DE102019006413A1

DE102019006413A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erhöhung der Schnelligkeit und der Erhöhung der Standfestigkeit des Schweißpins beim Rührreibschweißen.

Info

Publication number: DE102019006413A1
Application number: DE102019006413.5A
Authority: DE
Inventors: Markus Weigl
Original assignee: Grenzebach Maschinenbau GmbH
Current assignee: Grenzebach Maschinenbau GmbH
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2021-03-11
Also published as: MX2021007023A; CN113226620A; KR20210073582A; US20240058890A1; WO2021047706A1; CA3119929C; US20220001487A1; EP4028202A1; IL283246A; US11883901B2; BR112021009067A2; CA3119929A1; JP2022530588A

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zur Erhöhung der Schnelligkeit und der Erhöhung der Standfestigkeit des Schweißpins beim Rührreibschweißen mit den folgenden Vorrichtungs- Merkmalen:a) ein Werkzeug - Antrieb (1) trägt einen Halteflansch (2) für eine kegelförmige Werkzeugglocke (3) mit einer Überwurfmutter (4)b) ein ringförmiger Haltering (12) umschließt einen Pinschaft (6) mit einem am, Durchmesser des Halterings (12) befestigtenWerkzeugschuh (7), wobei der Werkzeugschuh (7) im Bereich der Pinspitze (10) eine Glätt - und Verdichtungs - Fläche (11) zum Glätten der Schweißnaht aufweist, wobei der Pinschaft die Breite des Werkzeugschuhs (7) aufweist,c) die Pinspitze (10) weist eine Reibringfläche (9) auf die eine Förderschnecke (8) für den Abtrieb des Materialtransports der Pinspitze (10) umschließt, die in der Windung entgegengesetzt verläuft zu der Windung der Pinspitze (10).

Description

Die Anmeldung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erhöhung der Schnelligke8t und der Erhöhung der Standfestigkeit des Schweißpins beim Rührreibschweißen.
Beim Rührreibschweißen wird im Fügebereich der zu verbindenden Materialien mittels der Reibung zwischen einem rotierenden, gleichzeitig translatorisch bewegten, und mit Druck aufgebrachten, Werkzeug Reibungswärme erzeugt, Das Werkzeug wird entlang des Fügebereichs bewegt und verrührt das praktifizierte Material im inneren der Naht der zu verbindenden, aneinander anstoßenden Materialien, wobei der aufgebrachte Druck das praktifizierte Material zusammenpresst. Am Ende der erzeugten Schweißnaht wird das Werkzeug aus dem Verbindungsbereich herausgezogen und die so entstandene Schweißnaht ist unmittelbar belastbar.
Zum Stand der Technik wird auf die, von der Anmelderin stammende, DE 20 2018 001 178 U1 verwiesen.
Hierbei handelt es sich um eine Vorrichtung zur Vermeidung einer Unterbrechung des Schweiß - Prozesses beim Rünrreibschweißen, insbesondere eines Bruchs des Reibstifs, mit den folgenden Merkmahlen;

a) mindestens drei im Winkel von 120 Grad zueinander ausgerichtete streifenförmige Sensoren (8) an den Längsseiten einer keilförmmigen Werkzeugglocke (7), wobei die Werkzeugglocke (7) einen Schweißpin (19) mittels eines Werkzeug - Aufnahmekegels (28) und einen Schweißschuh (11) führt und die Sensoren (8) zur Bestimmung von Kraft, Druck und Weg ausgebildet sind,
b) einer Kegel - Taillierung im unteren Bereich des Werkzeug - Aufnahme - Kegels (28) die der Aufnahme eines Sensors (22) zur Erfassung der Axialkraft, des Drehmoments und des Biegemoments an dem Schweißpin (19) dient,
c) einer Piezo - Vertikalverstellung für den Schweißpin (19)
d) einer Anordnung eines Laser Messsensors (10) im Bereich des Schweißschuhs (11) dessen Richtwirkung ein Rundloch (27) im Durchtrittsbereich der Pinspitze (12) überstreicht, wobei ein Luft-Schallsensor (3) gegenüber angeordnet ist und ein Schweißschuh - Temperatursensor vorgesehen ist,
e) einem Sensor - Signalverstärker (23) mit einer Rotor - Antenne zum Empfang, zur Verstärkung und zur Weiterleitung aller erfassten Messwerte, wobei diese Messwerte von einer statischen Antenne (16) an eine Maschinensteuerung weitergeleitet werden,
f) einem induktiven Stromversorgungs- System zur Versorgung des Mess - Systems aus einer sich bewegenden sekundären Wicklung (24) und einer stehenden primären Wicklung (25).

Bei dem Betrieb von Anlagen zum Rührreibschweißen können jedoch aufgrund von lokalen, stofflichen Veränderungen innerhalb von Schweißbaugruppen, beispielsweise durch Härteschwankungen bei Gusswerkstoffen, Brüche von Reibstiften auftreten.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, den wirtschaftlichen Betrieb einer Anlage zum Rührreibschweißen nicht nur zu sichern, sondern deren Schweiß - Geschwindigkeit zu erhöhen und die Lebensdauer des Reibwerkzeugs zu erhöhen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das zugrundeliegende Verfahren werden im Folgenden näher beschrieben.
Figurenliste

1: eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Werkzeugschuhs
2: eine Schräg - Ansicht der Halterung für den Schweißschuh
3: eine Detail - Ansicht aus dem Bereich des Pinschafts
4: eine Draufsicht auf die Laufspur im Bereich der Walzenrollen
5 eine Gesamtansicht des Pinschafts
6 eine Draufsicht auf den Vorgang des Schweißens

Die 1 zeigt eine direkte Seitenansicht des Werkzeugschuhs (7). Der Halteflansch (2) für die kegelförmige Werkzeugglocke (3) wird von oben mittels eines Werkzeug - Antriebs (1) angetrieben.
Der Werkzeugschuh (7) wird über eine Überwurfmutter (4) an der Werkzeugglocke (3) befestigt. Es können auch Radialschrauben hierzu verwendet werden.
Der Werkzeugschuh (7) ist mit seinem Pinschaft (6) im direkten Eingriff im zu verschweißenden Fügepartner (5) gezeigt.
Auf der linken Seite, am Halteflansch (2) für die Werkzeugglocke (3) befestigt, ist eine Hubvorrichtung (18) für einen Walzrollenarm (17) ( oder entsprechende Kugeln ) der die Führung zweier, parallele laufender Walzrollen (16) übernimmt, befestigt von denen eine (18) in der Seitenansicht zu sehen ist. Die Hubvorrichtung wird mit Piezos geregelt, wobei die Höhen - oder Andruckregelung der Rollen unabhängig von der eigentlichen Prozesskraftregelung dein muss. So kann sich der Druck der Walzenrollen dem entstandenen Grat anpassen, denn ein zu hoher Druck würde die Walzen in den Fügepartner einprägen, da die Walzen innerhalb der Wärmezone (15) die Fügepartner drücken (siehe 6 )
Die 2 zeigt eine Schräg - Ansicht der Halterung für den Schweißschuh.
Der durch den ringförmigen Haltering (12) des Schweißschuhs führende Pinschaft (6) trägt den Werkzeugschuh (7) mit seiner Glätt - und Verdichtungsfläche (11).
Der in die Pinspitze (10) auslaufende Pinschaft (6) trägt ebenfallls vor dem Erreichen der Pinspitze (10) eine entgegen dem Uhrzeigersinn gewendelte Förderschnecke (8), die das Drainage-Material stets in die Prozesszone fördert, wobei die Förderschnecke (8) im unteren Bereich von einer ringförmigen Reibringfläche (9) auf der Höhe der Glätt - und Verdichtungsfläche (11) umgeben ist die zur Erwärmung des Fügepartners, bzw. der Fügepartner (5), dient. Man könnte hier auch von einer zweiten, bzw. drehenden Restschulter sprechen. Durch das Fördern des Drainage-Materials über die Förderschnecke (8) nach unten wird der Ringspalt zwischen Radius-Pinschuh (14) und Pinschaft (6) nach oben abgedichtet. Drainage-Material ist die Bezeichnung für das Abriebmaterial, dass sich beim Schweißprozess aus den Fügepartnern (5) heraus löst und sich am Pin (6) ablagert.
Die 3 zeigt eine Detail - Ansicht aus dem Bereich des Pinschafts.
Her ist die ganz in einen Fügepartner (5) eintauchende Pinspitze (10) zu erkennen. wobei die schräg auf den Fügepartner (5), üblicherweise unter einem Winkel von 1,5 bis 5 Grad, auftreffende Glätt - und Verdichtungsfläche (11) im Werkzeugschuh (7) ihre Wirkung der Glättung und Verdichtung auf den Fügepartner (5) ausübt und im Pinschaft (6) die Förderschnecke (8) für den Abriebmaterialtransport und die Reibringfläche (9) zur Erwärmung des Fügepartners in ihrer Funktion zu sehen sind. Der Haltering (12), der durch den Maschinen - Umbau gestrichelt gezeichnet ist, ist aus der 2 bekannt.
Auf der linken Seite des Werkzeugschuhs (7) ist, ebenso wie die Überwurfmutter (4), der,aus der 1 bekannte Walzenrollenarm (17) mit einer Walzenrolle (16) im Querschnitt zu sehen, wobei Grat und Unebenheiten, auch die Schweißnahtkante, unter der Ziffer (20) in der Spur der Walzenrolle (16) skizziert sind Durch die geringe Gleitfläche (11) am Schuh ergiibt sich der Vorteil eines geringen Anpressdruck des Werkzeugs und eine schnellere Schweißgeschwindigkeit. Der Anpressdruck ist werkstoffspezifisch und daher fix. Aufgrund der geringen Kontaktfläche ist der Anpressdruck aber erheblich, das bedeutet aber bei gegebener Maschinenkraft kann schneller geschweißt werden. Es entsteht zwar hierdurch ein leichter Grat, der jedoch mit den Walzrollen leicht geglättet wird (im Übergangsbereich zwischen der Schweißnaht und dem Grundwerkstoff entlang der Flanken des Schweißschuhs.
4: zeigt eine Draufsicht auf die Laufspur im Bereich der Walzenrollen (16) oberhalb der beiden Fügepartner (5).
Auf der linken Seite sind von oben her, der zweiteilige Walzenrollenarm (17) mit der Schweißnahtkante (20) und der Nahtfläche (21) zu sehen, wobei die Glättfläche (11) mit ihrem Radius (14) zu sehen ist, die den Pinschaft umfasst.
Die 5: zeigt eine Gesamtansicht des Pinschafts
Der zentral senkrecht dargestellte Pinschaft (6) läßt verdeckt gestrichelt den Werkzeugschuh (7) mit seiner im unteren Bereich gelagerten Glätt - und Verdichtungsfläche (11), der Reibringfläche (9) und der Förderschnecke (8) zu erkennen. Die Pinspitze (10) ist ebenfalls zu sehen.
Aus dieser Konfiguration folgt eine schnellere Schweißgeschwindigkeit, eine längere Standzeit des Werkzeugs. Unter Anderem durch die reduzierte Eigenerwärmung des Werkzeugs durch die Förderschnecke (8) welche die innere Reibung verringert.
Die 6 zeigt eine Draufsicht auf den Vorgang des Schweißens.
Die Kurve (15) zeigt die Wärmezone des eigentlichen Schweißvorgangs, wobei die gestrichelte Mittellinie (19) der 6 die Stoßkante der zu verschweißenden Fügepartner (5) anzeigt
Die beiden Walzrollen (16) glätten die Unebenheiten bzw. Schweißnahtkanten (20). Mit (7) sind von oben die Begrenzungslinien des Schweißschuhs (7) gekennzeichnet. Die Glättfläche (11) mit ihrer Abrisskante (13) umrundet hälftig die Fläche (9), die als Reibungsfläche für die Fügepartner - Erwärmung bezeichnet wird.
Der Pinschaft (6) mit seiner Pinspitze (10) sind als Zentrum des Schweißvorgangs zu erkennen. Die Steuerung des Schweißprozesses mit seinen umfassenden Regulierungsmöglichkeiten erfordert ein spezielles Computerprogramm .
Bezugszeichenliste

1: Werkzeug - Antrieb
2: Halteflansch für Werkzeug - Glocke (Kegel)
3: Werkzeugglocke (Kegel)
4: Überwurfmutter für Werkzeugschuh
5: Fügepartner
6: Pinschaft
7: Werkzeugschuh
8: Förderschnecke für Abriebmaterial - Transport (auch als Austriebs-Gewinde bezeichnet.)
9: Reibring - Fläche zur Fügepartner - Erwärmung
10: Pinspitze
11: Glätt - und Verdichtungs - Fläche
12: Haltering für Schweißschuh
13: Abrisskante
14: Radius Pinschuh
15: Wärme - Verteil - Kurve
16: Walzrolle (oder Kugel)
17: Walzrollen - Arm
18: Hubvorrichtung für Walzrollenarm
19: Stoßkante der Fügepartner
20: Grat, Unebenheiten, Schweißnahtkante
21: Schweißnaht Nahtfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 202018001178 U1 [0003]

Claims

Vorrichtung zur Erhöhung der Schnelligkeit und der Erhöhung der Standfestigkeit des Schweißpins beim Rührreibschweißen, mit den folgenden Merkmalen: a) ein Werkzeug - Antrieb (1) trägt einen Halteflansch (2) für eine kegelförmige Werkzeugglocke (3) mit einer Überwurfmutter (4) b) ein ringförmiger Haltering (12) umschließt einen Pinschaft (6) mit einem am Durchmesser des Halterings (12) befestigten, Werkzeugschuh (7), wobei der Werkzeugschuh (7) im Bereich der Pinspitze (10) eine Glätt - und Verdichtungs - Fläche (11) zum Glätten der Schweißnaht aufweist, wobei der Pinschaft die Breite des Werkzeugschuhs (7) aufweist, c) die Pinspitze (10) weist eine Reibringfläche (9) auf die eine Förderschnecke (8) für den Abtrieb des Materialtransports der Pinspitze (10) umschließt, die in der Windung entgegengesetzt verläuft zu der Windung der Pinspitze (10).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass seitwärts eine Hubvorrichtung (18) für die Möglichkeit des Einschwenkens eines Walzenrollen - Arms (17) in den Bereich der Stoßkante (1) der Fügepartner (5) vorgesehen ist,
Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass die Glätt - und Verdichtungs - Fläche (11) an den Pinschaft (6) mit dem Halb - Radius (15) anschlließt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderschnecke (8) von der Glätt - und Verdichtungsfläche (1) aus ihren Anfang nimmt,
Verfahren zur Erhöhung der Schnelligkeit und der Erhöhung der Standfesti9gkeit des Schweißpins beim Rührreibschweißen, mit dem folgenden Merkmalen • ein Werkzeug - Antrieb (1) trägt eine kegelförmige Werkzeugglocke (3), wobei eine Hubvorrichtung (18) eines Walzenrollen - Arms (17) in den Bereich der Stoßkante (19) der Fügepartner (5) vorgesehen ist, wobei der Werkzeugschuh (7) eine Glätt - und Verdichtungs - Fläche (11) zum Glätten der Schweißnaht aufweist, eine Reibringfläche (9) auf weist die eine Förderschnecke (8) für den Abtrieb des Materialtransports der Pinspitze (10) umschließt, die in der Windung entgegengesetzt verläuft zu der Windung der Pinspitze (10).
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibringfläche (9) die Fügepartner (5) durch Reibung erwärmt und somit die Geschwindigkeit des Schweißvorgangs erhöht, wobei ein leichter Grat auf der linken und rechten Seite aufgeworfen wird, der jedoch mittels der Walzrollen (16) geebnet wird.
Verfahren für Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet. dass der Abstand die Abrisskante (13) der Glätt - und Verdichtungsfläche - Fläche (11) von dem Pinschaft (6) im Versuch optimiert wird.
Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung der Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird.
Maschinenlesbarer Träger mit dem Programmcode eines Computerprogramms zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird.