DE102019218967A1

DE102019218967A1 - Reibschweißeinrichtung zum Verbinden von Bauteilen durch Reibschweißen, Verfahren zum Verbinden von Bauteilen durch Reibschweißen und Bauteilverbund

Info

Publication number: DE102019218967A1
Application number: DE102019218967.9A
Authority: DE
Inventors: Karl-Hermann Richter; Herbert Hanrieder
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2019-12-05
Filing date: 2019-12-05
Publication date: 2021-06-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Reibschweißeinrichtung (10) zum Verbinden von Bauteilen (12, 14) durch Reibschweißen, mit Spannvorrichtungen (20, 40), von welchen eine erste Spannvorrichtung (20) zum Einspannen eines ersten Bauteils (12) und eine zweite Spannvorrichtung (40) zum Einspannen eines zweiten Bauteils (14) ausgebildet ist, mit wenigstens einer Bewegungsvorrichtung (80), welche dazu eingerichtet ist wenigstens eine der Spannvorrichtungen (20, 40) relativ zur anderen der Spannvorrichtungen (20, 40) zum Aneinanderpressen und Verbinden der Bauteile (12, 14) durch Reibschweißen zu bewegen, und mit wenigstens einer ersten Induktionsvorrichtung (60) zum Erwärmen zumindest eines der Bauteile (12, 14). Die wenigstens eine erste Induktionsvorrichtung (60) ist in die erste Spannvorrichtung (20) integriert. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilen (12, 14) durch Reibschweißen sowie einen Bauteilverbund (16).

Description

Die Erfindung betrifft eine Reibschweißeinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilen durch Reibschweißen sowie einen Bauteilverbund.
Beim Verbinden von Bauteilen durch Reibschweißen werden die Bauteile an einem gemeinsamen Fügebereich aneinander gepresst und letzterer durch Reibungswärme infolge einer Relativbewegung zwischen den Bauteilen erwärmt. Dabei kommt es zur lokalen Erwärmung und Plastifizierung der Bauteile im Fügebereich und schließlich zum Fügen, also zum Verbinden, der Bauteile. Ein Vorteil des Reibschweißens besteht darin, dass bei diesem Fügeverfahren - anders als bei anderen Schmelzschweißverfahren - keine schmelzflüssige Phase entsteht, wodurch die Bildung von Poren, Lunkern, Rissen, etc. unterbunden werden kann.
Aus der US 2002/0036225 A1 ist eine Reibschweißvorrichtung zum Reibschweißen einer ersten Komponente und einer zweiten Komponente miteinander bekannt. Die erste Komponente weist eine erste Schweißfläche und die zweite Komponente eine zweite Schweißfläche auf. Die Reibschweißvorrichtung weist Mittel zum Zusammenführen der ersten Schweißfläche der ersten Komponente und der zweiten Schweißfläche der zweiten Komponente unter einer Last zum Bilden einer Schweißgrenzfläche auf. Darüber hinaus weist die Reibschweißvorrichtung Mittel zum gleichzeitigen Bewegen mindestens einer der Komponenten relativ zur anderen auf, um Reibungswärme an der Schweißgrenzfläche zu erzeugen. Des Weiteren weist die Reibschweißvorrichtung eine Heizeinrichtung auf, um Temperaturen in der zweiten Komponente neben der zweiten Schweißfläche zu steuern, wodurch die Duktilität der zweiten Komponente gesteuert wird. Die Heizeinrichtung weist eine Induktionsheizung auf.
Die EP 1 946 877 A1 beschreibt ein Reibschweißverfahren zum Herstellen eines Metallfügeteiles, wobei zwei Verbindungsteile mit Kontaktflächen mit einem Reibdruck in Kontakt gebracht werden. Eines der Verbindungsteile wird dabei relativ zum anderen Verbindungsteil bewegt, wobei nach einer Reibzeit die Relativbewegung abgebremst wird. Die Verbindungsteile werden während einer Stauchzeit mit einem Stauchdruck, der höher ist als der Reibdruck, gegeneinander gedrückt. Die Temperatur des Metallfügeteiles wird während und nach der Stauchzeit mittels induktiver Erwärmung oberhalb von 750°C gehalten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Reibschweißeinrichtung sowie eine Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, durch welche infolge eine Beschädigung einer Induktionsspule vermieden werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin einen Bauteilverbund, welcher durch Reibschweißen miteinander verbundene Bauteile umfasst, zu schaffen.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Reibschweißeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 und durch einen Bauteilverbund gemäß Patentanspruch 14 gelöst.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Reibschweißeinrichtung zum Verbinden von Bauteilen durch Reibschweißen, mit Spannvorrichtungen, von welchen eine erste Spannvorrichtung zum Einspannen eines ersten Bauteils und eine zweite Spannvorrichtung zum Einspannen eines zweiten Bauteils ausgebildet ist, mit wenigstens einer Bewegungsvorrichtung, welche dazu eingerichtet ist wenigstens eine der Spannvorrichtungen relativ zur anderen der Spannvorrichtungen zum Aneinanderpressen und Verbinden der Bauteile durch Reibschweißen zu bewegen, und mit wenigstens einer ersten Induktionsvorrichtung zum Erwärmen zumindest eines der Bauteile.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die wenigstens eine erste Induktionsvorrichtung in die erste Spannvorrichtung integriert ist. Dies ist von Vorteil, da durch Integration der ersten Induktionsvorrichtung in die erste Spannvorrichtung eine mechanische Beschädigung der Induktionsvorrichtung bzw. ein elektrischer Kurzschluss zwischen der ersten Induktionsvorrichtung und einem der Bauteile bei der induktiven Erwärmung vermieden werden kann. Durch die Integration der ersten Induktionsvorrichtung in die erste Spannvorrichtung kann die erste Spannvorrichtung die erste Induktionsvorrichtung zumindest bereichsweise, vorzugsweise vollständig, umgeben. Insbesondere kann dadurch die erste Induktionsvorrichtung innerhalb der ersten Spannvorrichtung angeordnet sein, wodurch eine Beschädigung beispielsweise einer Induktionsspule der Induktionsvorrichtung durch den Kurzschluss bzw. durch einen „Flash“ wirksam unterbunden werden kann. Zumindest ein Vorrichtungsbereich der ersten Spannvorrichtung kann zwischen der ersten Induktionsvorrichtung und dem anhand der ersten Spannvorrichtung eingeklemmten, ersten Bauteil angeordnet sein. Die erste Spannvorrichtung kann insbesondere als Isolator für die erste Induktionsvorrichtung ausgebildet sein.
Durch die Integration der ersten Induktionsvorrichtung in die erste Spannvorrichtung ist es möglich, die erste Induktionsvorrichtung mit einer besonders hohen elektrischen Leistung zu versorgen, ohne dadurch zu riskieren, dass es zu einem elektrischen Kurzschluss zwischen der ersten Induktionsvorrichtung und einem der Bauteile kommt. Durch die Möglichkeit die erste Induktionsvorrichtung mit dieser hohen elektrischen Leistung zu versorgen kann das Erwärmen der Bauteile einerseits besonders zügig erfolgen, und andererseits hohe Bauteiltemperaturen infolge des Erwärmen mittels der ersten Induktionsvorrichtung erzielt werden. So ist es beispielsweise problemlos möglich das erste Bauteil und zusätzlich oder alternativ das zweite Bauteil auf eine Temperatur größer oder gleich 750 °C zu erwärmen, wodurch die Reibschweißeinrichtung auch eingesetzt werden kann, wenn das erste Bauteil und zusätzlich oder alternativ das zweite Bauteil aus Titanaluminid, kurz TiAl, gebildet ist.
Anhand der Bewegungsvorrichtung können die Bauteile, also das erste Bauteil und das zweite Bauteil, aufeinandergepresst werden. Die mittels der Bewegungsvorrichtung aneinandergepressten Bauteile können durch das relative Bewegen zumindest einer der Spannvorrichtungen relativ zur anderen Spannvorrichtung miteinander reibverschweißt, also durch das Reibschweißen miteinander verbunden werden. Durch das relative Bewegen der aneinandergepressten Bauteile kann also das Verbinden durch Reibschweißen bewirkt werden. Durch das relative Bewegen kann das Reibschweißen als Rotationsreibschweißen oder als Linearreibschweißen erfolgen. Die erste Spannvorrichtung kann anhand der Bewegungsvorrichtung, welche auch als erste Bewegungsvorrichtung bezeichnet werden kann, relativ zur zweiten Spannvorrichtung bewegt werden um zunächst die Bauteile aneinander zu pressen und anschließend das Verbinden der Bauteile durch Reibschweißen zu bewirken. Alternativ dazu kann auch die zweite Spannvorrichtung relativ zur ersten Spannvorrichtung bewegt werden, um zunächst die Bauteile aneinander zu pressen und anschließend das Verbinden der Bauteile durch Reibschweißen zu bewirken. Denkbar ist auch, dass beide Spannvorrichtungen relativ zueinander bewegt werden um dadurch die Bauteile aneinander zu pressen und anschließend durch Reibschweißen zu verbinden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die wenigstens eine erste Induktionsvorrichtung in ein erstes Gehäuse der ersten Spannvorrichtung integriert. Dies ist von Vorteil, da durch das erste Gehäuse, welches auch als erstes Spannvorrichtungsgehäuse bezeichnet werden kann, ein wirksamer Schutz der ersten Induktionsvorrichtung vor Umgebungseinflüssen gegeben ist. Darüber hinaus kann anhand des ersten Gehäuses eine Abschirmung der ersten Induktionsvorrichtung erfolgen. Mit anderen Worten kann das erste Gehäuse zur Abschirmung der ersten Induktionsvorrichtung gegenüber einer Umgebung der Reibschweißvorrichtung erfolgen.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die erste Spannvorrichtung relativ zueinander bewegbare erste Spannbacken auf, welche zumindest bereichsweise in einen ersten Spuleninnenraum einer ersten Induktionsspule der wenigstens einen ersten Induktionsvorrichtung eingeführt sind. Dies ist von Vorteil, da die ersten Spannbacken dadurch eine Doppelfunktion erfüllen können. Einerseits kann anhand der ersten Spannbacken das Einspannen des ersten Bauteils erfolgen, andererseits können die ersten Spannbacken den Kurschluss zwischen dem ersten Bauteil und der ersten Induktionsvorrichtung wirksam unterbinden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch das zumindest bereichsweise Einführen der ersten Spannbacken in den ersten Spuleninnenraum eine besonders kompakte Anordnung aus der ersten Spannvorrichtung und der ersten Induktionsvorrichtung geschaffen werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst wenigstens eine der relativ zueinander bewegbaren ersten Spannbacken einen ersten Absatzbereich zur axialen Abstützung des ersten Bauteils, sowie einen mit dem ersten Absatzbereich verbundenen ersten Klemmbereich zum Einklemmen des ersten Bauteils, wobei der erste Klemmbereich eine kleinere Wandstärke aufweist als der erste Absatzbereich. Der erste Klemmbereich kann sich entlang einer Axialerstreckungsrichtung der ersten Spannbacken von dem ersten Absatzbereich weg erstrecken. Dies ist von Vorteil, da hierdurch einerseits die axiale Abstützung des ersten Bauteils beim Aneinanderpressen an das zweite Bauteil anhand der wenigstens einen ersten Spannbacke erfolgen kann und andererseits - aufgrund der kleineren Wandstärke des ersten Klemmbereichs - eine relativ geringe Störung eines zum Erwärmen des ersten Bauteils mittels der ersten Induktionsvorrichtung aufgebauten ersten Magnetfelds erfolgt.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der erste Absatzbereich außerhalb des ersten Spuleninnenraums und der erste Klemmbereich innerhalb des ersten Spuleninnenraums angeordnet. Dies ist von Vorteil, da hierdurch eine besonders geringe Störung des zum Erwärmen des ersten Bauteils mittels der ersten Induktionsvorrichtung aufgebauten ersten Magnetfelds erfolgt, zumal der außerhalb des ersten Spuleninnenraums angeordnete erste Absatzbereich das erste Magnetfeld kaum oder nur unwesentlich beeinflusst.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die wenigstens eine Bewegungsvorrichtung zur Bewegung der ersten Spannvorrichtung zusammen mit der ersten Induktionsvorrichtung und dem ersten Bauteil relativ zur zweiten Spannvorrichtung ausgebildet. Anhand der Bewegungsvorrichtung kann also in vorteilhafter Weise das gleichzeitige Bewegen der ersten Spannvorrichtung zusammen mit der ersten Induktionsvorrichtung und dem ersten Bauteil erfolgen, wodurch eine zusätzliche Ausrichtung beispielsweise der ersten Induktionsvorrichtung zum Erwärmen des ersten Bauteils entfallen kann.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Bewegungsvorrichtung dazu eingerichtet, die erste Spannvorrichtung zusammen mit der ersten Induktionsvorrichtung und dem ersten Bauteil translatorisch relativ zur zweiten Spannvorrichtung zu bewegen um das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil durch Reibschweißen zu verbinden. Dies ist von Vorteil, da hierdurch anhand der Bewegungsvorrichtung das Reibschweißen als Linearreibschweißen durchgeführt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Bewegungsvorrichtung dazu eingerichtet, die erste Spannvorrichtung zusammen mit der ersten Induktionsvorrichtung und dem ersten Bauteil rotatorisch relativ zur zweiten Spannvorrichtung zu bewegen um dadurch das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil durch Reibschweißen zu verbinden. Dies ist von Vorteil, da hierdurch anhand der Bewegungsvorrichtung das Reibschweißen als Rotationsreibschweißen durchgeführt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Reibschweißeinrichtung eine zweite Bewegungsvorrichtung, welche dazu eingerichtet ist, die zweite Spannvorrichtung zusammen mit einer zweiten Induktionsvorrichtung der Reibschweißeinrichtung und dem zweiten Bauteil relativ zur ersten Spannvorrichtung zu bewegen um dadurch das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil durch Reibschweißen zu verbinden. Dies ist von Vorteil, da hierdurch auch die zweite Spannvorrichtung zum Durchführen des Reibschweißens herangezogen werden kann. Denkbar ist beispielsweise die zweite Bewegungsvorrichtung zusätzlich zur (ersten) Bewegungsvorrichtung zu betreiben, um beide Bauteile zum Durchführen des Reibschweißens relativ zueinander zu bewegen. Dadurch kann das Verbinden der Bauteile durch das Reibschweißen beschleunigt werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilen durch Reibschweißen, bei welchem anhand einer ersten Spannvorrichtung ein erstes Bauteil und anhand einer zweiten Spannvorrichtung ein zweites Bauteil eingespannt wird, bei welchem eine Bewegungsvorrichtung herangezogen wird, um zumindest eine der Spannvorrichtungen relativ zur anderen der Spannvorrichtungen zu bewegen und dadurch die Bauteile aneinander zu pressen und anschließend durch Reibschweißen zu verbinden, und bei welchem wenigstens eine in die erste Spannvorrichtung integrierte erste Induktionsvorrichtung zum Erwärmen zumindest des ersten Bauteils herangezogen wird. Die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Reibschweißeinrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung vorgestellten Merkmale sowie deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und umgekehrt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das erste Bauteil anhand der ersten Induktionsvorrichtung erwärmt, bevor die Bauteile aneinander gepresst werden. Dies ist von Vorteil, da hierdurch ausschließlich das erste Bauteil mittels der ersten Induktionsvorrichtung erwärmt werden kann und nach dem Erwärmen das Aneinanderpressen der beiden Bauteile erfolgen kann. Durch einen dadurch entstehenden Kontakt zwischen den beiden Bauteilen kann eine Kontaktwärmeübertragung von dem ersten Bauteil an das zweite Bauteil erfolgen, wobei in vorteilhafter Weise insbesondere ein unmittelbar an das erste Bauteil gepresster Kontaktbereich des zweiten Bauteils, an welchem das Verbinden der Bauteile durch Reibschweißen erfolgt, erwärmt wird. Durch das Erwärmen des ersten Bauteils anhand der ersten Induktionsvorrichtung vor dem Aneinanderpressen der Bauteile kann also eine, zumindest im Hinblick auf das zweite Bauteil besonders bedarfsgerechte und lokal begrenzte Erwärmung unter vergleichsweise geringem Energieaufwand erfolgen.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird zumindest das erste Bauteil anhand der ersten Induktionsvorrichtung erwärmt, während die Bauteile durch das Reibschweißen miteinander verbunden werden. Dies ist von Vorteil, da hierdurch das Erwärmen anhand der ersten Induktionsvorrichtung und das Verbinden der Bauteile durch das Reibschweißen zeitlich parallel, also mit anderen Worten gleichzeitig erfolgen kann, wodurch eine Zeitersparnis beim Verbinden der Bauteile erreicht werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird zumindest das erste Bauteil nach dem Verbinden der Bauteile durch das Reibschweißen anhand der ersten Induktionsvorrichtung erwärmt. Dies ist von Vorteil, da hierdurch unmittelbar nach dem Verbinden der Bauteile durch das Reibschweißen entstehende thermische Spannungen, welche zu makroskopischen Rissen führen können, vermieden werden können. Das Erwärmen nach dem Verbinden der Bauteile anhand der ersten Induktionsvorrichtung kann auch als Nachwärmen bezeichnet werden.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft einen Bauteilverbund, umfassend durch Reibschweißen miteinander verbundene Bauteile, welcher mittels einer Reibschweißeinrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und/oder mittels eines Verfahrens gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung hergestellt ist. Dieser Bauteilverbund kann ohne einen elektrischen Kurzschluss hergestellt werden, sodass der Bauteilverbund trotz induktiver Erwärmung keine Beschädigungen aufweist. Durch das induktive Erwärmen weist der Bauteilverbund insbesondere keine Spannungsrisse auf. Des Weiteren können durch das induktive Erwärmen Bauteilspannungen, welche infolge des Verbindens der Bauteile durch Reibschweißen innerhalb des Bauteilverbunds entstehen, signifikant reduziert werden.
Die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Reibschweißeinrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung vorgestellten Merkmale sowie deren Vorteile gelten entsprechend für den erfindungsgemäßen Bauteilverbund gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung und umgekehrt.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und den Ausführungsbeispielen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in den Ausführungsbeispielen genannten und/oder alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondem auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Ausführungsbeispielen nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Dabei zeigt:

Die einzige FIG. zeigt in schematischer Darstellung eine Reibschweißeinrichtung 10 zum Verbinden von Bauteilen, nämlich eines ersten Bauteils 12 und eines zweiten Bauteils 14 durch Reib schweißen.

Die Reibschweißeinrichtung 10 umfasst vorliegend zwei Spannvorrichtungen, nämlich eine erste Spannvorrichtung 20 und eine zweite Spannvorrichtung 40. Anhand der ersten Spannvorrichtung 20 ist das erste Bauteil 12 und anhand der zweiten Spannvorrichtung 40 das zweite Bauteil 14 eingespannt, wie der Fig. zu entnehmen ist. Die Reibschweißeinrichtung 10 umfasst des Weiteren zwei Bewegungsvorrichtungen, nämlich eine erste Bewegungsvorrichtung 80 und eine zweite Bewegungsvorrichtung 90.
Die erste Bewegungsvorrichtung 80 ist dazu eingerichtet, die erste Spannvorrichtung 20 relativ zur zweiten Spannvorrichtung 40 derart zu bewegen, dass durch das Bewegen der ersten Spannvorrichtung 20 mittels der ersten Bewegungsvorrichtung 80 die Bauteile 12, 14 aneinandergepresst und anschließend das Verbinden der Bauteile 12, 14 durch das Reibschweißen infolge der Bewegung der ersten Spannvorrichtung 20 mittels der ersten Bewegungsvorrichtung 80 bewirkt werden kann. Zudem kann vorgesehen sein, dass die zweite Bewegungsvorrichtung 90 dazu eingerichtet ist die zweite Spannvorrichtung 40 relativ zur ersten Spannvorrichtung 20 derart zu bewegen, dass durch das Bewegen der zweiten Spannvorrichtung 40 mittels der zweiten Bewegungsvorrichtung 90 die Bauteile 12, 14 aneinandergepresst und anschließend das Verbinden der Bauteile 12, 14 durch das Reibschweißen infolge der Bewegung der zweiten Spannvorrichtung 40 mittels der zweiten Bewegungsvorrichtung 90 bewirkt werden kann. Durch die Möglichkeit sowohl die erste Spannvorrichtung 20 als auch die zweite Spannvorrichtung 40 zu bewegen, kann eine höhere Relativgeschwindigkeit und damit eine größerer Energieeintrag erzielt werden, der sich vorteilhaft auswirken kann.
Vorliegend ist die erste Spannvorrichtung 20 ebenso wie die erste Bewegungsvorrichtung 80 an einer bewegbaren Seite 18 der Reibschweißvorrichtung 10 und dabei an einem bewegbaren Gestell 19 der Reibschweißvorrichtung 10 aufgenommen. Die zweite Spannvorrichtung 40 ist hingegen ebenso wie die zweite Bewegungsvorrichtung 90 an einer stationären Seite 16 der Reibschweißvorrichtung 10 und dabei an einem stationären Gestell 17 der Reibschweißvorrichtung 10 aufgenommen.
Die Reibschweißvorrichtung 10 umfasst des Weiteren zwei Induktionsvorrichtungen, nämlich eine erste Induktionsvorrichtung 60 und eine zweite Induktionsvorrichtung 70. Die erste Induktionsvorrichtung 60 dient zum induktiven Erwärmen des ersten Bauteils 12. Die zweite Induktionsvorrichtung 70 dient zum induktiven Erwärmen des zweiten Bauteils 14. Die Bewegungsvorrichtungen 80, 90 sowie die Induktionsvorrichtungen 60, 70 können anhand eines Steuergeräts 11 der Reibschweißvorrichtung 10 angesteuert, also gesteuert und zusätzlich oder alternativ geregelt werden.
Die erste Induktionsvorrichtung 60 ist vorliegend in die erste Spannvorrichtung 20 integriert. Dabei ist die erste Induktionsvorrichtung 60 in einem ersten Gehäuse 22 der ersten Spannvorrichtung 20 aufgenommen und dadurch in das erste Gehäuse 22 integriert. Das erste Gehäuse 22 kann auch als erstes Spannvorrichtungsgehäuse oder als erste Einhausung bezeichnet werden.
Die zweite Induktionsvorrichtung 70 ist vorliegend in die zweite Spannvorrichtung 40 integriert. Dabei ist die zweite Induktionsvorrichtung 70 in einem zweiten Gehäuse 42 der zweiten Spannvorrichtung 40 aufgenommen und dadurch in das zweite Gehäuse 42 integriert. Das zweite Gehäuse 42 kann auch als zweites Spannvorrichtungsgehäuse oder als zweite Einhausung bezeichnet werden.
Die erste Spannvorrichtung 20 umfasst relativ zueinander bewegbare erste Spannbacken 24, 26, welche bereichsweise in einen ersten Spuleninnenraum 64 einer ersten Induktionsspule 62 der ersten Induktionsvorrichtung 60 eingeführt sind. Die zweite Spannvorrichtung 40 umfasst relativ zueinander bewegbare zweite Spannbacken 44, 46 welche bereichsweise in einen zweiten Spuleninnenraum 74 einer zweiten Induktionsspule 72 der zweiten Induktionsvorrichtung 70 eingeführt sind.
Die ersten Spannbacken 24, 26 umfassen einen ersten Absatzbereich 28 zur axialen Abstützung des ersten Bauteils 12, sowie einen mit dem ersten Absatzbereich 28 verbundenen ersten Klemmbereich 30 zum Einklemmen des ersten Bauteils 12, wobei der erste Klemmbereich 30 eine kleinere Wandstärke 31 aufweist als der erste Absatzbereich 28. Der erste Klemmbereich 30 erstreckt sich in einer Axialerstreckungsrichtung 104 der ersten Spannbacken 24, 26 von dem ersten Absatzbereich 28 weg. Der erste Absatzbereich 28 weist eine Wandstärke 29 auf, welcher dementsprechend größer ist als die Wandstärke 31.
Die zweiten Spannbacken 44, 46 umfassen einen zweiten Absatzbereich 48 zur axialen Abstützung des zweiten Bauteils 14 sowie einen mit dem zweiten Absatzbereich 48 verbundenen zweiten Klemmbereich 50 zum Einklemmen des zweiten Bauteils 14, wobei der zweite Klemmbereich 50 eine kleinere Wandstärke 51 aufweist als der zweite Absatzbereich 48. Der zweite Absatzbereich 48 weist eine Wandstärke 49 auf, welcher dementsprechend größer ist als die Wandstärke 51.
Der erste Absatzbereich 28 der jeweiligen ersten Spannbacken 24, 26 ist vorliegend außerhalb des in der Fig. zur Verdeutlichung gestrichelt umrandeten ersten Spuleninnenraums 64 angeordnet. Der erste Spuleninnenraum 64 ist dabei durch jeweilige Spulenwicklungen der ersten Induktionsspule 62 umgeben. Der erste Klemmbereich 30 ist hingegen innerhalb des ersten Spuleninnenraums 64 angeordnet.
Der zweite Absatzbereich 48 der jeweiligen zweiten Spannbacken 44, 46 ist vorliegend außerhalb des in der Fig. gestrichelt umrandeten zweiten Spuleninnenraums 74 angeordnet. Der zweite Spuleninnenraum 74 ist dabei durch jeweilige Spulenwicklungen der zweiten Induktionsspule 72 umgeben. Der zweite Klemmbereich 50 ist hingegen innerhalb des zweiten Spuleninnenraums 74 angeordnet.
Die (erste) Bewegungsvorrichtung 80 ist dazu eingerichtet, die erste Spannvorrichtung 20 zusammen mit der ersten Induktionsvorrichtung 60 und dem ersten Bauteil 12 translatorisch relativ zur zweiten Spannvorrichtung 40 zu bewegen um dadurch das erste Bauteil 12 mit dem zweiten Bauteil 14 durch Reibschweißen zu verbinden. Durch die Möglichkeit der translatorischen Bewegung kann mittels der Bewegungsvorrichtung 80 das Reibschweißen als Linearreibschweißen 102 erfolgen.
Die Bewegungsvorrichtung 80 ist zusätzlich oder alternativ dazu eingerichtet, die erste Spannvorrichtung 20 zusammen mit der ersten Induktionsvorrichtung 60 und dem ersten Bauteil 12 rotatorisch relativ zur zweiten Spannvorrichtung 40 zu bewegen um dadurch das erste Bauteil 12 mit dem zweiten Bauteil 14 durch Reibschweißen zu verbinden. Durch die Möglichkeit der rotatorischen Bewegung kann mittels der Bewegungsvorrichtung 80 das Reibschweißen als Rotationsreibschweißen 100 erfolgen.
Die zweite Bewegungsvorrichtung 90 kann eine vergleichbare Funktionalität aufweisen. Die zweite Bewegungsvorrichtung 90 kann also dazu eingerichtet sein, die zweite Spannvorrichtung 40 zusammen mit der zweiten Induktionsvorrichtung 70 und dem zweiten Bauteil 14 translatorisch relativ zur ersten Spannvorrichtung 20 zu bewegen um dadurch das erste Bauteil 12 mit dem zweiten Bauteil 14 durch Reibschweißen zu verbinden. Somit kann auch anhand der zweiten Bewegungsvorrichtung 90 das Reibschweißen als Linearreibschweißen 102 erfolgen.
Die zweite Bewegungsvorrichtung 90 kann zusätzlich oder alternativ dazu eingerichtet sein, die zweite Spannvorrichtung 40 zusammen mit der zweiten Induktionsvorrichtung 70 und dem zweiten Bauteil 14 rotatorisch relativ zur ersten Spannvorrichtung 20 zu bewegen um dadurch das erste Bauteil 12 mit dem zweiten Bauteil 14 durch Reibschweißen zu verbinden. Somit kann auch anhand der zweiten Bewegungsvorrichtung 90 das Reibschweißen als Rotationsreibschweißen 100 erfolgen.
Anhand der ersten Bewegungsvorrichtung 80 und zusätzlich oder alternativ anhand der zweiten Bewegungsvorrichtung 90 kann das Reibschweißen auch als Orbitalreibschweißen erfolgen.
Die zweite Bewegungsvorrichtung 90 kann also dazu eingerichtet sein, die zweite Spannvorrichtung 40 zusammen mit der zweiten Induktionsvorrichtung 70 und dem zweiten Bauteil 14 relativ zur ersten Spannvorrichtung 20 zu bewegen um dadurch das erste Bauteil 12 mit dem zweiten Bauteil 14 durch Reibschweißen zu verbinden.
Zum Verbinden der Bauteile 12, 14 zu einem Bauteilverbund durch Reibschweißen wird zunächst das erste Bauteil 12 mittels der ersten Spannvorrichtung 20 sowie das zweite Bauteil 14 mittels der zweiten Spannvorrichtung 40 eingespannt. Der Bauteilverbund kann beispielsweise als Schaufel für eine Strömungsmaschine, insbesondere als TiAl-Hybridschaufel, ausgebildet sein.
Eine der beiden Bewegungsvorrichtungen 80, 90 oder beide Bewegungsvorrichtungen 80, 90 können herangezogen werden, um die jeweiligen Spannvorrichtungen 20, 40 relativ zueinander zu bewegen und dadurch die Bauteile 12, 14 aneinanderzupressen. Anschließend kann eine der beiden Bewegungsvorrichtungen 80, 90 oder beide Bewegungsvorrichtungen 80, 90 herangezogen werden, um die Bauteile 12, 14 durch Reibschweißen zu verbinden.
Das erste Bauteil 12 kann anhand der ersten Induktionsvorrichtung 60 erwärmt werden, bevor die Bauteile 12, 14 aneinandergepresst werden. Zusätzlich oder alternativ kann das zweite Bauteil 14 anhand der zweiten Induktionsvorrichtung 70 erwärmt werden, bevor die Bauteile 12, 14 aneinandergepresst werden.
Denkbar ist auch das erste Bauteil 12 anhand der ersten Induktionsvorrichtung 60 und das zweite Bauteil 12 anhand der zweiten Induktionsvorrichtung 70 zu erwärmen, während die Bauteile 12, 14 durch das Reibschweißen miteinander verbunden werden.
Darüber hinaus kann das erste Bauteil 12 nach dem Verbinden der Bauteile 12, 14 durch das Reibschweißen anhand der ersten Induktionsvorrichtung 60 erwärmt werden, wohingegen das zweite Bauteil 14 nach dem Verbinden der Bauteile 12, 14 anhand der zweiten Induktionsvorrichtung 70 erwärmt werden kann.
Durch die jeweiligen Induktionsvorrichtungen 60, 70 der Reibschweißvorrichtung 10 kann ein bedarfsgerechtes Vorwärmen, also das Erwärmen vor dem Reibschweißen, und zusätzlich oder alternativ Nachwärmen, also das Erwärmen nach dem Reibschweißen, der Bauteile 12, 14 erfolgen, sodass beispielsweise thermische Spannungen in den Bauteilen 12, 14 sowie im Bauteilverbund verringert werden können.
Anhand der Induktionsvorrichtungen 60, 70 können thermische und mechanische Spannungen in den Bauteilen 12, 14 vermieden oder zumindest reduziert werden, auch wenn die Bauteile 12, 14 aus TiAl bestehen, und jeweils große Fügeflächen aufweisen, an welchen das Verbinden der Bauteile 12, 14 durch Reibschweißen erfolgen soll.
So können beispielsweise thermisch bedingte Spannungsrisse im Bereich einer gemeinsamen Fügezone der Bauteile 12, 14 durch das lokale Nachwärmen vermieden werden. Durch das Vorwärmen im Bereich der Fügezone können beim Reibschweißen, also beim Rotationsreibschweißen 100, beim Linearreibschweißen 102 oder beim Orbitalreibschweißen zu überwindende Reibkräfte zwischen den Bauteilen 12, 14 reduziert werden. Dies ermöglicht es, das Reibschweißen mit niedriger Kraft, in Form eines sogenannten „Low Force Friction Weldings“, also in Form eines Reibschweißens unter geringem Krafteinsatz, durchzuführen. Durch Induktion kann die Erwärmung anhand der Induktionsvorrichtungen 60, 70 im Gegensatz zu einem Erwärmen durch Konduktion, also durch Wärmeleitung, berührungslos erfolgen. Um ein etwaiges Entstehen von Kurzschlüssen zu vermeiden sind die jeweiligen Induktionsvorrichtungen 60, 70 bei der vorliegenden Reibschweißvorrichtung 10 in die jeweiligen Spannvorrichtungen 20, 40 integriert. Dadurch können durch derartige Kurzschlüsse bedingte Beschädigungen der jeweiligen Induktionsspulen 62, 72 bzw. des Bauteilverbunds wirksam vermieden werden.
Bezugszeichenliste

10: Reibschweißvorrichtung
11: Steuergerät
12: erstes Bauteil
14: zweites Bauteil
16: stationäre Seite
17: stationäres Gestell
18: bewegbare Seite
19: bewegbares Gestell
20: erste Spannvorrichtung
22: erstes Gehäuse
24: Spannbacke
26: Spannbacke
28: erster Absatzbereich
29: Wandstärke
30: erster Klemmbereich
31: Wandstärke
40: zweite Spannvorrichtung
42: zweites Gehäuse
44: Spannbacke
46: Spannbacke
48: zweiter Absatzbereich
49: Wandstärke
50: zweiter Klemmbereich
51: Wandstärke
60: erste Induktionsvorrichtung
62: erste Induktionsspule
64: erster Spuleninnenraum
70: zweite Induktionsvorrichtung
72: zweite Induktionsspule
74: zweiter Spuleninnenraum
80: erste Bewegungsvorrichtung
90: zweite Bewegungsvorrichtung
100: Rotationssreibschweißen
102: Linearreibschweißen
104: Axialerstreckungsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2002/0036225 A1 [0003]
EP 1946877 A1 [0004]

Claims

Reibschweißeinrichtung (10) zum Verbinden von Bauteilen (12, 14) durch Reibschweißen, mit Spannvorrichtungen (20, 40), von welchen eine erste Spannvorrichtung (20) zum Einspannen eines ersten Bauteils (12) und eine zweite Spannvorrichtung (40) zum Einspannen eines zweiten Bauteils (14) ausgebildet ist, mit wenigstens einer Bewegungsvorrichtung (80), welche dazu eingerichtet ist wenigstens eine der Spannvorrichtungen (20, 40) relativ zur anderen der Spannvorrichtungen (20, 40) zum Aneinanderpressen und Verbinden der Bauteile (12, 14) durch Reibschweißen zu bewegen, und mit wenigstens einer ersten Induktionsvorrichtung (60) zum Erwärmen zumindest eines der Bauteile (12, 14), dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine erste Induktionsvorrichtung (60) in die erste Spannvorrichtung (20) integriert ist.
Reibschweißeinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine erste Induktionsvorrichtung (60) in ein erstes Gehäuse (22) der ersten Spannvorrichtung (20) integriert ist.
Reibschweißeinrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spannvorrichtung (20) relativ zueinander bewegbare erste Spannbacken (24, 26) aufweist, welche zumindest bereichsweise in einen ersten Spuleninnenraum (64) einer ersten Induktionsspule (62) der wenigstens einen ersten Induktionsvorrichtung (60) eingeführt sind.
Reibschweißeinrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der relativ zueinander bewegbaren ersten Spannbacken (24, 26) einen ersten Absatzbereich (28) zur axialen Abstützung des ersten Bauteils (12), sowie einen mit dem ersten Absatzbereich (28) verbundenen ersten Klemmbereich (30) zum Einklemmen des ersten Bauteils (12) umfasst, wobei der erste Klemmbereich (30) eine kleinere Wandstärke (31) aufweist als der erste Absatzbereich (28).
Reibschweißeinrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Absatzbereich (28) außerhalb des ersten Spuleninnenraums (64) und der erste Klemmbereich (30) innerhalb des ersten Spuleninnenraums (64) angeordnet ist.
Reibschweißeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Bewegungsvorrichtung (80) zur Bewegung der ersten Spannvorrichtung (20) zusammen mit der ersten Induktionsvorrichtung (60) und dem ersten Bauteil (12) relativ zur zweiten Spannvorrichtung (40) ausgebildet ist.
Reibschweißeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Bewegungsvorrichtung (80) dazu eingerichtet ist, die erste Spannvorrichtung (20) zusammen mit der ersten Induktionsvorrichtung (60) und dem ersten Bauteil (12) translatorisch relativ zur zweiten Spannvorrichtung (40) zu bewegen um das erste Bauteil (12) mit dem zweiten Bauteil (14) durch Reibschweißen zu verbinden.
Reibschweißeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Bewegungsvorrichtung (80) dazu eingerichtet ist, die erste Spannvorrichtung (20) zusammen mit der ersten Induktionsvorrichtung (60) und dem ersten Bauteil (12) rotatorisch relativ zur zweiten Spannvorrichtung (40) zu bewegen um dadurch das erste Bauteil (12) mit dem zweiten Bauteil (14) durch Reibschweißen zu verbinden.
Reibschweißeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibschweißeinrichtung (10) eine zweite Bewegungsvorrichtung (90) umfasst, welche dazu eingerichtet ist, die zweite Spannvorrichtung (40) zusammen mit einer zweiten Induktionsvorrichtung (70) der Reibschweißeinrichtung (10) und dem zweiten Bauteil (14) relativ zur ersten Spannvorrichtung (20) zu bewegen um dadurch das erste Bauteil (12) mit dem zweiten Bauteil (14) durch Reibschweißen zu verbinden.
Verfahren zum Verbinden von Bauteilen (12, 14) durch Reibschweißen, bei welchem anhand einer ersten Spannvorrichtung (20) ein erstes Bauteil (12) und anhand einer zweiten Spannvorrichtung (40) ein zweites Bauteil (14) eingespannt wird, bei welchem eine Bewegungsvorrichtung (80) herangezogen wird, um zumindest eine der Spannvorrichtungen (20, 40) relativ zur anderen der Spannvorrichtungen (20, 40) zu bewegen und dadurch die Bauteile (12, 14) aneinander zu pressen und anschließend durch Reibschweißen zu verbinden, und bei welchem wenigstens eine in die erste Spannvorrichtung (20) integrierte erste Induktionsvorrichtung (60) zum Erwärmen zumindest des ersten Bauteils (12) herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (12) anhand der ersten Induktionsvorrichtung (60) erwärmt wird, bevor die Bauteile (12, 14) aneinander gepresst werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das erste Bauteil (12) anhand der ersten Induktionsvorrichtung (60) erwärmt wird, während die Bauteile (12, 14) durch das Reibschweißen miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das erste Bauteil (12) nach dem Verbinden der Bauteile (12, 14) durch das Reibschweißen anhand der ersten Induktionsvorrichtung (60) erwärmt wird.
Bauteilverbund, umfassend durch Reibschweißen miteinander verbundene Bauteile (12, 14), welcher mittels einer Reibschweißeinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 bis 13 hergestellt ist.