und/oder Aufrisse (36) in der vom Schweißstift (11) kontaktierten Stoßkantenfläche (33) und ggfs. einer Außenoberfläche (35) des zweiten Bauteils (30) erzeugt. Weiter unten werden Merkmale des FSW-Werkzeugs (10) erläutert, die die Bildung von Aufrauhungen und/oder Aufrissen (36) unterstützen können. Alternativ oder zusätzlich können bereits vor der Durchführung des Schweißvorgangs eingebrachte Aufrauhungen, Aufrisse oder sonstige geeignete Oberflächenstrukturen an dem zweiten Bauteil (30) vorgesehen sein, welche einen Formschluss (42, 42a, 42b) mit der Schweißnaht (41) unterstützen. Nachfolgend wird repräsentativ für die Gesamtheit der vorerwähnten Strukturen der Begriff Aufrauhungen oder Aufrisse (36) verwendet.
  • Das Anpressen des Schweißstifts (11) an die zweite Stoßkante (31) kann weiterhin eine lokale Erwärmung des Materials des zweiten Bauteils (30) unterstützen sowie den Druck steigern, mit dem das plastifizierte Material (40) auf die Stoßkante (31) gefördert bzw. geformt wird. Erwärmung und Druck können Diffusionsvorgänge begünstigen, die zur Bildung von einer oder mehreren Diffusions-Zonen (43) im Kontaktbereich zwischen der
  • Schweißnaht (41) und dem zweiten Bauteil (30) führen. Durch solche Diffusions-Zonen (43) kann zusätzlich zu dem Formschluss (42, 42a, 42b) ein anteiliger Stoffschluss erzeugt werden. Ferner kann es je nach Materialart und Homogenität zu einem geringförmigen Plastifizieren des zweiten Bauteils (30) kommen, wobei allerdings die Form der zweiten Stoßkante (31) nicht oder nur unwesentlich verändert wird.
  • Während des Schweißvorgangs wird bevorzugt plastifiziertes Material (40) durch eine Bewegung des FSW-Werkzeugs (10), insbesondere eine Rotation und Führung des Schweißstifts (11), in die Aufrauhungen oder Aufrisse (36) an dem zweiten Bauteil (30) eingebracht insbesondere eingepresst und/oder eingespült. Die Aufrauhungen oder Aufrisse (36) können einerseits die durch den Schweißstift (11) erzeugten Aufrauhungen oder Aufrisse sein. Alternativ oder zusätzlich können es die Aufrauhungen oder Aufrisse (36) oder sonst geeignete Oberflächenstrukturen an dem zweiten Bauteil (30) sein, die beispielsweise durch eine vorherige Bearbeitung der Stoßkante (31) erzeugt worden sind und/oder an einer anderen Außenkontur des zweiten Bauteils (30) vorliegen, insbesondere an einer Außenoberfläche (32, 35) des zweiten Bauteils (30) oder im Bereich eines Übergangs zwischen einer Außenoberfläche (32, 35) und der Stoßkante (31).
  • Durch die Einbringung des plastifizierten Materials (40) in die Aufrauhungen oder Aufrisse (36) wird ein Mikro-Formschluss (42a) zwischen der Schweißnaht (41) und dem zweiten Bauteil (30) geschaffen. 9 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht auf eine Schweißverbindung gemäß der vorliegenden Offenbarung und diverse Aufrauhungen oder Aufrisse (36) an dem zweiten Bauteil (30). Durch die Aufrauhungen oder Aufrisse (36) erhöht sich das Maß bzw. die Größe der Oberfläche zwischen dem plastifizierten Material (40) und dem zweiten Bauteil (30), was weiterhin die Ausbildung von Diffusions-Zonen (43) begünstigt.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt, der alternativ oder zusätzlich zu dem vorhergehenden Aspekt vorgesehen sein kann, wird die Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30) in der Schweißnaht (41) bzw. dem plastifizierten Material (40) des ersten Bauteils (20) eingebettet (Makro-Formschluss). Das Einbetten kann auf der zu dem FSW-Werkzeug weisenden Außenoberfläche (32) und/oder auf der vom FSW-Werkzeug (10) abgewandten Außenoberfläche (35) erfolgen. In dem Beispiel von 9 erstrecken sich Anteile der Schweißnaht (41) beispielhaft über beide Außenoberflächen (32, 35). Ferner ist im Bereich der vom FSW-Werkzeug abgewandten Außenoberfläche (32) eine zusätzliche Aufrauhung oder Nut (37) erzeugt, in die ebenfalls plastifiziertes Material (40) der Schweißnaht (41) eingebracht ist.
  • Während des Schweißverfahrens wird das plastifizierte Material (40) bevorzugt derart geformt, dass die daraus gebildete Schweißnaht (41) die Stoßkante (31) im Querschnitt zumindest an zwei, bevorzugt an drei Seiten umgibt.
  • Wie in der Querschnittdarstellung von 3 ersichtlich, kann das FSW-Werkzeug (10) während des Schweißvorgangs bevorzugt um eine tangential zur Stoßkante (31) des Bauteils (30) verlaufende Achse (K1) zu dem ersten Bauteil (20) hin geneigt sein. Die Neigung kann während des gesamten Schweißvorgangs vorliegen. Alternativ kann die Neigung zwischen dem Eintauchen (Z1) und dem Anpressen (Z2) herbeigeführt werden. Sie kann etwaig an einen Neigungsverlauf der zweiten Stoßkante (31) angepasst werden. Der (erste) Neigungswinkel um die Achse (K1) ist in 3 mit Bezugszeichen (A1) gekennzeichnet. Die Neigung (A1) ist bevorzugt derart gewählt, dass das plastifizierte Material (40) durch die Schulter (12) des FSW-Werkzeugs (10) zu der Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30) hin geformt wird. Mit anderen Worten wird durch die geneigte Anstellung des FSW-Werkzeugs (10) gegenüber den Bauteilen (20, 30) bzw. gegenüber der Stoßfuge den (erste) Neigungswinkel (A1) sowie durch die Rotation der Schulter (12) bewirkt, dass das plastifizierte Material (40) tendenziell zu der Seite des zweiten Bauteils (30) hin verdrängt oder gefördert wird, was die oben genannte Formung des plastifizierten Materials (40) zur Herstellung eines Formschlusses (42, 42a, 42b) unterstützt.
  • Wie in 2 dargestellt kann das FSW-Werkzeug (10) alternativ oder zusätzlich um eine normal zur Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30) verlaufende Achse (K2) von der Schweißrichtung (SR) weggeneigt sein. Der zugehörige (zweite) Neigungswinkel um die Achse (K2) ist in 2 mit Bezugszeichen (A2) gekennzeichnet.
  • Die Anstellung des FSW-Werkzeugs (10) an die Bauteile (20, 30) bzw. die Stoßfuge unter dem zweiten Neigungswinkel (A2) bewirkt, dass der in der Schweißrichtung (SR) vorauslaufende Teil der Schulter (12) einen größeren Abstand zur Außenoberfläche (32) des zweiten Bauteils (30) hat als der in Schweißrichtung (SR) nachlaufende Teil. Gegebenenfalls kann der nachlaufende Teil der Schulter (12) am zweiten Bauteil (30) anliegen.
  • Der Neigungswinkel (A2) kann insbesondere so gewählt sein, dass der vorauslaufende Teil der Schulter (12) gerade die Außenoberfläche (22) des ersten Bauteils (20) bzw. einer dort angeordneten Materialanhäufung (24) überragt.
  • Durch die Anstellung des FSW-Werkzeugs (10) um den zweiten Neigungswinkel (A2) und die Führung des FSW-Werkzeugs (10) entlang der Stoßkante (31) sowie die Rotation der Schulter (12) wird bewirkt, dass einerseits die Materialanhäufung (24) durch die Schulter (12) plastifiziert wird und andererseits dass das plastifizierte Material (40) in Richtung der von dem FSW-Werkzeug (10) abgewandten Seite der Schweißnaht (41) gefördert wird. Mit anderen Worten wird das plastifizierte Material (40) unter Druck in Richtung der Stoßfuge verdrängt, so dass eine vollständige Bedeckung der Oberfläche des zweiten Bauteils (30) im Bereich der Schweißnaht (41) durch das plastifizierte Material (40) begünstigt wird. Die Anstellung des FSW-Werkzeugs unter dem zweiten Neigungswinkel (A2) ist auch für das Schweißverfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Offenbarung günstig, um plastifiziertes Material in die Ausnehmung zu fördern.
  • Die Materialanhäufung (24) kann gemäß dem Beispiel in 1 bis 3 sowie 6A bis 6C durch einen Überstand des ersten Bauteils (20) über die zum FSW-Werkzeug (10) gerichtete Außenoberfläche (32) des zweiten Bauteils (30) gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine Materialanhäufung (24) durch einen neben oder über der Stoßfuge angeordneten Streifen aus einem Zusatz-Werkstoff (25) gebildet sein (vergleiche 7A bis 7C).
  • Wie aus den Darstellungen in 6C und 7C ersichtlich ist, kann plastifiziertes Material (40), das insbesondere aus der Materialanhäufung (24) neben oder über der Stoßfuge stammt, über die auf der Seite des FSW-Werkzeugs (10) gelegene Außenoberfläche (32) des ersten Bauteils (30) gefördert bzw. geformt werden. Hierdurch wird die Stoßkante (31) des ersten Bauteils (30) in die Schweißnaht (41) durch einen Makro-Formschluss (42b) an der zum FSW-Werkzeug (10) weisenden Außenoberfläche (32) und/oder im Übergangsbereich zwischen der Stoßkante (31) und der Außenoberfläche (32) eingebettet. Mit anderen Worten steht die Schweißnaht (41) über die Stoßkante (31) nach außen hin über.
  • Die Höhe und Breite des Überstands der Schweißnaht (41) über die Außenoberfläche (32) kann durch die Form der Schulter (12), das Maß der Anstellwinkel (A1, A2), die Größe der Materialanhäufung (24) sowie die Rotation des FSW-Werkzeugs (10) beeinflusst werden. Während 6C und 7C verhältnismäßig dicke Überstände auf der zum FSW-Werkzeug (10) weisenden Außenoberfläche (32) zeigen, ist in dem Beispiel von 5 ein verhältnismäßig schmaler Überstand der Schweißnaht (41) dargestellt. In dem Beispiel von 4 ist eine Schweißverbindung (50) ohne einen Überstand der Schweißnaht (41) über die zum FSW-Werkzeug weisende Außenoberfläche (32) gezeigt. Diese Form der Schweißnaht (41) kann erzeugt werden, wenn das FSW-Werkzeug so weit zugestellt wird, dass es zumindest punktuell die zweite Stoßkante (31) und/oder die Außenoberfläche (32) des zweiten Bauteils (30) kontaktiert.
  • In dem Beispiel von 6A bis 6C sowie 1 bis 3 weist das erste Bauteil (20) eine deutlich größere Wandstärke auf als das zweite Bauteil (30). Es erstreckt sich insbesondere noch zumindest ein Stück weit unterhalb der Stoßfuge in Richtung des zweiten Bauteils (30). Der Schweißstift (11) ist derart ausgebildet und geführt, dass er während der Schweißbewegung zumindest die ganze Stoßkante (31) im Querschnitt überdeckt. Die Eintauchtiefe des Schweißstifts (11) ist also größer als die Wandstärke des zweiten Bauteils. Der Schweißstift (11) kann gegebenenfalls ein Stück weit in beiden Richtungen über die Stoßkante (31) hinausragen. Durch die Rotation und Führung des Schweißstifts (11) wird somit auch ein Bereich des Materials des ersten Bauteils (20) unterhalb (von FSW-Werkzeug (10) abgewandte Seite) des zweiten Bauteils (30) plastifiziert. Durch die oben beschriebene Führung und Anstellung des FSW-Werkzeugs wird auch der unterhalb der Stoßfuge bzw. unterhalb des zweiten Bauteils (30) plastifizierte Bereich unter Druck gesetzt, so dass das plastifizierte Material auch dort gegen die Oberfläche des zweiten Bauteils (30) gefördert bzw. gepresst und ein deckendes Anhaften an der Außenoberfläche (35) begünstigt werden.
  • In 7A bis 7C ist eine alternative Ausführungsvariante dargestellt. Hier weisen das erste Bauteil (20) und das zweite Bauteil (30) im Bereich der Stoßkanten (21, 31) im Wesentlichen übereinstimmende Wandstärken auf. Die Bauteile (20, 30) sind an bzw. in einer Bauteilaufnahme (61) angeordnet und gegebenenfalls gespannt. In der Bauteilaufnahme (61) ist weiterhin im Bereich unter der Stoßfuge eine Ausnehmung (65) vorgesehen, die zur Formung des Schweißwulstes dienen kann. Sie wird im Weiteren als Wulstformausnehmung (65) bezeichnet. Die Wulstformausnehmung (65) bildet auch eine Ausführungsvariante für die Ausnehmung (165) zur Formung einer Nahtüberhöhung gemäß dem zweiten Aspekt der Offenbarung, der weiter unten im Detail erläutert wird.
  • Analog zu den obigen Ausführungen wird bei dem in 7A bis 7C dargestellten Vorgehen das FSW-Werkzeug (10) mit dem Schweißstift (11) in einem Bereich neben der Stoßfuge an das erste Bauteil (20) bzw. die Materialanhäufung (24) des Zusatz-Werkstoffs (25) angesetzt und unter Plastifizierung der Materialanhäufung (24) sowie des Materials des ersten Bauteils (20) eingetaucht. Wie aus der Darstellung in 7B hervorgeht, kann ein Teil des plastifizierten Materials (40) durch die Bewegung des FSW-Werkzeugs (10) in die Wulstformausnehmung (65) gefördert werden, was durch eine noch weitere Zustellung des FSW-Werkzeugs und/oder die Anstellung des FSW-Werkzeugs um den zweiten Neigungswinkel (A2) noch verstärkt werden kann. Das plastifizierte Material (40) kann während der Schweißbewegung durch die Wulstformausnehmung (65) und die oben beschriebene Förderwirkung in Richtung der vom FSW-Werkzeug (10) abgewandten Außenoberfläche (35) gefördert bzw. geformt werden, um dort einen Überstand zu bilden und die Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30) durch Makro-Formschluss (42b) einzubetten.
  • 8A bis 8C zeigen bevorzugte Ausführungsvarianten eines Rührreibschweiß-Werkzeugs (10) (FSW-Werkzeug) gemäß der vorliegenden Offenbarung. Der Schweißstift (11) des FSW-Werkzeugs (10) hat bevorzugt eine konische Grundform, wobei der Öffnungswinkel im Wesentlichen dem ersten Neigungswinkel (A1) entspricht. Ferner weist die Schulter (12) des FSW-Werkzeugs (10) bevorzugt eine konkave Form auf. Zwischen der Schulter (12) und der Mantelfläche (17) des Schweißstifts (11) kann bevorzugt ein Winkel von 90 Winkelgrad oder weniger vorgesehen sein. Durch diese Formgebungen werden jeweils die o.g. Förderwirkungen auf das plastifizierte Material (40) erzeugt bzw. verstärkt.
  • Der Schweißstift (11) ist bevorzugt aus einem Material mit einer solchen Festigkeit und Belastbarkeit gefertigt, dass er mit marktüblichen Standzeiten einer Bearbeitung der zweiten Stoßkante (31) standhält. Hierfür ist beispielsweise eine Wolfram-Rhenium-Legierung geeignet.
  • Der Schweißstift (11) kann durch verschiedene Ausbildungsmerkmale dazu beitragen, in der Stoßkante (31) Aufrauhungen oder Aufrisse (36) zu bilden und/oder die Förderwirkung auf das plastifizierte Material und insbesondere das Einbringen des plastifizierten Materials in die Aufrauhungen oder Aufrisse (36) zu begünstigen.
  • Gemäß der Darstellung in 8A kann der Schweißstift (11) zumindest auf der Mantelfläche (17) ring- oder spiralförmig angeordnete Reib- oder Schneidflächen (15) aufweisen. Ferner kann der Schweißstift (11) eine, zwei oder mehr Längs-Riefen (16) in der Mantelfläche (17) aufweisen. Die Längs-Riefen (16) können eine Neigung zur Drehrichtung hin haben, sodass eine anteilige Förderwirkung in Richtung der Spitze des Schweißstiftes (11) erzeugt wird.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt, der mit den vorgenannten Ausbildungsmerkmalen kombinierbar ist, kann der Schweißstift (11) eine im Längsschnitt durch die Rotationsachse konkave Außenkontur (13) aufweisen (vgl. 8B). Die konkave Außenkontur (13) kann zumindest einen Randabschnitt aufweisen, der während des Schweißvorgangs die Stoßkantenfläche (33) des zweiten Bauteils (30) verformt. Dabei kann insbesondere der Übergang zwischen der zum FSW-Werkzeug weisenden Außenoberfläche (32) und der Stoßkantenfläche (33) derart verformt werden, dass der Makro-Formschluss (42b) an diesem Übergangsbereich verstärkt wird (vgl. Schnittdarstellung in 9).
  • Die Bildung von Aufrauhungen oder Aufrissen (36) kann weiterhin in dem Schweißverfahren unterstützt werden, indem die Anpresskraft (FN) des Schweißstiftes (11) gegen die zweite Stoßkante (31) aufrechterhalten oder eingestellt wird.
  • Gemäß einer weiteren Alternative kann die (momentan aufgebrachte oder wirksame) Anpresskraft (FN) gegen die zweite Stoßkante (31) erfasst werden, beispielsweise durch einen Kraft- oder Momentensensor an der Bauteilaufnahme und/oder durch eine Kraft- oder Momenten-Messung im FSW-Werkzeug (10) oder einem das FSW-Werkzeug (10) führenden Manipulator (62).
  • Weiterhin kann die Höhe der Anpresskraft (FN) des Schweißstifts (11) gegen die zweite Stoßkante (31) auf eine Soll-Kraft geregelt werden. Die Soll-Kraft kann in Abhängigkeit von der Kontur der Bauteile (20, 21) lokal unterschiedlich vorgegeben sein.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Unterstützung der Bildung von Aufrauhungen oder Aufrissen (36), die alternativ oder zusätzlich zu der Kraftmessung oder Kraftregelung vorgesehen sein kann, besteht in der Erfassung und gegebenenfalls Regelung einer Kontaktierung zwischen dem Schweißstift (11) an dem FSW-Werkzeug (10) und der zweiten Stoßkante (31). Es kann insbesondere ein Kontaktierungssensor (63) an dem zweiten Bauteil (30) angeordnet oder mit diesem in Kontakt gebracht sein (vgl. 1 und 9), um aus dem Kontakt mit dem Schweißstift (11) resultierende Parameter zu erfassen. Zu diesen Parametern können insbesondere Vibrationen gehören, deren Frequenz und/oder Amplitude messbar ist. Dementsprechend kann ein Kontaktierungssensor als Schwingungssensor (63) ausgebildet sein. Alternativ sind beliebige andere Messverfahren zur Erfassung der Vorliegens und/oder der Stärke einer Kontaktierung zwischen dem Schweißstift (11) und der zweiten Stoßkante (31) möglich. Die Stärke der Kontaktierung kann insbesondere auf eine Soll-Kontaktierungsstärke geregelt werden.
  • 8C zeigt eine weitere Ausführungsvariante des Schweißstifts (11), die mit den oben genannten Aspekten kombiniert oder für sich allein vorgesehen sein kann. Am distalen Ende des Schweißstifts (11) ist eine sich in Radialrichtung erstreckende und über die Mantelfläche (17) des Schweißstifts (11) überstehende Reib- oder Schneidkontur (18) angeordnet. Wie aus der Beispieldarstellung in 8C hervorgeht, kann diese Reib- oder Schneidkontur (18) während des Schweißvorgangs mit der vom FSW-Werkzeug (10) abgewandten Außenoberfläche (35) des zweiten Bauteils (30) in Kontakt gebracht werden, um auch dort eine zusätzliche Aufrauhung oder einen zusätzlichen Aufriss (37) zu erzeugen. Aufgrund der oben genannten Förderwirkung auf das plastifizierte Material (40) kann auch diese zusätzliche Aufrauhung oder der zusätzliche Aufriss (37) zur Bildung eines Makro-Formschlusses (42b) aufgefüllt werden (vgl. Schnittdarstellung in 9).
  • 10 zeigt eine Bearbeitungsvorrichtung zur Durchführung eines Rührreibschweißverfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die Bearbeitungsvorrichtung (60) umfasst eine Bauteilaufnahme (61), die beispielsweise gemäß den obigen Erläuterungen oder der nachfolgenden Beschreibung zum zweiten Aspekt der Offenbarung ausgebildet sein kann. Die Bauteilaufnahme (61) kann insbesondere eine Wulstformausnehmung (65) aufweisen.
  • Die Bearbeitungsvorrichtung (60) umfasst ferner einen Manipulator (62), der bevorzugt als ein 6- oder 7-achsiger Industrieroboter ausgebildet ist. Der Manipulator (62) führt ein FSW-Werkzeug (10), das bevorzugt gemäß einer der oben genannten Varianten ausgebildet ist.
  • Die Bauteilaufnahme (61) ist dazu ausgebildet, das erste Bauteil (20) und das zweite Bauteil (30) aufzunehmen und zu positionieren. Die Bauteilaufnahme (61) kann ein- oder mehrteilig ausgeführt sein.
  • Die Bearbeitungsvorrichtung (60) umfasst eine Steuerung (64), insbesondere eine Manipulatorsteuerung, die dazu ausgebildet ist, ein Rührreibschweißverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung auszuführen. Die Bearbeitungsvorrichtung (60) kann bevorzugt den oben genannten Kontaktierungssensor (63) umfassen, der bevorzugt mit der Steuerung (64) verbunden ist. Ferner können in der Steuerung (64) Anweisungen enthalten sein, um die Stärke der Kontaktierung und/oder die Höhe der Anpresskraft (FN) in Abhängigkeit von dem Messergebnis des Kontaktierungssensors (63) zu regeln.
  • Alternativ oder zusätzlich kann zumindest ein Kraft- oder Momentensensor (66) an der Bearbeitungsvorrichtung (60) und/oder an dem Manipulator (62) vorgesehen sein, um die Anpresskraft (FN) des Schweißstifts gegen die zweite Stoßkante (31) zu erfassen. In der Steuerung (64) können Anweisungen zur Regelung des Schweißverfahrens und insbesondere der Anpresskraft (FN) in Abhängigkeit von dem Messergebnis des mindestens ein Kraft- oder Momentensensors (66) vorliegen.
  • Aus den Messergebnissen des Kontaktierungssensors (63) und/oder des Kraft- oder Momentensensors (66) können ggfs. Rückschlüsse über das plastifizierte Material (40) gezogen werde, beispielsweise hinsichtlich dessen Duktilität und Viskosität.
  • Die Bearbeitungsvorrichtung (60) bzw. der Manipulator (62) und dessen Steuerung können alternativ oder zusätzlich dazu ausgebildet sein, das Rührreibschweißverfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Offenbarung auszuführen. In einem solchen Fall kann die Bearbeitungsvorrichtung (60) ein Trennmittel umfassen, mit dem eine Nahtüberhöhung (144) nach dem Herstellen einer Schweißverbindung (150) teilweise oder vollständig abtrennbar ist. Das Trennmittel kann beispielsweise eine Fräs- oder Schleifvorrichtung oder ein von einem Manipulator geführtes Fräs- oder Schleifwerkzeug sein. Die Bauteilaufnahme (61, 161) kann einen separaten Abschnitt aufweisen, der die Ausnehmung (65, 165) umfasst und ggfs. die direkt neben der Stoßkante liegenden Bereiche der Bauteile (20, 30, 120, 130) während des Schweißvorgangs stützt, sowie einen oder mehrere weitere Abschnitte, die zum Positionieren und Spannen der Bauteile (20, 30, 120, 130) dienen. Der Abschnitt mit der Ausnehmung (65, 165) kann nach der Herstellung der Schweißnaht (141) entfernt werden, um einen Zugang zu der vom FSW-Werkzeug abgewandten Seite (25, 35, 125, 135) zu ermöglichen und das vorgenannte Trennmittel in Eingriff mit der Nahtüberhöhung zu bringen.
  • Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 11A bis 15 Ausführungsvarianten des Schweißverfahrens und der Bauteilaufnahmen gemäß dem zweiten Aspekt der Offenbarung erläutert. Die Erläuterung erfolgt zunächst unabhängig von dem ersten Aspekt der Offenbarung. Nachfolgend werden vorteilhafte Kombinationen der Aspekte beschrieben.
  • Soweit dargestellte Elemente und Strukturen Übereinstimmung mit den oben erläuterten 1 bis 10 haben, wurden dieselben Bezugszeichen mit vorangestellter Ziffer 1 verwendet, bspw. Bauteile 20 -> 120, 30 -> 130. Soweit nicht anders definiert, gelten alle zu dem ersten Aspekt der Offenbarung gezeigten oder beschriebenen Merkmale entsprechend für den zweiten Aspekt der Offenbarung.
  • Bei dem Rührreibschweißverfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Offenbarung können Bauteile (120, 130) mit gleichen oder unterschiedlichen Materialien verbunden werden. Das schließt die gemäß dem ersten Aspekt der Offenbarung definierten und andere Materialkombinationen ein. Es können insbesondere Materialien mit gleichem oder ähnlichem Schmelzpunkt genutzt werden und während der Herstellung der FSW-Schweißverbindung können die Materialien der Bauteile (120, 130) sowie ggfs. einer zusätzlichen Materialanhäufung plastifiziert und miteinander verrührt werden. Die Materialanhäufung kann gebildet sein, insbesondere in Analogie zu den obigen Ausführungen.
  • Besonders bevorzugt kann das Rührreibschweißverfahren zum Verbinden von Blechen, Platten oder Stegen mit im Wesentlichen übereinstimmender und insbesondere gleicher Wandstärke genutzt werden. Allerdings kann im Bereich des Stumpf-Stoßes eine Materialverdickung bei zumindest einem der Bauteile (120, 130) zur Bildung einer Materialanhäufung gebildet sein. Wiederum alternativ oder zusätzlich kann eine Materialanhäufung durch einen Zusatz-Werkstoff gebildet sein. Die Materialanhäufung ist aus Gründen der vereinfachten Darstellung in 11A bis 15 nicht gezeigt.
  • 11A bis 11C zeigen zwei Bauteile (120, 130) und eine Bauteilaufnahme (161) im Querschnitt. Jedes der Bauteile (120, 130) weist eine Stoßkante (121, 131) auf und die Bauteile sind zur Bildung eines Stumpfstoßes relativ zueinander positioniert. Zwischen den Stoßkanten (121, 131) ist eine Stoßfuge gebildet. In der Bauteilaufnahme (161) ist im Querschnitt neben der Stoßfuge bzw. neben dem Verlauf des Stumpfstoßes eine Ausnehmung (165) gebildet. Die Ausnehmung kann auch als Vertiefung bezeichnet werden. Sie schafft einen zusätzlichen und zumindest bereichsweise begrenzten Raum neben der Stoßfuge (auf der vom FSW-Werkzeug abgewandten Seite).
  • Die Bauteilaufnahme (161) ist auf derjenigen Seite bzw. Außenoberfläche (125, 135) der Bauteile angeordnet, die von dem FSW-Werkzeug (110) abgewandt ist. Diese Seiten bzw. Außenoberflächen stellen später gegebenenfalls die Sichtseite dar. Die zu dem FSW-Werkzeug (110) zugewandten Seiten bzw. Außenoberflächen (122, 132) werden auch als Bearbeitungsseite bezeichnet.
  • Bei dem Rührreibschweißverfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Offenbarung kann grundsätzlich ein beliebiges FSW-Werkzeug (110) verwendet werden. Es kann insbesondere das oben beschriebene FSW-Werkzeug gemäß dem ersten Aspekt der Offenbarung sein. Der Schweißstift (111) wird in eine Rotationsbewegung versetzt und mit der Außenoberfläche (122, 132) zumindest eines der Bauteile (120, 130) in Kontakt gebracht. In dem Beispiel von 11A wird der Schweißstift (111) im Wesentlichen mittig an die Stoßfuge zugestellt, so dass er die Oberflächen (122, 132) beider Bauteile (120, 130) kontaktiert.
  • Durch die Rotation des Schweißstifts (111) wird Reibungswärme in dem mindestens einen Bauteil (120, 130) erzeugt, wodurch das Material des zumindest einen Bauteils (120, 130) plastifiziert wird. Der Schweißstift (111) wird mit fortschreitender Plastifizierung in einer im Wesentlichen in Axialrichtung des Schweißstifts (111) gerichteten Bewegung, bzw. in einer im Wesentlichen senkrecht zu der Außenoberfläche (122, 132) der Bauteile (120, 130) gerichteten Bewegung in das Material eingetaucht, wobei auch weiter innen liegende Materialbereiche plastifiziert werden.
  • Die Eintauchbewegung des Schweißstifts (111) bzw. des FSW-Werkzeugs (110) kann zumindest so weit erfolgen, dass eine neben dem Schweißstift (111) angeordnete Schweißschulter (112) in Kontakt mit zumindest einer Außenoberfläche (122, 132) eines der Bauteile (120, 130) gelangt. Besonders bevorzugt kann die Schweißschulter (112) in Kontakt mit den Außenoberflächen (122, 132) beider Bauteile (120, 130) gelangen.
  • Die Schweißschulter (112) kann ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Sie kann teilweise oder vollständig in eine Rotationsbewegung versetzt sein, die insbesondere mit der Rotationsbewegung des Schweißstifts (111) übereinstimmt. Alternativ können unterschiedliche Rotationsbewegungen, insbesondere Rotationsgeschwindigkeiten, einerseits für den Schweißstift (111) und andererseits für einen oder alle Bestandteile der Schweißschulter (112) vorgesehen sein.
  • Nachfolgend wird vereinfachend davon ausgegangen, dass eine einteilige Schweißschulter (112) vorliegt, die in Übereinstimmung mit dem Schweißstift (111) rotiert.
  • Zwischen der Schweißschulter (112) und dem mindestens einen Bauteil (120, 130) kann während der Herstellung der Schweißverbindung ein Reibkontakt bestehen, der ebenfalls zur Plastifizierung beiträgt. Das FSW-Werkzeug (110) wird entlang der Stoßfuge, d.h. entlang dem Verlauf des Stumpf-Stoßes bewegt. Dabei wird weiteres Material des mindestens einen Bauteils (120, 130) plastifiziert und um den Schweißstift (111) gefördert, so dass sich hinter der Bewegungsbahn des Schweißwerkzeugs (110) eine aus dem plastifizierten Material (140) geformte Schweißnaht (141) bildet.
  • Ein Teil des plastifizierten Materials (140) wird ferner in die Ausnehmung (165) gefördert und dort zur Bildung einer Nahtüberhöhung (144) geformt. Die Förderwirkung auf das plastifizierte Material in Richtung zu der Ausnehmung (165) kann durch verschiedene Faktoren beeinflusst bzw. verstärkt sein, insbesondere durch eine Struktur des Schweißstifts (111), einen Anpressdruck der Schweißschulter (112) in Richtung der Bauteile (120, 130), die Formgebung der Schweißschulter (112) sowie eine Neigung (N1, N2) des FSW-Werkzeugs (110) bzw. der Schweißschulter (112).
  • Die Formgebung der Nahtüberhöhung basiert im Wesentlichen auf einem Anlagekontakt zwischen dem plastifizierten Material (140) und einem Oberflächenbereich der Ausnehmung (165). Dementsprechend kann durch die Vorgabe des Profils, insbesondere der Querschnittsform der Ausnehmung (165) teilweise oder vollständig die zu erreichende Form der Nahtüberhöhung (144) definiert werden. Die Ausnehmung (165) kann insbesondere als Negativform einer erwünschten Nahtüberhöhung ausgebildet sein.
  • In dem Beispiel von 11A bis 11C ist eine Querschnittsform der Ausnehmung (165) gewählt, die sowohl eine Überstandsbreite (b) als auch eine Überstandshöhe (h) der Nahtüberhöhung (144) vorgibt und welche die Form der Nahtüberhöhung vollständig vorgeben soll, insbesondere wenn die Ausnehmung (165) vollständig mit plastifiziertem Material gefüllt wird. Weiter unten werden alternative Formen bzw. Profile der Ausnehmung (165) erläutert.
  • Wie in 11B dargestellt, kann die Eintauchtiefe des Schweißstifts (111) so groß gewählt werden, dass dessen Spitze eine Höhenlinie (HO) der Oberflächen (125, 135) der Bauteile (120, 130) auf der Sichtseite erreicht oder überschreitet. Die Eintauchtiefe ist bevorzugt derart gewählt, dass der Schweißstift (111) nicht den Grund der Ausnehmung (165) kontaktiert, um Beschädigungen am FSW-Werkzeug (110) und der Bauteilaufnahme (165) zu vermeiden.
  • Die Nahtüberhöhung (144) kann in verschiedener Weise genutzt werden. 15 zeigt eine Schrägansicht auf die Sichtseite (125, 135) der Bauteile (120, 130) nach der Herstellung der FSW-Schweißverbindung (150). Im linken oberen Bereich ist ein Zustand der Schweißverbindung (150) gezeigt, bei dem die Nahtüberhöhung (144) als Profilüberstand an den Bauteilen (120, 130) verbleibt. Die Nahtüberhöhung kann über den Verlauf der Schweißnaht ein einheitliches Profil haben. Alternativ können verschiedene Profile der Nahtüberhöhung in verschiedenen Bereichen der Schweißnaht erzeugt werden, insbesondere durch entsprechend unterschiedliche Formen der Ausnehmung und/oder unterschiedliche Nachbearbeitung. In dem Beispiel links oben in 15 sind rein schematisch zwei abwechselnde Profile gezeigt. Die äußeren und etwas stärker gegenüber der Grundfläche erhöhten Profilformen sind bspw. durch eine Ausnehmung (165) mit einer Querschnittsform gemäß 11A bis 11C erzeugt, wobei durch eine Steuerung der Wärme-Zufuhr und/oder Abfuhr die Bildung von Nahtfehlern vermieden ist. Dazwischen ist ein Abschnitt mit einer etwas niedrigeren Höhe (h) der Nahtüberhöhung (144). Hier wurde auf eine Steuerung der Wärme Zufuhr und/oder Abfuhr verzichtet oder eine solche Steuerung vorgesehen, dass ein Kissing Bond (145) zugelassen oder gezielt erzeugt ist. Der in 15 links oben gezeigte Wechsel zwischen den Profilformen der Nahtüberhöhung (144) stellt ein Beispiel für die Erzeugung von Soll-Bruchstellen (Vermischungs-Fehlstellen / bspw. Kissing Bond 145) im Verlauf der Schweißnaht bzw. der Nahtüberhöhung (144) dar, was weiter unten ergänzend erläutert wird.
  • Daneben (rechts unten) ist in 15 ein Bereich gezeigt, in dem die Nahtüberhöhung (144) nach der Herstellung der Schweißnaht (141) abgetrennt worden ist. Das Abtrennen kann auf beliebige Weise erfolgen, insbesondere durch ein spanabhebendes Verfahren oder ein Schleifverfahren und eines der vorgenannten Trennmittel.
  • Besonders bevorzugt können die Überstandshöhe (h) und/oder die Überstandsbreite (b) derart vorgegeben sein, dass das Abtrennen der Nahtüberhöhung (144) in einem einzigen Bearbeitungsschritt erfolgen kann.
  • 11C zeigt eine Schnittdarstellung der Schweißnaht (141) vor bzw. ohne Abtrennen der Nahtüberhöhung (144). In dem vergrößert dargestellten Ausschnitt der Nahtüberhöhung (144) ist eine Vermischungs-Fehlstelle beispielhaft in der Form eines sogenannten Kissing Bond (145) gezeigt. Dort sind die plastifizierten Materialen der Bauteile (120, 130) und etwaig eines Zusatz-Werkstoffs nicht oder nicht vollständig verrührt worden, beispielsweise weil ein Erstarren an der Oberfläche des plastifizierten Materials (140) zu früh aufgetreten ist. Derartige Vermischungs-Fehlstellen können eine Anriss-Wirkung haben und die mechanische Belastbarkeit der Schweißstelle vermindern. Bei mechanisch belasteten Schweißverbindungen wird daher angestrebt, derartige Fehlstellen zu vermeiden.
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung können unterschiedliche Maßnahmen vorgesehen sein, um Vermischungs-Fehlstellen oder andere Oberflächenfehler in der fertigen Schweißnaht zu vermeiden. Weiter unten werden Anwendungsfälle beschrieben, in denen Fehlstellen in zumindest Teilbereichen der Schweißnaht (141) geduldet oder erwünscht sind.
  • Zur Beeinflussung der Bildung von Fehlstellen kann an oder in der Bauteilaufnahme (161) eine Heiz- und/oder Kühlvorrichtung (167) vorgesehen sein. Diese kann dazu dienen, eine Wärmezufuhr oder Wärmeabfuhr zu oder von dem plastifizierten Material (140) zu regulieren. Insbesondere kann die Oberfläche der Ausnehmung (165) erwärmt oder gekühlt werden, um das Erstarren des plastifizierten Materials zu verzögern oder zu beschleunigen.
  • Wenn eine Wärmezufuhr durch Heizen vorgesehen ist, kann das Erstarren des plastifizierten Materials zumindest im Bereich der momentanen Position des FSW-Werkzeugs (110) bzw. des Schweißstifts (111) verzögert werden, damit mehr Zeit für das Verrühren des plastifizierten Materials vorliegt und eine homogene Durchmischung begünstigt wird.
  • Wenn eine Kühlung, insbesondere ein lokale Kühlung der Ausnehmung (165) vorgesehen ist, kann ein schnelles oder vollständiges Erstarren des plastifizierten Materials und damit ein Festwerden der Schweißstelle begünstigt werden. Eine Heizvorrichtung und/oder eine Kühlvorrichtung können ggf. in Abstimmung mit der Führungsbewegung des FSW-Werkzeugs (110) an der Bauteilaufnahme (161) wirken.
  • Insbesondere kann eine Heizvorrichtung im Vorlauf zu der Bewegung des FSW-Werkzeugs wirken und eine Kühlvorrichtung kann im Nachlauf zu der Bewegung des FSW-Werkzeugs (110) wirken. Gemäß einer bevorzugten Ausführung kann eine kombinierte Heiz- und Kühlvorrichtung an der Bauteilaufnahme (161) derart entlang bewegt werden, dass stets ein Bereich im Vorlauf zu dem Schweißstift (111) erwärmt und ein Bereich im Nachlauf zu dem Schweißstift (111) gekühlt wird. Alternativ kann jeweils eine separate Heiz- oder Kühlvorrichtung an der Bauteilaufnahme entlang bewegt werden. Wiederum alternativ kann eine lokale Betätigung einer Heiz- und/oder Kühlvorrichtung, die sich entlang der Ausnehmung (165) erstreckt, erfolgen, insbesondere in Abstimmung mit der Führung des FSW-Werkzeugs (110).
  • 12 bis 14 zeigen alternative Ausführungsvarianten einer Bauteilaufnahme (161) mit unterschiedlich geformten Ausnehmungen (165‘, 165‘‘, 165‘‘‘) und hierdurch erzeugbare Querschnittsformen einer Nahtüberhöhung (144, 146).
  • In dem Beispiel von 12 ist eine Profilbreite (B) der Ausnehmung (165‘) vorgesehen, die kleiner oder gleich der zu erwartenden Nahtwurzelbreite (N) der Schweißnaht (141) ist. Hierdurch wird durch die Ausnehmung (165‘) nur eine Überstandsbreite (b) der Nahtüberhöhung (144) vorgeben. Die Profiltiefe (H) ist in dem gezeigten Beispiel von 12 hingegen nicht festgelegt oder so groß gewählt, dass die Ausnehmung (165‘) nicht vollständig mit plastifiziertem Material (140) gefüllt wird. Mit anderen Worten ist zumindest eine Expansionsrichtung für die Ausdehnung des plastifizierten Materials freigelassen. Wenn ein Mehr- oder Minderbedarf an plastifiziertem Material im Verlauf der Schweißnaht (141) vorliegt, der beispielsweise aus größeren oder geringeren Weiten der Stoßfuge resultiert, kann entsprechend lokal mehr oder weniger plastifiziertes Material in die Ausnehmung (165‘) eindringen. Zumindest ein Ansatz (148) der Nahtüberhöhung (144) kann jedoch über die gesamte Länge der Schweißnaht (141) eine vorgegebene Querschnittsform aufweisen. Mit anderen Worten kann die Ausnehmung (165) einen ersten Basisabschnitt (ohne Bezugszeichen) aufweisen, der vollständig durch plastifiziertes Material (140) gefüllt werden soll, um einen Ansatz (148) der Nahtüberhöhung (144) mit einheitlichem Querschnittsprofil zu bilden, sowie einen angrenzenden Überlaufabschnitt (170), der nicht oder nur teilweise mit plastifiziertem Material gefüllt wird, insbesondere wenn ein Überschuss an plastifiziertem Material (141) vorliegt. In dem Beispiel von 12 ist ein Überlaufabschnitt (170) der Ausnehmung (165‘) durch eine Öffnung im Grund der Ausnehmung (165‘) gebildet. 13 zeigt eine alternative Querschnittsform der Ausnehmung (165‘‘), bei der eine vergleichsweise niedrige Profiltiefe (H) (beispielsweise 0,2mm bis 0,3mm oder maximal 2 Prozent bis 10 Prozent der Wandstärke der Bauteile (120, 130)) vorgesehen ist sowie eine Profilbreite (B), die größer und insbesondere deutlich größer als die vorgesehene Nahtwurzelbreite (N) ist. Ein Überlaufabschnitt (170‘) ist hier im Bereich des Überstands der Ausnehmung (165‘‘) über die zu erwartende Breite (N) der Nahtwurzel gebildet. Durch die in 13 dargestellte Ausnehmung (165‘‘) wird die Überstandshöhe (h) der Nahtüberhöhung (144) festgelegt, während die Überstandsbreite (b) im Wesentlichen unbegrenzt bleibt.
  • 14 zeigt eine wiederum alternative Querschnittsform der Ausnehmung (165‘‘‘), die im Wesentlichen eine Weiterbildung der Querschnittsform aus 12 ist. Die Ausnehmung (165‘‘‘) legt zumindest im Bereich des Ansatzes (148) der Nahtüberhöhung (144) die Überstandsbreite (b) fest, während die Überstandshöhe (h) unbegrenzt ist. Die Ausnehmung (165‘‘‘) weist ferner eine Profilverengung (168) auf, in welcher die Breite der Nahtüberhöhung (144) noch weiter eingeschränkt wird. Die Profilverengung (168) ist gleichzeitig die Grenze zwischen dem Basisabschnitt und dem Überlaufabschnitt (170‘‘) der Ausnehmung (165‘‘‘). Hinter der Profilverengung (168) kann eine Profilaufweitung vorliegen, in welcher das eingebrachte plastifizierte Material einen Tropfen oder einen geraden Überhang bilden kann. Das während des Schweißvorgangs in die Ausnehmung (165‘‘‘) geförderte plastifizierte Material wird zu einem Profilstrang (146) mit einer Längseinschnürung (147) geformt. Die Längseinschnürung (147) kann in der Breite so gering gewählt sein, dass eine Sollbruchstelle gebildet ist. Zum Ende eines Schweißvorgangs können die verbundenen Bauteile (120, 130) von der Bauteilaufnahme (161) gelöst werden, wobei ein noch über die Längseinschnürung (147) hinausragender Bestandteil (Tropfenfortsatz / Überhang) des Profilstrangs (146) abgerissen oder abgetrennt wird. Das Abtrennen kann auf beliebige Weise geschehen. Insbesondere kann an oder in der Bauteilaufnahme (161) eine Trenneinrichtung (169) vorgesehen sein, welche im Bereich der Längseinschnürung (147) wirkt, was durch die Trennlinie (T) in 14 illustriert ist. Alternativ kann eines der vorgenannten Trennmittel das Abtrennen des über die Längseinschnürung (147) hinausgehenden Teils der Nahtüberhöhung (141) bzw. des Profilstrangs (146) bewirken.
  • Wie 15 veranschaulicht, können im Verlauf der Schweißnaht (141) unterschiedliche Querschnittsprofile für die Nahtüberhöhung (144) vorgesehen sein, insbesondere unterschiedliche vorgegebene Überstandshöhen (h) und/oder Überstandsbreiten (b). Einheitliche oder im Verlauf unterschiedliche Querschnittsprofile können beispielsweise als Designelemente oder Designstrukturen auf der Sichtseite genutzt werden. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass Vermischungs-Fehlstellen wie beispielsweise ein Kissing Bond (145) in zumindest Teilen der Schweißnaht (141) vermieden und in den anderen Teilen zugelassen oder erzeugt werden. Auf dieser Weise können beispielsweise Vorzugsbruchstellen an der Schweißnaht (141) geschaffen werden, um das Crashverhalten eines Werkstücks zu beeinflussen.
  • Abwandlungen der Erfindung sind in verschiedener Weise möglich.
  • Alle zu den vorgenannten Beispielen beschriebenen, gezeigten, beanspruchten oder in sonstiger Weise offenbaren Merkmale können in beliebiger Weise miteinander kombiniert, gegeneinander ersetzt, ergänzt oder weggelassen werden.
  • Wenn die Bauteile (20, 30, 120, 130) einen unterschiedlichen Schmelzpunkt bzw. ein unterschiedliches Plastifizierungsverhalten haben, kann das Schweißverfahren gemäß dem ersten Aspekt der Offenbarung genutzt werden, wobei allerdings auch das Material des zweiten Bauteils (30, 130) plastifiziert wird. Allerdings kann der Anteil des plastifizierten Materials des zweiten Bauteils in der Schweißnaht (141) bzw. der Durchmischungszone deutlich geringer sein als der Anteil des Materials des ersten Bauteils und/oder eines Zusatz-Werkstoffs. Die gemäß dem zweiten Aspekt der Offenbarung vorgeschlagenen Querschnittsformen des Ausnehmung (165, 165‘, 165‘‘, 165‘‘‘) können auch dazu dienen, einen (zusätzlichen) Formschluss zwischen der Schweißnaht und dem zweiten Bauteil (30, 130) zu erzeugen.
  • Die Materialien der beiden Bauteile (20, 30) können auch Nichtmetalle wie Kunststoffe (insb. erstes Bauteil) oder Keramiken (insb. zweites Bauteil) sein. Der Manipulator (62) kann eine Werkzeugmaschine sein. Anstelle der Führung des FSW-Werkzeugs (10) relativ zu den fest positionierten Bauteilen (20, 30) kann eine beliebige andere Kinematik vorliegen. Beispielsweise können zwei oder mehr Bauteile (20, 30) in einer beweglichen Bauteilaufnahme (61) aufgenommen und positioniert sein. Die Bauteile können durch die Bewegung der Bauteilaufnahme (61) gegenüber einem stationär angeordneten FSW-Werkzeug (10) geführt sein. Gegebenenfalls kann der Manipulator (62) (Industrieroboter) die Bauteilaufnahme (61) bzw. die Bauteile (20, 30) bewegen, um die Eintauchbewegung (Z1), die Anpressbewegung (Z2) sowie die Schweißbewegung (Z3) zu bewirken.
  • Das FSW-Werkzeug (10) kann während des Schweißverfahrens insgesamt mit einer einheitlichen Rotationsgeschwindigkeit gedreht werden. Alternativ können unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeiten und gegebenenfalls unterschiedliche Rotationsrichtungen für den Schweißstift (11) und die Schulter (12) vorgesehen sein.
  • Die Rotationsrichtung der Schulter (12) ist bevorzugt im Gegenlauf zur Bewegung des FSW-Werkzeugs (10) entlang der zweiten Stoßkante (31) orientiert (vgl. 1), d.h. entgegen einer Drehrichtung die beim Abwälzen des Schweißstifts (11) auf der Stoßkante (31) auftreten würde. Dasselbe gilt für die Rotationsrichtung des Schweißstifts (11).
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    FSW-Werkzeug
    11
    Schweißstift
    12
    Schulter
    13
    Konkave Außenkontur
    15
    Reib- oder Schneidfläche
    16
    Riefe / Längs-Riefe
    17
    Mantelfläche
    18
    Reib- oder Schneidkontur
    20
    Erstes Bauteil (niedriger Schmelzpunkt)
    21
    Erste Stoßkante
    22
    Außenoberfläche
    24
    Materialanhäufung
    30
    Zweites Bauteil (hoher Schmelzpunkt)
    31
    Zweite Stoßkante
    32
    Außenoberfläche auf Seite des FSW-Werkzeugs
    33
    Stoßkantenfläche
    34
    Materialanhäufung
    35
    Außenoberfläche von FSW-Werkzeug abgewandt
    36
    Aufrauhung / Aufriss
    37
    Aufrauhung / Aufriss
    40
    Plastifiziertes Material
    41
    Schweißnaht
    42
    Formschlüssige Verbindung
    42a
    Mikro-Formschluss
    42b
    Makro-Formschluss
    43
    Diffusions-Zone
    50
    Schweißverbindung
    60
    Bearbeitungsvorrichtung
    61
    Bauteilaufnahme / Spannwerkzeug
    62
    Manipulator
    63
    Kontaktierungssensor / Schwingungssensor
    64
    Steuerung
    65
    Wulstformausnehmung
    66
    Kraftsensor / Momentensensor
    110
    FSW-Werkzeug
    111
    Schweißstift
    112
    Schulter
    120
    Erstes Bauteil
    121
    Erste Stoßkante
    122
    Außenoberfläche auf Seite des FSW-Werkzeugs / Bearbeitungsseite
    125
    Außenoberfläche von FSW-Werkzeug abgewandt / Sichtseite
    130
    Zweites Bauteil
    131
    Zweite Stoßkante
    132
    Außenoberfläche auf Seite des FSW-Werkzeugs / Bearbeitungsseite
    133
    Stoßkantenfläche
    135
    Außenoberfläche von FSW-Werkzeug abgewandt / Sichtseite
    140
    Plastifiziertes Material
    141
    Schweißnaht
    144
    Profilüberstand / profilierte Nahtüberhöhung
    145
    Kissing Bond / Vermischungs-Fehlstelle
    146
    Profilstrang
    147
    Längseinschnürung
    148
    Ansatz der Nahtüberhöhung
    150
    Schweißverbindung
    160
    Bearbeitungsvorrichtung
    161
    Bauteilaufnahme / Spannvorrichtung
    165
    Ausnehmung / Profilierungsnut
    167
    Heiz- und/oder Kühlvorrichtung
    168
    Profilverengung
    169
    Trenneinrichtung
    170
    Überlaufabschnitt
    b
    Überstandsbreite der Nahtüberhöhung
    B
    Profilbreite
    h
    Überstandshöhe der Nahtüberhöhung
    H
    Profiltiefe
    HO
    Höhenlinie der Oberfläche(n) neben Schweißnaht
    N
    Nahtwurzelbreite
    T
    Trennlinie
    A1
    Erster Anstellwinkel, Neigung zu erstem Bauteil hin
    A2
    Zweiter Anstellwinkel, Neigung entgegen Schweißrichtung
    FN
    Anpresskraft (senkrecht auf zweite Stoßkante)
    K1
    Achse tangential zu Stoßkante
    K2
    Achse normal zu Stoßkante
    SR
    Schweißrichtung
    Z1
    Eintauch-Bewegung
    Z2
    Anpress-Bewegung
    Z3
    Schweiß-Bewegung

Claims (16)

  1. Rührreibschweißverfahren zum Verbinden mindestens zweier Bauteile (120, 130), umfassend die folgenden Schritte: – Positionieren eines ersten und eines zweiten Bauteils (120, 130) in Kontakt mit einer Bauteilaufnahme (161) unter Bildung eines Stumpf-Stoßes zwischen einer ersten Stoßkante (121) des ersten Bauteils (120) und einer zweiten Stoßkante (131) des zweiten Bauteils (130), wobei der Verlauf des Stump-Stoßes mit dem Verlauf einer Ausnehmung (165) in der Bauteilaufnahme (161) überlappt; – Herstellen einer FSW-Schweißverbindung (150) zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil (120, 130) unter Verwendung eines FSW-Werkzeugs (110) und Führung des FSW-Werkzeugs (110) entlang dem Verlauf des Stumpf-Stoßes, wobei plastifiziertes Material (140) in die Ausnehmung (165) in der Bauteilaufnahme (161) gefördert und dort zu einer profilierten Nahtüberhöhung (144) geformt wird.
  2. Rührreibschweißverfahren nach Anspruch 1, wobei das plastifizierte Material (140) in der Ausnehmung (165) unter Vorgabe der Überstandsbreite (b) der Nahtüberhöhung (144) geformt wird.
  3. Rührreibschweißverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das plastifizierte Material (140) in der Ausnehmung (165) unter Vorgabe der Überstandshöhe (h) der Nahtüberhöhung (144) geformt wird.
  4. Rührreibschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmung (165) einen Überlaufabschnitt (170) umfasst, der nicht oder nur teilweise mit plastifiziertem Material (140) gefüllt wird, insbesondere in Abhängigkeit von einem Überschuss an plastifiziertem Material (140).
  5. Rührreibschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das plastifizierte Material (140) in der Ausnehmung (165) zu einem Profilstrang (146) mit einer Längseinschnürung (147) geformt wird.
  6. Rührreibschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das FSW-Werkzeug (110) um eine normal zu den Stoßkanten (121, 131) verlaufende Achse (K2) von der Schweißrichtung (SR) weg geneigt (A2) ist.
  7. Rührreibschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Eintauchtiefe eines Schweißstifts (111) des FSW-Werkzeugs (110) größer oder gleich der Wanddicke der Bauteile (120, 130) im Stumpf-Stoß gewählt wird.
  8. Rührreibschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Materialanhäufung (24) gebildet ist und wobei die Materialanhäufung plastifiziert und mit dem Material zumindest eines der Bauteile (120, 130) vermischt wird.
  9. Rührreibschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erstarrungsverhalten des plastifizierten Materials (140) im Bereich der Nahtüberhöhung (165) durch gesteuerte Wärmezufuhr und/oder Wärmeabfuhr reguliert wird, insbesondere durch Betätigung einer an oder in der Bauteilaufnahme (161) angeordneten Heiz- und/oder Kühlvorrichtung (167).
  10. Rührreibschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nahtüberhöhung (165) abgetrennt wird, insbesondere auf der (gemeinsamen) Höhenlinie (HO) der Oberflächen (125, 135) der Bauteile (120, 130) oder auf einer Trennlinie (T), die im Bereich einer Längseinschnürung (147) einer als Profilstrang (146) ausgebildeten Nahtüberhöhung (144) verläuft.
  11. Rührreibschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Verlauf der Schweißnaht (141) unterschiedliche Querschnittsprofile für die Nahtüberhöhung (144) vorgesehen werden, insbesondere unterschiedliche vorgegebene Überstandshöhen (h).
  12. Bauteilaufnahme (161) zur stützenden Aufnahme von zumindest zwei Bauteilen (120, 130) für einen FSW-Schweißprozess, wobei die Bauteile (120, 130) unter Bildung eines Stumpf-Stoßes zwischen einer ersten Stoßkante (121) des ersten Bauteils (120) und einer zweiten Stoßkante (131) des zweiten Bauteils (130) in oder an der Bauteilaufnahme (161) positionierbar und fixierbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilaufnahme (161) eine entlang dem Stumpf-Stoß verlaufende Ausnehmung (165, 165‘, 165‘‘, 165‘‘‘) aufweist, in die während eines FSW-Schweißvorgangs plastifiziertes Material (140) förderbar ist, wobei die Ausnehmung (165, 165‘, 165‘‘, 165‘‘‘) dazu ausgebildet ist, das eingebrachte plastifizierte Material (140) zu einer Nahtüberhöhung (144) mit zumindest einer definierten Überstandshöhe (h) oder einer definierten Überstandsbreite (b) zu formen.
  13. Bauteilaufnahme nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Ausnehmung (165‘‘‘) dazu ausgebildet ist, das plastifizierte Material (140) zu einem Profilstrang (146) mit einer Längseinschnürung (147) zu formen.
  14. Bauteilaufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bauteilaufnahme (161) eine Heiz- und/oder Kühlvorrichtung (167) aufweist, die dazu ausgebildet ist, eine Wärmezufuhr und/oder Wärmeabfuhr im Bereich der Ausnehmung (165) zu regulieren.
  15. Bauteilaufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bauteilaufnahme (161) eine Trenneinrichtung (169) aufweist, die dazu ausgebildet ist, zumindest einen Teil der Nahtüberhöhung (144) abzutrennen, insbesondere im Bereich der Längseinschnürung (147).
  16. Bearbeitungsvorrichtung zur Durchführung eines Rührreibschweißverfahrens umfassend eine Bauteilaufnahme (161), einen Manipulator (62) und ein von dem Manipulator (62) geführtes FSW-Werkzeug (110), dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilaufnahme (161) nach einem der Ansprüche 11 bis 14 ausgebildet ist und/oder dass der Manipulator dazu ausgebildet ist, ein Rührreibschweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen.
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