DE102020108356A1

DE102020108356A1 - Gegenhalter, Vorrichtung und Verfahren zum Rührreibschweißen

Info

Publication number: DE102020108356A1
Application number: DE102020108356.4A
Authority: DE
Inventors: Martin Werz; Stefan Weihe
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2021-09-30

Abstract

Es wird ein drehbarer Gegenhalter zum Rührreibschweißen vorgeschlagen. Durch die erfindungsgemäße Drehung des Gegenhalters relativ zu den Werkstücken tritt Gleitreibung zwischen dem Werkstück und dem Gegenhalter auf. In Folge dessen werden die Vorschubkräfte verringert.

Description

Mit dem Anfang der 1990-er Jahre erfundenen Rührreibschweißen lassen sich insbesondere flächige Bauteile fügen, ohne diese aufzuschmelzen. Dies führt bei korrekter Wahl der Schweißparameter zu hochfesten Schweißverbindungen und sehr geringem Verzug der gefügten Bauteile.
Ein weiterer Vorteil des Rührreibschweißens ist, dass Werkstoffe mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen im festen Zustand verbunden werden können und dabei die Bildung spröder und festigkeitsreduzierender intermetallischer Phasen vermieden werden kann.
Ein Nachteil des Rührreibschweißens sind jedoch die hohen Prozesskräfte (Zustellkraft und Vorschubkraft). Daraus resultiert bei den meisten Anwendungen die Notwendigkeit auf der dem Werkzeug zum Rührreibschweißen gegenüberliegenden Seite des Bauteils einen Gegenhalter mit Badstütze vorzusehen, welcher die Kräfte aufnimmt. Der Gegenhalter und die Badstütze müssen an die Geometrie der zu fügenden Bauteile angepasst sein.
Der im Zusammenhang mit der Erfindung genutzte Begriff „Badstütze“ wurde von den Schmelzschweißverfahren übernommen, auch wenn sich beim Rührreibschweißen kein Schmelzbad, sondern vielmehr ein teigiger Rührbereich unter dem Werkzeug ausbildet.
Insbesondere bei Bauteilen mit gekrümmter Oberfläche oder bei schon geringfügig von einer Geraden abweichenden Schweißnahtverläufen kann die Geometrie des benötigten Gegenhalters komplex werden. Besonders bei langen Nähten und bei der Verbindung von großen Teilen wie z.B. bei der Montage einer Automobilkarosserie würden große und damit sehr teure Gegenhalterkonstruktionen benötigt. Auch die zugehörigen 5-Achs-Rührreibschweißmaschinen sind sehr groß und sehr teuer.
Aus ökonomischer Sicht ist es daher heute nicht darstellbar, den Rührreibschweißprozess zum Fügen von großen und gekrümmten Bauteilen mit einer langen und durchgehenden Schweißnaht einzusetzen.
Bei der aus der US 2017/0120373 A1 bekannten Lösung wird als Gegenhalter eine drehbar gelagerte Walze eingesetzt. Dadurch wird der Kraftfluss innerhalb der Rührreibschweißzange geschlossen. Die Drehachse der Walze verläuft orthogonal zu der Rotationsachse des Werkzeugs zum Rührreibschweißen. Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, dass die Walze einen sehr großen Durchmesser aufweisen muss, um als Gegenhalter für ein flaches oder nur mäßig gekrümmtes Bauteil dienen zu können.
Ein weiterer Lösungsansatz ist aus der US 8 033 443 B1 bekannt. Dabei wird als Gegenhalter eine miniaturisierte Raupenkette vorgeschlagen. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass Werkstoff zwischen die einzelnen Glieder der Raupenkette eindringen kann, so dass diese schwergängig werden und gereinigt werden müssen. Da die Raupenkette dem Werkstück keine glatte Stützfläche bietet, ist die Oberfläche auf der Unterseite der Schweißnaht sehr rau und unregelmäßig. Darüber hinaus ist die Lagerung der einzelnen Glieder der Raupenkette aufwändig bzw. führt zu entsprechend hoher Reibung. Mit diesen Gegenhaltern werden lange Schweißnähte in einem Rührreibschweißvorgang hergestellt.
Aus der nachveröffentlichten DE 10 21018 111 496 A1 ist ein Gegenhalter mit einer Linearführung bekannt. Diese Linearführung erlaubt es, eine lange Schweißnaht aus mehreren kurzen Abschnitten zusammenzusetzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weiter verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Rührreibschweißen bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeiden. Insbesondere soll die Vorrichtung kompakt sein. Sie soll bei der Bearbeitung verschieden geformter Werkstücke einsetzbar sein und mit einem handelsüblichen Industrieroboter geführt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 16 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Rührreibschweißen umfasst ein Gestell, eine angetriebene Spindel zur Aufnahme eines Werkszeugs zum Rührreibschweißen und einen Gegenhalter mit einer Badstütze und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachsen des Werkzeugs zum Rührreibschweißen und der Badstütze parallel oder koaxial zueinander verlaufen oder einen stumpfen Winkel α einschließen, wobei der Winkel α größer oder gleich 100°, gleich 120° und besonders bevorzugt größer oder gleich 135° ist.
Zu dem beanspruchten stumpfen Winkel α zwischen den Drehachsen gehört noch ein spitzer Winkel. Beide Winkel zusammen ergeben immer 180°. Aus Gründen der Klarheit der Ansprüche und wegen der Übersichtlichkeit in den Figuren wird nachfolgend auf den stumpfen Winkel Bezug genommen.
Dadurch, dass die Stirnfläche der Badstütze drehbar gelagert ist und sich während der Vorschubbewegung beim Rührreibschweißen dreht, ist zwischen dem Werkstück und der Badstütze keine Haftreibung, sondern Gleitreibung vorhanden. Da der Gleitreibungskoeffizient kleiner als der Haftreibungskoeffizient ist, werden durch den erfindungsgemäßen Übergang von der Haftreibung zur Gleitreibung an der Auflagestelle des Werkstücks auf der erfindungsgemäßen drehbar gelagerten Badstütze die Reibungskräfte zwischen Werkstück und der Vorrichtung reduziert. In gleichem Maße reduzieren sich auch die erforderlichen Vorschubkräfte. Dadurch können kleinere oder weniger massive Handhabungsroboter eingesetzt werden und die Belastung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, aber auch des Werkstücks, wird reduziert.
Die Begriffe „Auflagestelle“ und „Kontaktstelle“ werden in dieser Anmeldung synonym verwandt. Sie sind nicht mit der „Kontaktfläche“ der Badstütze gleichzusetzen. Vielmehr ist die „Auflagestelle“ der relativ kleine Bereich der „Kontaktfläche“ an dem das Werkstück auf der „Kontaktfläche“ aufliegt und von ihr gestützt wird.
Dadurch, dass die Badstütze drehbar gelagert ist, ist sie in vielen Fällen als Zylinder mit einer ebenen oder leicht balligen Stirnfläche oder als Kegelstumpf ausgebildet, welche die Kontaktfläche darstellen. Diese Badstütze ist sehr kompakt, so dass auch bei gekrümmten Bauteilen die Zugänglichkeit der Schweißnaht bzw. der Rückseite der Schweißnaht durch die Badstütze in vielen Anwendungen gewährt ist. Es ist mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, sowohl gerade als auch gekrümmte Schweißnähte herzustellen. Dadurch entfallen in vielen Fällen Spezialanfertigungen von Badstützen, die auf ein spezifisches Werkstück zugeschnitten sind.
In vielen Fällen ist die Kontaktfläche eine geschlossene rotationssymmetrische Fläche, ähnlich einem Kreisring. Mit solchen Kontaktflächen können „unendlich“ lange Schweißnähte hergestellt werden. Es ist jedoch auch möglich, dass die Kontaktfläche ähnlich wie ein Kreisringsegment ausgebildet ist, dessen Enden sich nicht treffen. Mit solchen Kontaktflächen können Schweißnähte mit endlicher Länge hergestellt werden.
Zusätzlich kann ein Rand der Stirnfläche abgerundet sein. Das erfindungsgemäße Zusammenwirken der drehbar gelagerten Badstütze, die Anordnung der Drehachsen von Werkzeug und Badstütze sowie die Geometrie der Kontaktfläche führen dazu, dass trotz relativ kleiner Abmessungen der Kontaktfläche dort wo die Werkstückunterseite auf der Kontaktfläche aufliegt (d. h. an der Auflagestelle bzw. der Kontaktstelle), das Werkstück flächig abgestützt wird, so dass es nicht zu Abdrücken der Kontaktfläche in der Unterseite des Werkstücks kommt.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Kontaktfläche der Badstütze, eben, kegelförmig oder ballig ist. Unter dem Begriff „ballig“ wird eine Kalottenform verstanden, wobei der Durchmesser dieser Kalotte relativ zu dem Durchmesser der Badstütze sehr groß ist, so dass die ballige Kontaktfläche der Badstütze sich in einem „weichen“ Übergang an ein ebenes Werkstück anschmiegt. Dadurch wird die optische Qualität einer Schweißnaht auf der der Schweißnaht abgewandten Seite deutlich verbessert.
In vielen Anwendungen ist der Durchmesser der Kalotte mehr als 10-mal so groß wie der Durchmesser der Badstütze, bevorzugt ist er 20-mal größer, 30-mal größer oder 50-mal größer als der Durchmesser der Badstütze.
Alternativ ist es auch möglich, dass die Kontaktfläche der Badstütze kreisringförmig ist. Dann ist die Badstütze in der Regel in der Art eines Tellers oder eines Stempels ausgebildet. In den Ausführungsbeispielen sind solche Badstützen dargestellt und ausführlich beschrieben.
Die Spindel der Vorrichtung zum Rührreibschweißen und die Badstütze sind jeweils drehbar gelagert bzw. verfügen über einen Drehantrieb.
In vielen Fällen ist es vorteilhaft, wenn eine Drehachse der Badstütze parallel zu einer Drehachse der Spindel der Vorrichtung zum Rührreibschweißen verläuft und die Drehachse des Werkzeugs in einer Vorschubrichtung (X-Achse) versetzt zu der Drehachse der Rotationseinheit verläuft. Durch diesen Versatz ist es möglich, dass die Badstütze durch die Vorschubbewegung in Drehung versetzt wird, so dass kein eigener Drehantrieb für die Badstütze benötigt wird.
Es ist auch möglich, dass eine Drehachse der Badstütze parallel zu einer Drehachse des Werkzeugs verläuft und dass die Drehachse des Werkzeugs in Richtung einer Y-Achse versetzt zu der Drehachse der Rotationseinheit verläuft.
Im Zusammenhang mit der Erfindung ist die Zustellrichtung bzw. die Drehachse der Spindel zur Aufnahme des Werkzeugs die Z-Achse. Die Vorschubrichtung ist die X-Achse und entsprechend ist eine dazu orthogonale Achse die Y-Achse.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Drehachse der Badstütze und die Drehachse des Werkstücks einen stumpfen Winkel einschließen. Bevorzugt liegen die Winkelbereiche zwischen 170° und 179,5°. Besonders bevorzugt ist der Winkel größer als 175° und kleiner als 179,5°.
Durch die geringe Schrägstellung der beiden Achsen zueinander wird ein besseres Nahtbild erzielt. Die Schrägstellung erfolgt so, dass in Vorschubrichtung (X-Achse) gesehen der vordere Teil des Werkzeugs zum Rührreibschweißen etwas oberhalb der Oberfläche der zu fügenden Werkstücke beginnt und dieses Werkzeug an seinem hinteren Ende Kontakt mit der Oberfläche der zu fügenden Werkstücke hat. Dadurch wird ein „Verhaken“ oder „Einschneiden“ bzw. Eintauchen der vorderen Kante des Werkzeugs in die Oberfläche der zu fügenden Werkstücke verhindert, was der Qualität der Schweißnaht zuträglich ist und eine bessere Optik der Schweißnaht ergibt.
Erfindungsgemäß ist es möglich, dass die Rotationseinheit auf einer dem Werkzeug gegenüberliegenden Seite des Gestells angeordnet ist. In diesem Fall hat das Gestell die Form eines „C“ und stellt den Kraftfluss zwischen dem Werkzeug und der Badstütze her. Bei dieser Anordnung ist es auch möglich, dass die Kontaktfläche der Badstütze kegelförmig ist, dass die Drehachse des Werkzeugs einen stumpfen Winkel mit der Drehachse der Badstütze einschließt und dass der Winkel 90° zuzüglich des halben Kegelwinkels der Kontaktfläche beträgt.
Alternativ ist es auch möglich, dass die Rotationseinheit auf der gleichen Seite des Gestells wie das Werkzeug angeordnet ist. Dadurch ergibt sich eine sehr platzsparende Bauweise. Diese Bauweise ist besonders vorteilhaft, wenn zwei Werkstücke an einem Rand miteinander gefügt werden sollen. Ein C-förmiges Gestell ist nicht erforderlich, sondern es reicht eine Platte aus, an der die Spindel und die Badstütze jeweils drehbar bzw. drehantreibbar gelagert sind. Des Weiteren ist eine Linearführung für die Zustellbewegung erforderlich. Die Linearführung kann zwischen der Spindel und dem Gestell oder zwischen der Rotationseinheit und dem Gestell angeordnet sein.
Wenn die Rotationseinheit auf der gleichen Seite wie das Werkzeug angeordnet ist und die Kontaktfläche der Badstütze kegelförmig ist, dann schließen die Drehachse des Werkzeugs und die Drehachse der Badstütze einen Winkel β ein, der kleiner 30° ist. Dadurch wir eine sehr gute Krafteinleitung aus dem Werkstück in die kegelförmige Kontaktfläche erreicht.
Die verschiedenen erfindungsgemäßen Ausrichtungen der Drehachsen von Spindel und Rotationseinheit werden weiter unten im Zusammenhang mit der Zeichnung illustriert und erläutert. Entsprechendes gilt auch für die Konfiguration des Unteranspruchs 11, wonach die Drehachse der Badstütze und die Drehachse des Werkzeugs in einer von einer Vorschubrichtung (X-Achse) und einer Zustellrichtung (Z-Achse) aufgespannten Ebene liegen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine Rotationseinheit mit einem Drehantrieb aufweisen. Als Drehantriebe sind Elektromotoren, hydraulische Antriebe, aber auch pneumatische Antriebe denkbar. In aller Regel wird ein Getriebe zwischen dem Motor und der Badstütze angeordnet sein, um die gewünschte niedrige Drehzahl der Badstütze bereitzustellen. Gleichzeitig wird dadurch das erforderliche, relativ große Drehmoment bereitgestellt.
Es sind Drehantriebe denkbar, die die Badstütze in eine kontinuierliche, wenn auch langsame Drehung versetzen, so dass sich die Badstütze kontinuierlich in eine Richtung dreht. Alternativ ist auch möglich, dass der Drehantrieb die Badstütze in eine oszillierende Drehschwingung versetzt. Dies kann beispielsweise dazu führen, dass die Badstütze sich ausgehend von einer Ruhestellung abwechselnd im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn dreht. Dadurch ergibt sich eine oszillierende Drehbewegung. Weil zwischen dem Werkstück und der Badstütze stets eine Relativbewegung stattfindet, herrscht dort auch Gleitreibung, so dass der erfindungsgemäße Effekt, nämlich die Reduktion der Reibungskräfte zwischen Werkstück und Badstütze, auch bei dieser Variante erreicht wird.
Um die Zustellung des Werkzeugs relativ zur Badstütze ermöglichen zu können, weist die Vorrichtung eine Linearführung und einen Zustellantrieb auf. Die Linearführung ist in Richtung der Zustellbewegung (Z-Achse) ausgerichtet und der Zustellantrieb erlaubt die Zustellbewegung zwischen Spindel und Badstütze parallel zur Drehachse der Spindel. Die Linearführung und der Zustellantrieb können zwischen dem Gestell und der Spindel, aber auch zwischen der Rotationseinheit und dem Gestell, angeordnet sein. Selbstverständlich sind auch Ausführungsformen möglich, bei denen zwei Linearführungen und zwei Zustellantriebe vorgesehen sind. Dann können sowohl die Spindel als auch die Rotationseinheit unabhängig voneinander in Richtung der Zustellbewegung auf das Werkstück zu oder von dem Werkstück wegbewegt werden.
Im Zusammenhang mit der rotierenden Badstütze haben sich folgende Größenverhältnisse/Durchmesserverhältnisse als vorteilhaft erwiesen.
Die Drehrichtung des Werkzeugs und der Badstütze können gleichsinnig oder gegensinnig sein, wobei es in vielen Fällen aus Gründen des Momentengleichgewichts zu bevorzugen ist, wenn Werkzeug und Badstütze gegensinnig rotieren. Durch die gegensinnige Drehrichtung gleichen sich die Drehmomente von Werkzeug und Badstütze zumindest teilweise aus, so dass von dem Handhabungssystem, welches die Schweißvorrichtung bewegt, ein geringeres Stützmoment aufgebracht werden muss.
Wenn die Rotationsachsen von Werkzeug und Badstütze koaxial sind oder nur einen sehr geringen Versatz aufweisen, ist ein Antrieb der Badstütze erforderlich, um die Badstütze wie gewünscht in Rotation zu versetzen und auf diese Weise die Reibung zwischen Werkstück und Badstütze zu reduzieren.
Wenn der Versatz zwischen der Drehachse des Werkstücks und der Drehachse der Badstütze ausreichend groß ist, kann auf einen Antrieb der Badstütze verzichtet werden, da zwischen dem Werkstück und der Badstütze eine Relativbewegung stattfindet und die Badstütze durch diese Relativbewegung in Drehung versetzt wird.
Der Antrieb der Badstütze kann auch dazu genutzt werden, um die Vorschubkräfte, die von einer Handhabungseinrichtung über die erfindungsgemäße Vorrichtung in das Werkstück eingeleitet werden müssen, zu reduzieren. Durch den Antrieb der Badstütze kann nämlich ein Teil der Vorschubkraft bereitgestellt werden. Das Werkzeug bzw. die Spindel und die Badstütze können sich gleichsinnig oder gegensinnig drehen. Wichtig ist, dass die vom Antrieb des Gegenhalters ausgeführte Bewegung im Berührpunkt mit dem Werkstück etwa in die gleiche Richtung weisen wie die Bewegungsrichtung des Werkstücks. Dadurch wird die von Handhabungseinrichtung aufzubringende Vorschubkraft reduziert, so dass sie filigraner und kostengünstiger ausgeführt werden kann.
Die Drehgeschwindigkeit der Kontaktfläche der Badstütze kann im Berührpunkt mit dem Werkzeug gleich groß wie die Vorschubgeschwindigkeit sein oder auch größer sein als diese.
Grundsätzlich ist anzumerken, dass die Drehzahl der Badstütze üblicherweise sehr viel kleiner ist als die Drehzahl des Werkzeugs und die Umfangsgeschwindigkeit der Badstütze bzw. der Kontaktfläche der Badstütze kleiner ist als die Umfangsgeschwindigkeit des Werkzeugs.
Die Drehzahl der Badstütze ist in vielen Fällen kleiner als 30% der Drehzahl des Werkzeugs. Vorzugsweise ist sie kleiner als 10% und besonders bevorzugt ist sie kleiner als 5% der Drehzahl der Spindel. Damit wird nur sehr wenig Energie über die Badstütze in das Werkstück eingeleitet und eine Plastifizierung des Werkstücks durch die Badstütze wird vermieden.
Um eine ungewollte Verformung des Bauteils 21 während des Schweißprozesses zu vermeiden, sollte der Krümmungsradius der Kontaktfläche an der Auflage- bzw. Kontaktstelle zwischen Badstütze und Werkstück im Schnittpunkt möglichst groß sein. Durch die erfindungsgemäße Geometrie der drehbaren Badstütze wird trotz großer Krümmungsradius an der Auflage- bzw. Kontaktstelle erreicht, obwohl die Hauptabmessungen der Badstütze sehr klein sind.
In Schnittpunkt der Rotationsachse des Werkzeugs und der Badstütze ist der Krümmungsradius der Kontaktfläche (27) mindestens zweimal so groß wie der Abstand von diesem Schnittpunkt zur Drehachse (35) des Gegenhalters.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann für Stumpfstöße, Kehlnähte und Überlappverbindungen eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist jedoch eine Überlappverbindung, da es hier zu keinem Auseinanderdrücken der zu fügenden Bauteile durch das Werkzeug kommt, sondern die zu fügenden Bauteile durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zusammengedrückt werden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist darin zu sehen, dass Schweißwerkzeuge eingesetzt werden können, deren Pins so lang sind, dass sie den oder die oberen Fügepartner durchdringen, jedoch so kurz sind, dass sie das untere Bauteil nicht durchdringen und in Folge dessen auch nicht in den Gegenhalter eintauchen. Hierdurch ergibt sich z.B. gegenüber dem Halbhohlstanznieten der Vorteil, dass mehrere Blechdickenkombinationen mit einem Werkzeug geschweißt werden können. Dadurch findet kein Anhaften des Werkstücks an der Kontaktfläche der Badstütze statt.
Wie bereits erwähnt, ist die Kontaktfläche der Badstütze bevorzugt abgerundet oder weist eine Balligkeit auf. Diese Balligkeit reduziert die Flächenpressung zwischen Werkstück und Badstütze am Rand der Badstütze und verringert dadurch die Gefahr, dass Abdrücke des Gegenhalters auf der Oberfläche der zu fügenden Bauteile entstehen.
Bei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen, bei denen eine oszillierende Drehbewegung der Badstützt erfolgt, beträgt die Oszillationsfrequenz der Badstütze bevorzugt zwischen 1 Hz und 200 Hz.
Der Rührreibschweißprozess funktioniert besonders gut, wenn das Rührreibschweißwerkzeug um etwa 0,5° bis 5° zur Werkstücknormalen angestellt ist. Dabei folgt die Anstellung so, dass der Spalt zwischen Badstütze und Werkzeug - in Vorschubrichtung gesehen - vorne größer ist als am „hinteren Ende“ des Werkzeugs. Dieser Anstellwinkel kann durch eine Schiefstellung der Rotationsachsen von Spindel und Rotationseinheit realisiert werden. Bei Varianten mit kegeliger oder kegelförmiger Kontaktfläche der Badstütze bezieht sich der Anstellwinkel auf den Winkel zwischen Flächennormale des Werkstücks im Berührpunkt der Badstütze und der Rotationsachse des Werkzeugs (siehe dazu die und ) .
Wenn sich die Rotationsachsen von Spindel und Rotationseinheit schneiden oder nahezu schneiden (siehe die bis ) und bei einer Winkeldifferenz von maximal 10° sind die Durchmesser der Badstütze und der Schulter des Werkzeugs im Bereich von 1:2 bis 2:1. Bevorzugt ist es, wenn der Durchmesser der Badstütze bis zu 30% größer ist als der Durchmesser an der Schulter des Schweißwerkzeugs oder bis zu 30% kleiner sind als der Durchmesser an der Schulter des Schweißwerkzeugs.
Die Lagerung der Badstütze in der Rotationseinheit kann über Wälzlager, Gleitlager oder hydrostatische Lager erfolgen. Um eine hohe Steifigkeit der Lagerung zu erzielen, wird man in der Regel eine Zweipunktlagerung, beispielsweise durch Kegelrollenlager in „O“- oder in „X“-Anordnung, vorsehen.
Die erfindungsgemäßen Vorteile werden auch durch die mit den Verfahrensansprüchen beanspruchten Verfahrens-Schritte erreicht. In Kenntnis der erfindungsgemäßen Vorrichtung und deren ausführliche Erläuterungen in der Beschreibungseinleitung und der Figurenbeschreibung, kann die Beschreibung der Verfahrensansprüche etwas kürzer gefasst werden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Zustellkraft, d. h. die zwischen Werkzeug und Badstütze wirkende Kraft während Vorschubbewegung nicht konstant, sondern schwellend. Das heißt, sie wechselt periodisch zwischen einem oberen Schwellwert und einem unteren Schwellwert.
Dabei kann der untere Schwellwert der Zustellkraft gleich null (0 N) sein. Oftmals ist es aber ausreichend und vorteilhaft, wenn der untere Schwellwert 30%, 50% oder 70% des oberen Schwellwerts der Zustellkraft beträgt.
Geeignete Frequenzen des Wechsels der Zustellkraft zwischen dem oberen Schwellwert und dem unteren Schwellwert liegen im Bereich zwischen 1 Hz und 1000 Hz, bevorzugt in einem Bereich zwischen 5 Hz und 100 Hz, und besonders bevorzugt zwischen 10 Hz und 50 Hz, zunimmt und abnimmt.
Durch das kurzzeitige Wegnehmen der Anpress- oder Zustellkraft wird die erfindungsgemäße Relativbewegung von Rotationseinheit und Werkstück erleichtert.
Zu Verringerung der Gleitreibung zwischen Werkstück und badstütze kann weiter vorgesehen sein, dass zumindest die Unterseite der zu verbindenden Werkstücke mit einem Schmiermittel im Bereich der Schweißnaht versehen ist. Hierzu kann insbesondere ein Trockenschmiermittel, das bei der vorangegangenen Umformung zur Herstellung der Bauteile verwendet wurde, auf diesen belassen werden und beim Rührreibschweißen erneut verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann besonders vorteilhaft angewandt werden, wenn die beiden zu verbindenden Werkstücke (bei einer Überlappverbindung) miteinander verklebt sind, bevor sie durch Rührreibschweißen zusätzlich und hoch belastbar miteinander verbunden werden.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Kraftfluss für die Axialkraft des Werkzeugs (von Werkzeug über die Werkstücke auf den Gegenhalter) durch die Zange geschlossen ist und muss daher nicht vom Roboter bzw. Handhabungssystem aufgebracht werden.
Die erfindungsgemäße Schweißvorrichtung kann von einem herkömmlichen Handhabungssystem, insbesondere einem Industrieroboter, wie z.B. einem Knickarmroboter mit mindestens fünf Gelenken, relativ zum Werkstück bewegt werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Figurenliste
Es zeigen:

1: eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Rührreibschweiß-Vorrichtung;
2 und 3: eine vergrößerte schematische Seiten- und Vorderansicht der Rührreibschweiß-Vorrichtung gemäß 1;
4 bis 13: schematische Ansichten von verschiedenen Ausführungsformen erfindungsgemäßer Rührreibschweiß-Vorrichtungen; und
14: einen Industrieroboter mit einer Rührreibschweiß-Zange.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Gleiche Bauteile oder -gruppen haben in allen Figuren das gleiche Bezugszeichen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind jedoch nicht in allen Figuren alle Bezugszeichen eingetragen.
1 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Rührreibschweißen, die als Schweißzange ausgebildet ist; sie wird nachfolgend auch als Zange 1 bezeichnet.
Die Zange 1 umfasst bei diesem Ausführungsbeispiel ein C-förmiges Gestell 3, welches eine Werkzeugseite 4 und eine Gegenhalterseite 5 so verbindet, dass beide Seiten einander gegenüberliegen. Das C-förmige Gestell 3 der Zange 1 stellt den Kraftfluss zwischen der Werkzeugseite 4 und der Gegenhalterseite 5 her. Ein Freiraum 9 in dem Gestell 3 ist so bemessen, dass mindestens eines der zu verbindenden Bauteile 21, 21.2 ganz oder teilweise darin Platz findet. Das erfindungsgemäße Fügen der Bauteile 21, 21.2 findet in dem Bereich zwischen der Werkzeugseite 4 und der Gegenhalterseite 5 statt. Die Bauteile 21 und 21.2 werden während des Fügevorgangs in schematisch dargestellten Haltern 23, 23.2 gehalten. Die Halter 23 müssen die Bauteile 21 und 21.2 so festhalten, dass sie sich während des Fügevorgangs nicht in Vorschubrichtung (X-Achse) bewegen, wenn die Zange 1 und mit ihr das Werkzeug 17 relativ zu den Bauteilen 21 und 21.2 bewegt wird; d. h. sie müssen die Vorschubkräfte aufnehmen.
Das Gestell 3 kann zwei- oder mehrteilig ausgeführt sein, so dass zum Ein- und Ausführen eines zu bearbeitenden Bauteils der Abstand zwischen der Spindel 11 bzw. dem Werkzeug 17 und einer erfindungsgemäßen Rotationseinheit 31 temporär vergrößert werden kann.
Das Gestell 3 weist eine (mechanische) Schnittstelle 7 auf. Über die Schnittstelle 7 wird die Zange 1 mit einem Industrieroboter oder einem anderen Handhabungssystem verbunden und geführt (siehe 14). Alternativ kann die Zange 1 über die Schnittstelle 7 auch mit einer Haltevorrichtung verbunden und ortsfest gehalten werden. Dann müssen die zu fügenden Bauteile 21, 21.2 während des Schweißvorgangs von einem Industrieroboter oder manuell relativ zu der Zange 1 in Vorschubrichtung (X-Achse) bewegt werden.
Zwischen der Schnittstelle 7 und dem Gestell 3 oder zwischen Schnittstelle 7 und dem Handhabungssystem kann optional eine Kraftmesseinrichtung 8 angeordnet sein. Die Kraftmesseinrichtung 8 misst alle oder einen Teil der an dieser Stelle wirkenden Kräfte und Momente; in der Regel reicht es aus, wenn drei (linear unabhängige) Kräfte und bis zu drei (linear unabhängige) Momente) erfasst werden. Diese Kraft- und Momenteninformationen werden in der Regel zur Steuerung der Bewegung des Roboters verwendet. Die Steuerung soll bevorzugt so erfolgen, dass in Zustellrichtung (Z-Achse) außer den Prozesskräften keine zusätzliche Beanspruchung auf das zu fügende Bauteil wirkt.
Insbesondere aus der elastischen Verformung des Handhabungssystems oder aus Toleranzen senkrecht zur Fügerichtung (X-Achse) resultierende Positionsabweichungen können durch eine Kraftregelung ausgeglichen werden.
Bei einer entsprechenden Regelung können auch die Gewichtskraft und die daraus entstehenden Momente der gesamten Vorrichtung berücksichtigt werden.
An der Werkzeugseite 4 sind eine angetriebene Spindel 11 mit einer Werkzeugaufnahme (ohne Bezugszeichen), ein Antrieb 13 (in der Regel ein drehzahlgeregelter Elektromotor) und optional eine erste (Linear-)Führung 15 mit Aktuator vorgesehen.
Zur Bestimmung der Kräfte sowie der Position in Zustellrichtung können ein Kraftmesssensor 14 und/oder ein Positionssensor 16 in der Nähe der Führung 15 mit Aktuator vorhanden sein. Die Sensoren 14, 16 können in die Führung bzw. den Aktuator integriert sein oder als separate Einheiten ausgebildet sein. Die Messwerte der Sensoren 14, 16 dienen der Steuerung und/oder Regelung des Rührreibschweißvorgangs. Die Messwerte werden an eine elektronische Regel- und/oder Steuervorrichtung (nicht dargestellt) übergeben und dort weiterverarbeitet.
In der Spindel 11 ist ein Werkzeug 17 zum Rührreibschweißen aufgenommen. In dem Detail 1 der 1 ist das Werkzeug 17 mit dem Zapfen 18 und der Schulter 20 vergrößert dargestellt.
Das Werkzeug 17 umfasst einen Zapfen 18, der von der Spindel 11 bzw. deren Antrieb in Drehung versetzt wird. Der Zapfen 18 dringt in die Bauteile 21, 21.2 ein; daher sind diese geschnitten dargestellt. Das Werkzeug 17 umfasst weiter eine Schulter 20, welche als Anlagefläche des Werkzeugs 17 auf dem zu fügenden Bauteil 21 dient. Das Werkzeug 17 kann auch mit einer „stehenden“ (d. h. nicht rotierenden) Werkzeugschulter 20 ausgebildet sein. Dann rotiert nur der Zapfen 18. Dadurch entstehen besonders glatte Schweißnähte.
Das Detail 2 zeigt die als Zylinder ausgebildete Badstütze 25 mit ihrer Kontaktfläche 27, die als ebene, kreisrunde Fläche oder als Kalotte ausgebildet sein kann. Am Rand der Kontaktfläche 27 ist bevorzugt ein Radius (nicht sichtbar) im Detail 2 angeformt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mit mehrteiligen Werkzeugen 17 zum Rührreibschweiß kombiniert werden, die in der Lage sind, den beim Eintauchen des Zapfens 18 in das Bauteil 21 zu Beginn des Fügevorgangs „verdrängten“ Werkstoff aufzunehmen und/oder den beim Ausfahren des Zapfens 18 am Ende des Fügevorgangs entstehenden Krater mit dem zuvor aufgenommenen Werkstoff ganz oder teilweise aufzufüllen.
Die gezeigte Linearführung 15 und der zugehörige Aktuator ermöglichen eine Zustell-Bewegung der Spindel 11 in Richtung einer Z-Achse, d. h. in Richtung zur Gegenhalterseite 5 und zurück.
Die Linearführung 15 und der zugehörige Aktuator sowie die Messeinrichtungen 14, 16 können auch an der Gegenhalterseite 5 angeordnet sein und eine erfindungsgemäße Rotationseinheit 31 in Richtung der Z-Achse bewegen.
Als Aktuator können Hydraulik- oder Pneumatikzylinder, Zahnstangenantriebe, Kugelgewindespindeln, Piezo-Aktuatoren oder andere aus dem Stand der Technik bekannte Linearantriebe eingesetzt werden.
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel bieten die Linearführung 15 und der zugehörige Aktuator genügend Verfahrweg, um das Werkzeug 17 bzw. die Spindel 11 so weit von der Rotationseinheit 31 wegzubewegen, dass die Bauteile 21, 21.2 zumindest teilweise hindurch passen. Die Bauteile 21, 21.2 sind in dem dargestellten Beispiel zwei Bleche.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Linearführung 15 und der zugehörige Aktuator nicht nur zu dem oben beschriebenen „Öffnen“ und „Schließen“ der Zange 1 eingesetzt. Sie werden in bevorzugter Weise auch dazu verwendet, das Werkzeug 17 beim Schweißen so weit in (negativer) Richtung der Z-Achse zuzustellen, dass der rotierende Zapfen 18 in das Bauteil 21 eindringt und die (Werkzeug-)Schulter 20 auf der Oberfläche des Bauteils 21 aufliegt. Außerdem stellt der Aktuator die zum Eindringen des Zapfens 18 in die Bauteile 21 erforderliche Zustellkraft bereit.
Die 2 und 3 zeigen etwas vergrößert die Spindel 11, den Antrieb 13, die Linearführung 15 mit Aktuator, das Werkzeug 17 und die Rotationseinheit 31 in zwei Ansichten (Seitenansicht und Vorderansicht).
Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Gegenhalter eine Badstütze 25. Die Badstütze 25 stützt die Bauteile 21, 21.2 ab und nimmt die von der Spindel 11 in Richtung der Z-Achse auf die Bauteile 21 ausgeübte (Zustell-)Kraft auf. Die Badstütze 25 ist drehbar in einer Rotationseinheit 31 gelagert. Die Rotationseinheit 31 kann einen Antrieb für die Badstütze 25 umfassen.
Die Badstütze 25 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als Zylinder ausgeführt, dessen Stirnseite als Kontaktfläche dient. Die Kontaktfläche kann eben, kegelförmig, ballig, d. h. kalottenförmig gekrümmt, sein und/oder am Rand mit einem Radius versehen sein. Durch den Radius bzw. die Kalottenform wird die Gefahr verringert, dass die Badstütze 25 Abdrücke an der dem Werkzeug 17 abgewandten Unterseite des Bauteils 21 hinterlässt.
Die Rotationseinheit 31 umfasst neben der Badstütze 25 und ihrer Kontaktfläche 27 ein Basisteil 29. Das Basisteil 29 umfasst die (Dreh-)Lagerung und optional den Drehantrieb der Badstütze 25. Der optionale Drehantrieb der Rotationseinheit 31, mit deren Hilfe die Badstütze 25 in Drehung versetzt werden kann, ist in den Figuren nicht dargestellt.
Bei dem in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel verlaufen eine Drehachse 33 der Spindel 13 und eine Drehachse 35 der Rotationseinheit 31 koaxial zueinander. In der 2 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Z-Y-Ebene dargestellt. In der 3 ist die Vorrichtung in einer Z-X-Ebene dargestellt. Die X-Richtung ist gleichzusetzen mit der Vorschubrichtung.
Das heißt, beim Fügen der Bauteile 21 und 21.2 werden die Zange 1 und mit ihr die Spindel 13 und die Rotationseinheit 31 relativ zu den Bauteilen 21, 21.2 in Richtung der X-Achse bewegt. Dies wird in den 3 ff durch einen parallel zur X-Achse verlaufenden Pfeil ohne Bezugszeichen nochmals verdeutlicht.
Bei dem in der 4 dargestellten Ausführungsbeispiel schließen die Drehachse 33 der Spindel 13 und die Drehachse 35 der Rotationseinheit 31 einen Winkel α von beispielsweise 175° ein. Der Winkel α kann in einem Bereich von 170° bis 179,5° liegen. Bevorzugt liegt er in einem Bereich zwischen 175° und kleiner 179,5°. Die Drehachsen 33 und 35 schließen den Winkel α in einer von der Z-Achse und der X-Achse aufgespannten Ebene ein. Die Schrägstellung der Spindel 13 erfolgt derart, dass - in Vorschubrichtung gesehen - am „vorderen“ Rand des Werkzeugs 17 der Abstand zwischen dem Werkzeug 17 und der Badstütze 25 größer ist als am hinteren Ende des Werkzeugs. In der 4 ist der „vordere“ Rand des Werkzeugs 17 an dessen rechter Seite.
Die (optionale) Drehbewegung der Badstütze 25 ist in den 2 bis 13 durch einen gekrümmten Pfeil angedeutet. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 4 ist ein Durchmesser der Badstütze 25 etwa gleich groß wie der Durchmesser des Werkzeugs 17 im Bereich der Schulter. In vielen Fällen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Durchmesser der Badstütze 25 30% größer oder 30% kleiner als der Durchmesser des Werkzeugs 17 ist. Auch alle Zwischenwerte innerhalb dieses Bereichs sind geeignet.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 5 und 6 verlaufen die Drehachse 33 der Spindel 13 und die Drehachse 35 der Badstütze 25 parallel zueinander und in einer von der Z-Achse und der Y-Achse aufgespannten Ebene versetzt. Der Durchmesser der Badstütze 25 ist deutlich größer als der Durchmesser des Werkzeugs 17. Der Durchmesser der Badstütze 25 muss in diesem Fall so bemessen sein, dass die Kontaktfläche 27 der Badstütze 25 (siehe das Detail 2 in 1) in der Verlängerung der Drehachse 33 des Werkzeugs 17 liegt. Nur dann kann die Badstütze 25 die zu fügenden Bauteile 21, 21.2 auf der dem Werkzeug 17 gegenüberliegenden Seite unterstützen und die vom Werkzeug 17 ausgeübte Zustellkraft aufnehmen und in das Gestell 3 ableiten.
Die 6 zeigt einen Schnitt in einer Ebene, die von der Z-Achse und der X-Achse aufgespannt wird. In der 6 ist der Winkel α zwischen den Drehachsen 33 und 35 dargestellt.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 7 und 8 ist die Badstütze 25 in der Art eines Tellers ausgebildet; sie hat eine ringförmige Kontaktfläche 27. In der 7 wird deutlich, dass die Drehachsen 33 und 35 von Spindel 13 und Badstütze 25 versetzt zueinander sind und zwar in Richtung der Y-Achse. In der 8 ist eine Ansicht in einer von der Z-Achse und der X-Achse aufgespannten Ebene dargestellt. Auch hier ist eine Schrägstellung der Spindel 13 zu erkennen.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß der 9 und 10 ist die Badstütze 25 so ausgebildet, dass sie eine kegelförmige Kontaktfläche 27 aufweist. Die Drehachse 35 der Badstütze 25 ist gegenüber einer Flächennormalen der zu fügenden Bauteile derart schräggestellt, dass die Kontaktfläche 27 direkt unter dem Werkzeug in der Z-Y-Ebene (siehe 10) parallel zu der Unterseite der zu fügenden Bauteile 21 bzw. 21.2 verläuft. Dadurch stützt die kegelförmige Kontaktfläche 27 die Bauteile 21 und 21.2 direkt unterhalb des Werkzeugs 17 bestmöglich ab. In der 10 ist ein Öffnungswinkel des Kegels (Kegelwinkel) 28 eingetragen.
Die aus dem Kegelwinkel 28 resultierende Schrägstellung ist in der 10 mit dem Winkel γ bezeichnet.
Bei dieser Bauweise sind die Achsen 33 und 35 nicht nur um einen Winkel β zueinander schräg gestellt, sondern auch versetzt zueinander angeordnet. Die Drehachse 35 der Badstütze ist um den halben Kegelwinkel 28 der kegelförmigen Kontaktfläche 27 gegenüber der Flächennormalen der Bauteile 21 schräg gestellt. In der Z-Y-Ebene ist die Flächennormale parallel der Drehachse 33 des Werkzeugs 17.
Um ein Beispiel zu geben: Wenn der Kegelwinkel 28 gleich 160° ist, dann ist der Winkel β gleich 10 °. Dann verläuft die Kontaktfläche 27 an der Auflagestelle parallel zu der Unterseite des Werkstücks 21.
Der Winkel β ist in der 10 zwischen der Flächennormale der Bauteile 21, 21.2 und der Drehachse 35 eingezeichnet. Die Winkel Υ und β ergeben zusammen 180°.
In der 11 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das große Gemeinsamkeiten mit dem Ausführungsbeispiel gemäß der 9 und 10 aufweist. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die Drehachsen 33 und 35 in der Z-X-Ebene parallel zueinander angeordnet sind. Allerdings sind in dieser Ebene die Achsen 33 und 35 etwas versetzt zueinander angeordnet. Dadurch ergibt sich ein Anstellwinkel zwischen dem Werkzeug 17 und der Kontaktfläche 27.
Bei den Ausführungsbeispielen gemäß der 12 und 13 sind die Spindel 13 und die Rotationseinheit 31 auf der gleichen Seite der zu fügenden Werkstücke 21 und 21.2 angeordnet. Dies wird durch eine spezielle und erfindungsgemäße Geometrie der Badstütze 25 erreicht. Die Badstütze 25 ragt in Richtung der Z-Achse über die zu fügenden Bauteile 21 hinaus. D. h. in den , ragt sie weiter nach unten als die zu fügenden Bauteile 21.
Die Badstütze 25 ist tellerförmig ausgebildet und weist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 12 eine (kreis)ringförmige und ebene Kontaktfläche 27 auf. Die Kontaktfläche 27 ist bei diesem Ausführungsbeispiel nicht am stirnseitigen Ende der Badstütze 25, sondern auf der „Rückseite“ des Tellers angeordnet. Die Kontaktfläche 27 ist daher auch bei diesem Ausführungsbeispiel auf der dem Werkzeug 17 (und den Werkstücken 21) zugewandten Seite des Tellers angeordnet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel haben die Drehachsen 33 und 35 der Spindel 13 und der Rotationseinheit 35 in Richtung der Y-Achse einen Versatz. Der Versatz der Drehachsen 33 und 35 begrenzt den Abstand einer Schweißnaht von einem Rand 37 der zu fügenden Bauteile 21, 21.2.
Bei dieser Ausführungsform kann das Gestell 3 als einfache Platte oder als einfacher Arm ausgeführt werden; es muss nicht C-förmig sein.
Die 13 zeigt ein ähnliches Ausführungsbeispiel wie die 12. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die auf der „rückwärtigen“ Seite des Tellers ausgebildete Kontaktfläche 27 als Kegelstumpf ausgebildet ist.
Dementsprechend sind die Drehachsen 35 und 33 nicht parallel, sondern schneiden sich unter einem spitzen Winkel δ. Der Winkel δ ist gleich 90° abzüglich des halben Kegelwinkels der Kontaktfläche 27. Aus Platzgründen ist in der 13 nicht der stumpfe Winkel α zwischen den Drehachsen 33 und 35, sondern dessen Ergänzungswinkel zu 180° eingezeichnet.
Die Drehachsen 33 und 35 sind, wie sich aus der 13 ergibt, in der X-Y-Ebene auf Höhe der Werkstücke 21 versetzt zueinander. Der Schnittpunkt der Drehachsen 33 und 35 liegt in 13 unterhalb der Werkstücke 21.
Aus technologischen Gründen ist es häufig von Vorteil, wenn die Drehachse der Spindel 11 nicht unter einem Winkel von 90° auf die Oberfläche des Bauteils 21 trifft bzw. diese durchdringt. Die Abweichung dieses Winkels von 90° wird als Anstellwinkel α bezeichnet.
Ein solcher von null verschiedener Anstellwinkel α kann, wie bei herkömmlichen Rührreibschweißmaschinen, durch eine Neigung oder Schrägstellung der Spindel 11 um einen Winkel von 0,5 bis 5° erreicht werden. Es ist jedoch aus Gründen des Kraftflusses und der Symmetrie und der Steifigkeit der Zange 1 besonders günstig, wenn diese Schrägstellung (zumindest teilweise) auf der Gegenhalterseite 5 realisiert wird.
In der 14 sind eine Rührreibschweißzange 1 und ein Industrieroboter 31 dargestellt. Über die mechanische Schnittstelle 7 sind die Zange 1 und der Industrieroboter 31 miteinander lösbar verbunden. Das zu fügende Bauteil ist in der 14 nicht dargestellt.
Es ist besonders praktisch die Zange 1 oder das zu verschweißende Bauteil 21 während des Schweißprozesses mit einem Industrieroboter zu bewegen, der mindestens über vier, vorzugsweise fünf Freiheitsgrade verfügt bzw. vier bzw. fünf Gelenke oder Achsen aufweist. Somit kann die Zange 1 an jede beliebige Position gebracht und entsprechend der Blech-Normalenrichtung ausgerichtet werden.
Der erfindungsgemäße Rührreib-Schweißprozess kann wie folgt ablaufen. Dabei kommt eine Zange 1 gemäß einem der in den 1 bis 13 dargestellten Ausführungsbeispielen zum Einsatz.
Das bzw. die Bauteile 21 werden in der Zange 1 positioniert, sodass das Werkzeug 17 über dem Punkt auf dem Bauteil 21 steht an dem die Schweißnaht beginnen soll.
In einem zweiten Schritt wird die Zange 1 geschlossen, indem die erste Linearführung 15 die Spindel 1 und mit ihr den Zapfen 18 des rotierenden Werkzeugs 17 so weit in Richtung der X-Achse verfährt, bis der Zapfen 18 in das Bauteil 21 eingedrungen ist und die Werkzeugschulter 20 auf dem Bauteil 21 anliegt. Es ist auch möglich, die Spindel 11 fest mit dem Grundgestell zu verbinden und erste Linearführung 21 mit Aktuator zwischen Rotationseinheit 31 und Grundgestell 3 anzuordnen.
Der eigentliche Fügevorgang erfolgt nun durch eine Relativbewegung zwischen der Zange 1 und ihrem Werkzeug 17 einerseits und dem Bauteil 21 andererseits. Während der Vorschubbewegung wird die Badstütze 25 (aktiv durch einen Drehantrieb oder passiv durch die Vorschubbewegung) in Rotation versetzt, so dass zwischen dem Bauteilen 21 und Badstützen Gleitreibung (und keine Haftreibung) auftritt.
Eine besonders günstige Form der Prozessführung sieht vor, dass während des Eintauchvorgangs die Drehzahl des Werkzeugs 17 bzw. der Spindel 11 zumindest zweitweise höher ist, als während der Verfahr-Phase zum Erzeugen der Schweißnaht. Durch die höhere Drehzahl während des Eintauchens kann eine höhere Eintauchgeschwindigkeit und somit eine kürzere Prozessdauer und/oder ein geringerer Verschleiß des Werkzeugs, eine geringere Prozesskraft als während der Vorschubbewegung und/oder eine geringere Gratbildung am Werkstück bzw. eine schönere Schweißnaht am Startpunkt erzielt werden. Die Eintauchbewegung kann weg- bzw. geschwindigkeitsgesteuert bzw. geregelt, mit konstanter bzw. vorgegebener Eintauchkraft oder auch durch eine Kombination von beidem erfolgen.
Die Oberfläche der Badstütze 25 soll möglichst verschleißfest, hart und diffusionsträge mit Aluminium bei ca. 600°C sein. Daher sind Keramik, Zirkonoxid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Refraktärmetalle, wie z.B. Wolfram und Hartmetalle, geeignet.
Das zum Antrieb des Gegenhalters erforderliche Drehmoment ist wegen des kleinen Durchmessers der Kontaktfläche verhältnismäßigt klein und kann ohne Weiteres durch einen (Elektor-)Motor aufgebracht werden.
Dadurch, dass die Umfangsgeschwindigkeit der rotierenden Badstütze bzw. des Gegenhalters zum Werkstück höher als Vorschubgeschwindigkeit der Spindel bzw. des Werkzeugs (Relativgeschwindigkeit von der Drehachse des Werkzeugs zum Blech) ist, kann die Vorschubkraft weiter (teilweise sogar bis auf null) reduziert werden.
Bezugszeichenliste

1: Rührreibschweiß-Zange
3: Gestell
4: Werkzeugseite
5: Gegenhalterseite
7: (mechanische) Schnittstelle
8: Kraftmesseinrichtung
9: Freiraum
11: Spindel
13: Antrieb
14: Kraftmesseinrichtung
15: erste Linearführung
16: Wegmesseinrichtung
17: Werkzeug
18: Zapfen
20: Schulter
21: Bauteil
23: Halterung
25: Badstütze
27: Kontaktfläche
28: Öffnungswinkel des Kegels (Kegelwinkel)
29: Basisteil
31: Rotationseinheit
33: Drehachse der Spindel
35: Drehachse der Rotationseinheit
37: Rand
39: Handhabungsroboter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2017/0120373 A1 [0007]
US 8033443 B1 [0008]
DE 1021018111496 A1 [0009]

Claims

Vorrichtung zum Rührreibschweißen umfassend ein Gestell (3), eine angetriebene Spindel (11) zur Aufnahme eines Werkzeugs (17) zum Rührreibschweißen und einen Gegenhalter mit einer Badstütze (25), wobei die Spindel (11) und mit ihr das Werkzeug (17) eine Drehachse (33) aufweist, wobei die Badstütze (25) in einer Rotationseinheit (31) drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (33) des Werkzeugs (17) und die Drehachse (35) der Badstütze (25) parallel oder koaxial zueinander verlaufen oder einen stumpfen Winkel (α) einschließen, und dass der stumpfe Winkel (α) größer oder gleich 110° ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (27) der Badstütze (25) eben, kegelförmig oder ballig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmungsradius der Kontaktfläche (27) dort wo die Rotationsachse (33) der Spindel (11) die Kontaktfläche (27) durchstößt, mindestens doppelt so groß ist wie der Abstand von der Drehachse (35) zu diesem Punkt.
Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmungsradius der Kontaktfläche (27) insbesondere 3-mal, 5-mal, 10-mal, 20-mal größer ist als der Abstand von Drehachse zur Kontaktfläche (27).
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (27) kreisringförmig ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (33) des Werkzeugs (17) in einer Vorschubrichtung (X-Achse) versetzt zu der Drehachse (35) der Rotationseinheit (31) verläuft.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (33) des Werkzeugs (17) in Richtung einer Y-Achse versetzt zu der Drehachse (35) der Rotationseinheit (31) verläuft.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) zwischen der Drehachse (33) des Werkzeugs (17) und der Drehachse (35) der Badstütze (25) größer als 120° und besonders bevorzugt größer oder gleich 135°, 170°, bevorzugt größer als 175°, und kleiner als 179,5° ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationseinheit (31) auf einer dem Werkzeug (17) gegenüberliegenden Seite des Gestells (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (27) der Badstütze (25) kegelförmig oder kegelstumpfförmig ist, dass die Drehachse (33) des Werkzeugs (17) und die Drehachse (35) der Badstütze (25) einen Winkel (β) einschließen, und dass der Winkel (β) kleiner als 30° ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationseinheit (31) auf der gleichen Seite des Gestells (3) wie das Werkzeug (17) bzw. die Spindel (11) angeordnet ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (35) der Badstütze (25) und die Drehachse (33) des Werkzeugs (17) in einer von einer Vorschubrichtung (X-Achse) und einer Zustellrichtung (Z-Achse) aufgespannten Ebene (X-Z-Ebene) liegen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationseinheit (31) einen Drehantrieb für die Badstütze (25) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehantrieb die Badstütze (25) in eine kontinuierliche Drehbewegung versetzt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehantrieb die Badstütze (25) in eine oszillierende Drehschwingung versetzt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Linearführung (15) und einen Aktuator umfasst, dass die Linearführung (15) und der Aktuator eine Zustellbewegung zwischen Spindel (11) und Rotationseinheit (31) parallel zur Drehachse (Z-Achse) der Spindel (11) ermöglichen.
Verfahren zum Rührreibschweißen mit einer Vorrichtung zum Rührreibschweißen nach einem der Ansprüche 1 bis 15 umfassend die Schritte: a) Positionieren der Badstütze (25) in einer ersten Position, b) Antreiben des Werkzeugs (17), so dass es rotiert, c) Zustellen des Werkzeugs (17) oder der Rotationseinheit (31) bis eine vorgegebene Anpresskraft (F_A) zwischen Werkzeug (17) und Badstütze (25) erreicht ist und d) Durchführen einer Vorschubbewegung von Werkzeug (17) und Gegenhalter relativ zu dem Bauteil (21), wobei die Badstütze (25) während der Vorschubbewegung in eine Drehung versetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustellkraft während Vorschubbewegung (Schritt d)) nicht konstant, sondern schwellend ist und periodisch zwischen einem oberen Schwellwert und einem unteren Schwellwert wechselt.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Schwellwert der Zustellkraft gleich null (0 N) ist oder 30%, 50% oder 70% des oberen Schwellwerts der Zustellkraft beträgt.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustellkraft mit einer Frequenz zwischen 1 Hz und 1000 Hz, bevorzugt mit einer Frequenz zwischen 5 Hz und 100 Hz, zunimmt und abnimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Unterseite der zu verbindenden Werkstücke (21.1, 21.2) mit einem Schmiermittel im Bereich der Schweißnaht versehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden zu verbindenden Werkstücke (21.1, 21.2) miteinander verklebt sind, bevor sie durch das erfindungsgemäße Verfahren miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (21) ggf. unter Zuhilfenahme einer Halte- oder Führungs-Vorrichtung von einem Werker händisch geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung zwischen Werkstück und Zange von einem Handhabungssystem insbesondere von einem Roboter mit wenigstens vier beweglichen Achsen ausgeführt wird.