DE102018103991A1

DE102018103991A1 - Reibschweißvorrichtung

Info

Publication number: DE102018103991A1
Application number: DE102018103991.3A
Authority: DE
Inventors: Harald Weigl; Fritz Luidhardt; Stephan Fiebag
Original assignee: Harms & Wende & Co KG GmbH; Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Harms & Wende & Co KG GmbH; Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-02-22
Filing date: 2018-02-22
Publication date: 2019-08-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Reibschweißvorrichtung zum Reibschweißverbinden eines ersten Bauteils (1) mit einem zweiten Bauteil (2) durch ein Reibelement (3), welches einen Kopfabschnitt und einen Schaftabschnitt aufweist, die entlang einer Rotationsachse (R) aneinander angrenzend ausgebildet sind, wobei die Reibschweißvorrichtung ein Reibschweißwerkzeug (11) aufweist, das eine Halteeinrichtung (12) umfasst, die ausgebildet ist, das Reibelement (3) an dessen Kopfabschnitt aufzunehmen und zu halten, und das Reibschweißwerkzeug (11) ausgebildet ist, das an der Halteeinrichtung (12) aufgenommene Reibelement (3) zumindest in eine Axialrichtung entlang der Rotationsachse (R) zu bewegen, wobei die Reibschweißvorrichtung eine Reibelementerfassungsvorrichtung aufweist, welche ausgebildet ist, ein geometrisches Maß des Reibelements (3) zu bestimmen und zu erfassen, ob das Reibelement (3) in einer vorbestimmten Lage von dem Reibschweißwerkzeug (11) gehalten wird sowie ein zugehöriges Verfahren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Reibschweißvorrichtung zum Reibschweißverbinden eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil durch ein Reibelement.
Beim Reibschweißen handelt es sich um ein Schweißverfahren, bei dem zwei Fügeteile sich relativ zueinander bewegend und unter Druck aufeinander gepresst werden. Durch die Bewegung der Fügeteile und den Druck entsteht zwischen den Fügeteilen Hitze, welche zu einem Aufschmelzen der Fügeteile führt. Das aufgeschmolzene Material der Fügeteile vermischt sich, sodass nach einer Abkühlphase zwischen den Fügeteilen eine stoffschlüssige Verbindung bzw. Reibschweißverbindung entsteht.
Eine Variante des Reibschweißens sieht dabei vor, zwei Bauteile mittels eines Reibelements zu fügen. Dabei wird ein erstes Bauteil an ein zweites Bauteil angeheftet, indem das Reibelement in Rotation versetzt und durch Druck durch das erste Bauteil hindurch gerieben wird, bis es an dem zweiten Bauteil zur Anlage kommt, mit dem es dann nach dem oben beschriebenen Prinzip eine stoffschlüssige Verbindung eingeht. Dabei dienen das Reibelement und das zweite Bauteil als Fügeteile. Das Reibelement weist hierfür einen Schaftabschnitt auf, mit dem es das erste Bauteil durchdringt und mit dem es mit dem zweiten Bauteil die stoffschlüssige Verbindung eingeht. Ferner weist das Reibelement einen Kopfabschnitt auf, der an dem ersten Bauteil anliegt und dieses gegen das zweite Bauteil presst.
Das Reibelement und das zweite Bauteil müssen als Fügeteile aus einem für das Reibschweißen geeigneten Material, beispielsweise Stahl, bestehen, wohingegen dass erste Bauteil geeignet sein muss, von dem Schaftabschnitt des Reibelements durchrieben zu werden, ohne mit diesem eine stoffschlüssige Verbindung einzugehen. Das erste Bauteil ist folglich so weich, dass das Reibelement nicht bereits beim Durchreiben des ersten Bauteils aufgeschmolzen wird und in seine Dickenrichtung so dünn, dass der Schaftabschnitt des Reibelements das erste Bauteil durchdringen kann. Für das erste Bauteil eignen sich daher beispielsweise Kunststoffe oder Aluminium.
Aus dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Ausführungsformen von Reibschweißvorrichtungen für ein solches Verfahren bekannt. Oft werden mit einer Reibschweißvorrichtung verschiedene Reibschweißverbindungen hergestellt, die verschiedene Reibelemente benötigen. Beispielsweise unterscheiden sich die Reibelemente durch den Durchmesser ihres Kopfabschnitts, der Länge des Schaftabschnitts oder durch eine Beschichtung. Es gibt daher verschiedene Typen von Reibelementen, welche sich beispielsweise in den vorgenannten Eigenschaften unterscheiden. Die meisten aus dem Stand der Technik bekannten Reibschweißvorrichtungen sehen jedoch nicht die Möglichkeit vor, das jeweils für den Reibschweißvorgang zu verwendende Reibelement bezüglich seines Typs zu bestimmen. Dadurch kommt es bei Reibschweißverfahren mit den bekannten Reibschweißvorrichtungen immer wieder zu Produktionsfehlern, da nicht oder zumindest nicht rechtzeitig erkannt werden kann, dass für den Reibschweißvorgang kein für das Reibschweißverfahren vorbestimmter Typ eines Reibelements verwendet wird.
Die bekannten Reibschweißvorrichtungen sehen ferner zumeist nicht vor, zu prüfen, wie ein Reibelement in der an der Reibschweißvorrichtung vorgesehenen Aufnahme aufgenommen ist. Wird das Reibelement beispielsweise nicht zu seiner Rotationsachse zentriert gehalten und durch die Reibschweißvorrichtung rotiert, kommt es durch die Rotation an dem Reibelement zu einer Unwucht, durch welche sich das Reibelement aus der Aufnahme lösen kann oder zumindest kein Reibschweißprozess in seiner vorbestimmten Weise möglich ist.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine Reibschweißvorrichtung bereitzustellen, mit welcher vor dem Reibschweißverfahren sicherstellbar ist, das für das jeweilige Reibschweißverfahren ein dafür vorbestimmtes Reibelement verwendet wird, und mit welcher der Sitz des Reibelements an der Reibschweißvorrichtung prüfbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 und 6 gelöst.
Erfindungsgemäß wird hierzu eine Reibschweißvorrichtung zum Reibschweißverbinden eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil durch ein Reibelement vorgeschlagen. Das Reibelement weist hierfür einen Kopfabschnitt und einen Schaftabschnitt auf, die entlang einer Rotationsachse aneinander angrenzend ausgebildet sind. Die Reibschweißvorrichtung weist zur Durchführung des Reibschweißvorgangs ein Reibschweißwerkzeug auf, das eine Halteeinrichtung umfasst. Die Halteeinrichtung ist ausgebildet, das Reibelement an dessen Kopfabschnitt aufzunehmen und zu halten. Das Reibschweißwerkzeug mit der Halteeinrichtung ist ausgebildet, das an der Halteeinrichtung aufgenommene Reibelement zumindest in eine Axialrichtung entlang der Rotationsachse zu bewegen und das Reibelement um dessen Rotationsachse bzw. eine Achse des Reibschweißwerkzeugs zu rotieren. Ferner weist die Reibschweißvorrichtung eine Reibelementerfassungsvorrichtung auf, welche ausgebildet ist, ein geometrisches Maß des Reibelements und insbesondere des in der Halteeinrichtung aufgenommenen Reibelements zu bestimmen. Durch das geometrische Maß kann ein Rückschluss auf den Typ des Reibelements durchgeführt werden, da sich die verschiedenen Typen der Reibelemente durch ihre unterschiedlichen Abmaße unterscheiden. Hierfür wird von der Reibelementerfassungsvorrichtung beispielsweise die Länge des Schaftabschnitts entlang der Rotationsachse ermittelt. Abhängig von der Länge ist das jeweilige Reibelement einem bestimmten Typ eines Reibelements zuordenbar und überprüfbar, ob der Typ des jeweiligen Reibelements, dessen geometrisches Maß ermittelt wurde, für die Durchführung des jeweiligen Reibschweißverfahrens geeignet und vorbestimmt ist. Ferner ist die Reibelementerfassungsvorrichtung ausgebildet, zu erfassen, ob das Reibelement in einer vorbestimmten Lage von dem Reibschweißwerkzeug gehalten wird. Beispielsweise ist dadurch bestimmbar, ob das Reibelement von der Halteeinrichtung in seiner vorbestimmten Weise gehalten wird und/oder eine für das Reibschweißverfahren ausreichende Mindesthaltekraft auf das Reibelement wirkt. Ist die durch die Reibelementerfassungsvorrichtung erfasste Lage des Reibelements nicht geeignet die erforderliche Haltekraft für das Reibschweißverfahren zu übertragen, kann der Reibschweißvorgang abgebrochen oder korrigiert werden um einen Produktionsfehler zu vermeiden oder frühzeitig zu erkennen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Reibschweißvorrichtung einen Unterdruckerzeuger auf. Die Halteeinrichtung des Reibschweißwerkzeugs ist ferner ausgebildet, das Reibelement durch einen von dem Unterdruckerzeuger erzeugten Unterdruck an seinem Kopfabschnitt zu halten. Der Kopfabschnitt des Reibelements ist in diesem Fall dafür ausgebildet, dichtend an der Halteeinrichtung anzuliegen und durch Unterdruck an diesem gehalten zu werden. Die Reibelementerfassungsvorrichtung weist zusätzliche eine Unterdruckmessvorrichtung zur Messung des Unterdrucks auf, wodurch es möglich ist, den Unterdruck zu messen. Durch die Unterdruckmessvorrichtung ist bestimmbar, mit welchem Unterdruck und mit welcher Haltekraft das Reibelement an der Halteeinrichtung gehalten wird. Ist das Reibelement nicht in seiner vorbestimmten Lage von der Halteeinrichtung aufgenommen und sitzt beispielsweise schief in der Halteeinrichtung, wird kein für das Halten des Reibelements bzw. das Reibschweißverfahren nötige Mindesthaltekraft erreicht. Mittels der Unterdruckmessvorrichtung ist daher bestimmbar, ob das Reibelement in der vorbestimmten Lage in der Halteeinrichtung aufgenommen ist und ob die für das Reibschweißverfahren notwendige Haltekraft aufgebracht werden kann. Alternativ zu einer Unterdruckmessvorrichtung kann auch eine Luftströmung in einem Kanal ermittelt werden, der dazu dient den Unterdruck an dem Kopfabschnitt des Reibelements zu erzeugen. Ist die Luftströmung größer als ein vorbestimmter Wert ist das Reibelement nicht in seiner vorbestimmten Lage und dichtet nicht vollständig an der Halteeinrichtung ab, sodass Luft aus der Umgebung an dem Reibelement vorbei in den Kanal strömen kann.
Alternativ könnte die Halteeinrichtung das Reibelement auch mittels einer durch an der Halteeinrichtung ausgebildete Klemmbacken übertragenen Haltekraft gehalten werden, wobei die Reibelementerfassungsvorrichtung in diesem Fall beispielsweise Weg- und/oder Kraftsensoren an den Klemmbacken umfasst, die ausgebildet sind, durch eine Weg- und/oder Kraftmessung an den Klemmbacken zu erfassen, ob das jeweilige Reibelement in seiner vorbestimmten Lage und mit seiner vorbestimmten Haltekraft von der Halteeinrichtung aufgenommen ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Reibelementerfassungsvorrichtung zumindest eine Längenmessvorrichtung zur Messung einer axialen Länge des Reibelements auf. Durch die Längenmessvorrichtung sind die axiale Länge des Reibelements und insbesondere die axiale Länge des Schaftabschnitts des jeweils in der Halteeinrichtung aufgenommenen Reibelements bestimmbar, sodass über die ermittelte Länge ein Typ des in der Halteeinrichtung aufgenommenen Reibelements bestimmbar ist.
Die Längenmessvorrichtung weist in einer vorteilhaften Ausbildungsalternative ein Kraftmesssystem und ein Wegmesssystem auf. Das Wegmesssystem ist hierbei ausgebildet, die bei einer axialen Bewegung des Reibelements zurück gelegte axiale Strecke zu messen, wobei das Kraftmesssystem ausgebildet ist, die an der Halteeinrichtung in die Axialrichtung wirkende Kraft zu messen. Die axiale Bewegung des Reibelements ist dabei insbesondere die Bewegung des Reibelements von seiner Ausgangsposition zu den zu fügenden Bauteilen, also zu der Reibschweißstelle. Die Bewegung des Reibelements von seiner Ausgangsposition zu der Reibschweißstelle wird zumindest bis zu dem ersten Bauteil nicht behindert, sodass die Bewegung im Wesentlichen ungestört und ohne eine in Axialrichtung an der Halteeinrichtung wirkende bzw. angreifende Kraft durchführbar ist. Erreicht das Reibelement das erste Bauteil, wird die Bewegung durch das erste Bauteil behindert oder gestoppt, wodurch von dem Kraftmesssystem eine an dem Reibelement angreifende und auf die Halteeinrichtung übertragene Kraft gemessen wird. Wird die angreifende Kraft gemessen, wird die axiale Strecke zwischen der Ausgangsposition des Reibelements und dem Punkt, an dem die Kraft oder ein zu der Kraft führender Kraftsprung gemessen wurde, mittels des Wegmesssystems bestimmt. In einer zu der Reibschweißvorrichtung gehörenden Steuerung ist der Abstand zwischen der Ausgangsposition des Reibelements bzw. der Halteeinrichtung und der Reibschweißstelle gespeichert. Aus dem Abstand des Reibelements bzw. der Halteeinrichtung und der von dem Wegmesssystem ermittelten axialen Strecke ist die axiale Länge des Reibelements bestimmbar, wodurch der Typ des jeweils von der Halteeinrichtung aufgenommenen Reibelements ermittelbar ist.
Bei einer vorteilhaften alternativen Ausgestaltungsvariante umfasst die Längenmessvorrichtung zumindest eine Lichtschranke oder einen Lasersensor. Die zumindest eine Lichtschranke bzw. der Lasersensor ist ausgebildet, die bei einer axialen Bewegung des Reibelements zurück gelegte axiale Strecke oder unmittelbar die axiale Länge des Reibelements zu messen. Dafür sind beispielsweise mehrere in vorbestimmten Abständen angeordnete Lichtschranken vorgesehen und an der Reibschweißvorrichtung angeordnet. Wird ein Teil der Lichtschranken unterbrochen, kann eine Länge des Reibelements in Näherung bestimmt werden, wobei die vorbestimmten Abstände der Lichtschranken zueinander so gewählt sind, dass das jeweils von der Halteeinrichtung aufgenommene Reibelement einem Typ zuordenbar ist. Wird ein Lasersensor verwandt, ist dieser für die Wegmessung geeignet und kann beispielswiese indirekt die Länge des Reibelements durch die von dem Reibelement zurück gelegte axiale Strecke bestimmen oder die Länge des Reibeelements direkt messen, indem der Abstand des Reibelements von der Reibschweißstelle gemessen und mit einem in einer zu der Reibschweißvorrichtung gehörenden Steuerung hinterlegten Abstand der Halteeinrichtung zu der Reibschweißstelle verrechnet wird.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Reibschweißverfahren zum Reibschweißverbinden des ersten Bauteils mit dem zweiten Bauteil mit einer erfindungsgemäßen Reibschweißvorrichtung vorgeschlagen. Das Reibschweißverfahren umfasst hierfür zumindest die folgenden Schritte:

a. Aufnehmen des Reibelements und Halten des Reibelements an seinem Kopfabschnitt mittels der Halteeinrichtung;
b. Bewegen des Reibelements entlang der Axialrichtung zu einer Reibschweißposition mittels der Halteeinrichtung;
c. Rotieren des Reibelements um seine Rotationsachse mittels der Halteeinrichtung;
d. Durchreiben des ersten Bauteils mit dem Schaftabschnitt des zu der Reibschweißposition bewegten und rotierenden Reibelements;
e. Aufschmelzen des zweiten Bauteils an der Reibschweißposition mit dem Schaftabschnitt des rotierenden Reibelements nach dem Durchreiben des ersten Bauteils.

Bei einer vorteilhaften Variante des Verfahrens steht das Reibelement beim Verfahrensschritt des Bewegens des Reibelements zu der Reibschweißposition um seine Rotationsachse still, wird also nicht rotiert. Alternativ wird das Reibelement mit einer ersten Rotationsgeschwindigkeit rotiert, die niedriger ist als eine Rotationsgeschwindigkeit für das Durchreiben des ersten Bauteils und/oder das Aufschmelzen des zweiten Bauteils. Neben einem geringeren Energieverbrauch wird dadurch ein Aufsetzen des Reibelements auf die Reibschweißstelle bei keiner oder nur einer geringen Rotation möglich, wodurch die Genauigkeit und Qualität des Reibschweißverfahrens erhöht werden kann.
Bei dem Reibschweißverfahren ist zudem eine Variante vorteilhaft, bei der das Reibelement beim Verfahrensschritt des Durchreibens des ersten Bauteils mit einer zweiten Rotationsgeschwindigkeit rotiert wird, die niedriger ist als eine Rotationsgeschwindigkeit für das Aufschmelzen des zweiten Bauteils. Statt wie beim Stand der Technik meist vorgesehen beide Bauteile mit einer gleichbleibenden Rotationsgeschwindigkeit zu durchreiben, wird es dadurch möglich, die Rotationsgeschwindigkeit beim Durchreiben des ersten Bauteils und Aufschmelzen des zweiten Bauteils auf das jeweilige Bauteil anzupassen. Die Rotationsgeschwindigkeit ist jeweils auf das erste bzw. zweite Bauteil angepasst, wodurch eine höhere Qualität beim Durchreiben und beim Aufschmelzen des jeweiligen Bauteils erreicht wird.
Vorteilhaft ist ferner auch eine weitere Variante des Verfahrens, bei der eine erste insbesondere axiale Bewegungsgeschwindigkeit des Reibelements bei dem Bewegen des Reibelements zu einer Reibschweißposition höher ist als eine zweite insbesondere axiale Bewegungsgeschwindigkeit des Reibelements bei dem Durchreiben des ersten Bauteils oder dem Aufschmelzen des zweiten Bauteils. Durch die höhere erste Bewegungsgeschwindigkeit ist es möglich, das Reibelement schnell an die Reibschweißstelle zu bewegen und dort erst an Bewegungsgeschwindigkeit anzupassen, die für das Durchreiben des ersten Bauteils und/oder das Aufschmelzen des zweiten Bauteils geeignet ist. Durch die höhere erste Geschwindigkeit sind dadurch kürzere Fertigungszeiten erzielbar.
Um zu gewährleisten, dass sich das Reibelement nicht aus der Halteeinrichtung löst, sieht eine weitere vorteilhafte Verfahrensform vor, dass vor dem Verfahrensschritt des Rotierens und/oder dem Verfahrensschritt des Bewegens mittels der Reibelementerfassungsvorrichtung in einem Haltekraftermittlungsschritt ermittelt wird, ob das Reibelement in seiner vorbestimmten und bestimmungsgemäßen Lage aufgenommen wurde und/oder mit einer vorbestimmen und bestimmungsgemäßen Haltekraft gehalten wird, sodass das Reibschweißverfahren mit dem in der Halteeinrichtung aufgenommenen Reibelement durchführbar ist.
Ferner ist vorteilhaft, wenn vor dem Verfahrensschritt des Rotierens und/oder des Bewegens mittels der Reibelementerfassungsvorrichtung das geometrische Maß ermittelt wird und anhand des geometrischen Maßes ein Typ des Reibelements bestimmt wird. Anhand des Typs wird dann bestimmt, ob das jeweilige Reibelement, das in der Halteeinrichtung aufgenommen ist und dessen geometrisches Maß bestimmt wurde, für das jeweils durchzuführende Reibschweißverfahren geeignet ist. Beispielsweise wird die axiale Länge des Schaftabschnitts oder des gesamten Reibelements bestimmt, anhand der Länge ein Typ des Reibelements ermittelt und überprüft, ob der Typ aufgrund seiner Eigenschaften für das durchzuführende Reibschweißverfahren geeignet ist. Hierfür ist in der zugehörigen Steuerung hinterlegt, welches Reibschweißverfahren von der Reibschweißvorrichtung durchgeführt wird und welche Eigenschaften das jeweilige Reibelement erfüllen muss. Dazu zählt beispielsweise die Länge des Schaftabschnitts, da ein Reibelement mit einem zu kurzen Schaftabschnitt nicht geeignet ist das erste Bauteil vollständig zu durchreiben und zu durchdringen und daher keine oder eine nicht bestimmungsgemäße Reibschweißverbindung ausbildbar ist.
Die vorstehend offenbarten Merkmale sind beliebig kombinierbar, soweit dies technisch möglich ist und diese nicht im Widerspruch zueinander stehen.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

1a ein in der Halteeinrichtung in seiner vorbestimmten Lage aufgenommenes Reibelement;
1b ein in der Halteeinrichtung entgegen seiner vorbestimmten Lage aufgenommenes Reibelement;
2a ein Reibelement vor einer axialen Bewegung zu dem ersten Bauteil;
2b ein Reibelement nach einer axialen Bewegung zu dem ersten Bauteil.

Die Figuren sind beispielhaft schematisch. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hin.
In den 1a bis 2b ist jeweils schematisch eine Reibschweißvorrichtung dargestellt. Das erste Bauteil 1 und das zweite Bauteil 2 liegen aufeinander auf dem Gegenhalter 4 auf, der ausgebildet ist, während des Reibschweißverfahrens eine Gegenkraft in das zweite Bauteil 2 einzubringen, welche entgegen der axialen Kraft gerichtet ist, die durch das Reibelement bei dem Reibschweißverfahren in das zweite Bauteil 2 eingebrachten wird. Das Reibelement 3 ist jeweils in der Halteeinrichtung 12 aufgenommen und wird an dieser gehalten. Die Halteeinrichtung 12 weist hierzu einen Unterdruckkanal 13 auf, durch den Luft aus dem an das Reibelement 3 angrenzenden Unterdruckraum 14 gesaugt wird, wodurch dort ein Unterdruck erzeugt wird, der das Reibelement 3 an bzw. in der Halteeinrichtung 12 hält. Der Unterdruck wird von einem nicht dargestellten Unterdruckerzeuger erzeugt, mit dem der Unterdruckraum 14 mittels des Unterdruckkanals 13 strömungswirksam verbunden ist. Das Reibelement 3 und insbesondere der Kopfabschnitt des Reibelements 3 schließt an dem Unterdruckraum 14 im Wesentlichen dicht ab und wird dabei umlaufend zumindest an einem Teil des Kopfabschnitts von der geschnitten dargestellten Halteeinrichtung 12 aufgenommen. Die Halteeinrichtung 12 ist Bestandteil des Reibschweißwerkzeugs 11, das ausgebildet ist, die Halteeinrichtung 12 und mit der Halteeinrichtung 12 das an bzw. in ihr aufgenommene Reibelement 3 um die Achse A zu rotieren.
Das Reibelement 3 ist in 1a in seiner vorbestimmten Lage in der Halteeinrichtung 12 aufgenommen. Wodurch sich die Rotationsachse R des Reibelements mit der Achse A deckt. Das Reibelement 3 schließt den Unterdruckraum 14 dicht ab und liegt dadurch in der vorbestimmten Lage, mit welcher das Reibschweißverfahren durchführbar ist und in der die Rotationsachse R und die Achse A deckungsgleich sind. Um zu überprüfen, ob das Reibelement 3 in seiner vorbestimmten Lage in der Halteeinrichtung 12 aufgenommen ist, misst eine nicht dargestellte Unterdruckmessvorrichtung den Unterdruck in dem Unterdruckraum 14. Ist der Unterdruck in dem Unterdruckraum 14 oberhalb eines vorbestimmten Wertes, dichtet das Reibelemente 3 ausreichend an der Halteeinrichtung 12 ab, was bedeutet, dass das Reibelement 3 in der vorbestimmten Lage in der Halteeinrichtung 12 aufgenommen ist.
Ist das Reibelement 3, wie beispielsweise in 1b, nicht korrekt in der Halteeinrichtung 12 aufgenommen, kann Luft aus der Umgebung der Reibschweißvorrichtung an dem Reibelement 3 in den Unterdruckraum 14 und in den Unterdruckkanal 13 strömen, sodass in dem Unterdruckraum 14 kein oder kein ausreichend hoher Unterdruck für den Reibschweißvorgang aufgebaut werden kann. Dadurch ist der von der nicht dargestellten Unterdruckmessvorrichtung ermittelte Ist-Wert des Unterdrucks unterhalb des vorbestimmten Wertes, was bedeutet, dass das Reibelement 3 nicht in der vorbestimmten Lage in der Halteeinrichtung 12 aufgenommen ist. In einer nicht vorbestimmten Lage deckt sich die Rotationsachse R des Reibelements 3 zudem auch nicht mit der Achse A, wie es in 1b gezeigt ist.
Die 2a und 2b zeigen jeweils ein in seiner vorbestimmten Lage in der Halteeinrichtung 12 aufgenommenes Reibelement 3.
In 2a befindet sich die Halteeinrichtung 12 mit dem Reibelement 3 in seiner Ausgangslage. Der Abstand H₁ einer Auflagefläche des Kopfabschnitts des Reibelements 3 an der Halteeinrichtung 12 zu dem ersten Bauteil 1 bzw. die axiale Strecke H₁ zwischen diesen ist bekannt. Die axiale Strecke H₂ bzw. der Abstand H₂ zwischen der zu dem ersten Bauteil 1 gewandten Stirnfläche des Reibelements 3 bzw. dessen Schaftabschnitts ist unbekannt. Das Reibschweißwerkzeug 11 verfährt die Halteeinrichtung 12 entlang der Achse A in Richtung des ersten Bauteils 1, wobei die dabei zurückgelegte axiale Strecke von einem nicht dargestellten Wegmesssystem erfasst und gemessen wird. Stößt das Reibelement 3 an dem ersten Bauteil 1 an, wird die Bewegung des Reibelements 3 blockiert, wodurch eine der Bewegung entgegen gerichtete Kraft K entsteht, die sich von dem Reibelement 3 auf die Halteeinrichtung 12 und auf das Reibschweißwerkzeug 11 überträgt und an dem Reibschweißwerkzeug 11 von einem nicht dargestellten Kraftmesssystem gemessen wird. Übersteigt die gemessene Kraft K einen vorbestimmten Kraftwert, wird die Bewegung des Reibelements 3 entlang der Achse A in Richtung des ersten Bauteils 1 gestoppt. Die von dem Wegmesssystem erfasste bzw. gemessene axiale Strecke entspricht dadurch dem Abstand H₂ der zu dem ersten Bauteil 1 gerichteten Stirnseite des Reibelements 3 zu dem ersten Bauteil 1, bzw. der axialen Strecke H₂ zwischen diesen. Durch Subtraktion der axialen Strecke H₂ von dem bekannten und gespeicherten Abstand H₁ , ergibt sich die axiale Länge H₃ des Reibelements 3 (H₁ - H₂ = H₃).
Mit der axialen Länge H₃ wird ein Typ des Reibelements 3 bestimmt, das in der Halteeinrichtung 12 aufgenommen ist. Der Typ des Reibelements 3 ist dabei im Wesentlichen von der axialen Länge H₃ des jeweiligen Reibelements abhängig, sodass ein direkter Rückschluss möglich ist. Entspricht der Typ des Reibelements 3, das in der Halteeinrichtung 12 aufgenommen ist, dem Typ, der bei dem durchzuführenden Reibschweißvorgang verwendet werden soll, wird der Reibschweißvorgang bzw. das Reibschweißverfahren fortgesetzt. Ansonsten wird das Reibschweißverfahren abgebrochen. Alternativ kann mit der ermittelten axialen Länge H₃ durch direkten Vergleich auch unmittelbar geprüft werden, ob das Reibelement 3, das in der Haltevorrichtung 12 aufgenommen ist, ein Reibelement des bei dem durchzuführenden Reibschweißverfahren zu verwendenden Typs ist. Das abgebrochene Reibschweißverfahren kann nach einer Korrektur, wie dem Austausch des Reibelements 3 fortgesetzt werden.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Beispielsweise könnte das Reibelement eine Identifikationsnummer aufweisen, welche zur Bestimmung des Typs von einem Scanner an dem Reibschweißwerkzeug ausgelesen wird.

Claims

Reibschweißvorrichtung zum Reibschweißverbinden eines ersten Bauteils (1) mit einem zweiten Bauteil (2) durch ein Reibelement (3), welches einen Kopfabschnitt und einen Schaftabschnitt aufweist, die entlang einer Rotationsachse (R) aneinander angrenzend ausgebildet sind, wobei die Reibschweißvorrichtung ein Reibschweißwerkzeug (11) aufweist, das eine Halteeinrichtung (12) umfasst, die ausgebildet ist, das Reibelement (3) an dessen Kopfabschnitt aufzunehmen und zu halten, und das Reibschweißwerkzeug (11) ausgebildet ist, das an der Halteeinrichtung (12) aufgenommene Reibelement (3) zumindest in eine Axialrichtung entlang der Rotationsachse (R) zu bewegen, wobei die Reibschweißvorrichtung eine Reibelementerfassungsvorrichtung aufweist, welche ausgebildet ist, ein geometrisches Maß des Reibelements (3) zu bestimmen und zu erfassen, ob das Reibelement (3) in einer vorbestimmten Lage von dem Reibschweißwerkzeug (11) gehalten wird.
Reibschweißvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Reibschweißvorrichtung einen Unterdruckerzeuger aufweist, die Halteeinrichtung (12) ausgebildet ist, das Reibelement (3) durch einen von dem Unterdruckerzeuger erzeugten Unterdruck an seinem Kopfabschnitt zu halten, und die Reibelementerfassungsvorrichtung eine Unterdruckmessvorrichtung zur Messung des Unterdrucks aufweist.
Reibschweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reibelementerfassungsvorrichtung zumindest eine Längenmessvorrichtung zur Messung einer axialen Länge (H₃) des Reibelements (3) aufweist.
Reibschweißvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Längenmessvorrichtung ein Kraftmesssystem und ein Wegmesssystem aufweist, wobei das Wegmesssystem ausgebildet ist, die bei einer axialen Bewegung des Reibelements (3) zurück gelegte axiale Strecke (H₂) zu messen, und das Kraftmesssystem ausgebildet ist, die an der Halteeinrichtung in die Axialrichtung wirkende Kraft (K) zu messen.
Reibschweißvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch 3, wobei die Längenmessvorrichtung zumindest eine Lichtschranke oder einen Lasersensor umfasst, die/der ausgebildet ist, die bei einer axialen Bewegung des Reibelements (3) zurück gelegte axiale Strecke (H₂) oder unmittelbar die axiale Länge (H₃) des Reibelements zu messen.
Reibschweißverfahren zum Reibschweißverbinden des ersten Bauteils (1) mit dem zweiten Bauteil (2) mit einer Reibschweißvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Reibschweißverfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst: a. Aufnehmen des Reibelements (3) und Halten des Reibelements (3) an seinem Kopfabschnitt mittels der Halteeinrichtung (12); b. Bewegen des Reibelements (3) entlang der Axialrichtung zu einer Reibschweißposition mittels der Halteeinrichtung (12); c. Rotieren des Reibelements (3) um seine Rotationsachse (R) mittels der Halteeinrichtung (12); d. Durchreiben des ersten Bauteils (1) mit dem Schaftabschnitt des zu der Reibschweißposition bewegten und rotierenden Reibelements (3); e. Aufschmelzen des zweiten Bauteils (2) an der Reibschweißposition mit dem Schaftabschnitt des rotierenden Reibelements (3) nach dem Durchreiben des ersten Bauteils (1).
Reibschweißverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Reibelement (3) beim Verfahrensschritt des Bewegens des Reibelements (3) zu der Reibschweißposition um seine Rotationsachse (R) stillsteht oder mit einer ersten Rotationsgeschwindigkeit rotiert wird, die niedriger ist als eine Rotationsgeschwindigkeit für das Durchreiben des ersten Bauteils (1) und/oder das Aufschmelzen des zweiten Bauteils (2).
Reibschweißverfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 7, wobei das Reibelement (3) beim Verfahrensschritt des Durchreibens des ersten Bauteils (1) mit einer zweiten Rotationsgeschwindigkeit rotiert wird, die niedriger ist als eine Rotationsgeschwindigkeit für das Aufschmelzen des zweiten Bauteils (2).
Reibschweißverfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, wobei eine erste Bewegungsgeschwindigkeit des Reibelements (3) bei dem Bewegen des Reibelements (3) zu einer Reibschweißposition höher ist als eine zweite Bewegungsgeschwindigkeit des Reibelements (3) bei dem Durchreiben des ersten Bauteils (1) oder dem Aufschmelzen des zweiten Bauteils (2).
Reibschweißverfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, wobei vor dem Rotieren und/oder dem Bewegen mittels der Reibelementerfassungsvorrichtung in einem Haltekraftermittlungsschritt ermittelt wird, ob das Reibelement (3) in seiner vorbestimmten Lage aufgenommen wurde und/oder mit einer vorbestimmen Haltekraft gehalten wird.
Reibschweißverfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 10, wobei vor dem Rotieren und/oder dem Bewegen mittels der Reibelementerfassungsvorrichtung das geometrische Maß ermittelt wird und anhand des geometrischen Maßes ein Typ des Reibelements (3) bestimmt wird.