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Die Erfindung betrifft eine Rührreibschweiß-Vorrichtung zum Verschweißen von Werkstücken durch Rührreibschweißen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verschweißen von Werkstücken durch Rührreibschweißen.
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Die
US 2012/0298727 A1 offenbart eine Rührreibschweißvorrichtung, mit zwei Rührreibschweiß-Werkzeugen, die zum Verschweißen von Werkstücken in eine in einer Ebene verlaufende Bewegungsrichtung relativ zu den jeweiligen Werkstücken bewegt werden und entlang der Bewegungsrichtung hintereinander angeordnet sind, um dadurch eine längliche, entlang der Bewegungsrichtung verlaufende Schweißnaht zum Verschweißen der jeweiligen Werkstücke zu erzeugen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Rührreibschweiß-Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Verschweißen von Werkstücken durch Rührreibschweißen zu schaffen, sodass eine große Anzahl von Werkstücken auf zeit- und kostengünstige Weise verschweißt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Rührreibschweiß-Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Rührreibschweiß-Vorrichtung zum Verschweißen von Werkstücken durch Rührreibschweißen. Die Rührreibschweiß-Vorrichtung weist einen Werkzeugkopf auf, an welchem zumindest vier Schweißpins angeordnet sind. Der jeweilige Schweißpin wird auch einfach als Schweißstift oder Stift bezeichnet und ist um eine jeweilige Drehachse, insbesondere relativ zu dem Werkzeugkopf, drehbar. Dabei verlaufen die Drehachsen, insbesondere paarweise, parallel zueinander und die Drehachsen sind voneinander beabstandet. Insbesondere ist es beispielsweise vorgesehen, dass die Drehachsen und somit die Schweißpins matrixartig angeordnet sind, sodass zwei erste der Schweißpins unter Ausbildung einer ersten Reihe entlang einer ersten Geraden aufeinanderfolgend angeordnet sind, wobei zwei zweite der Schweißpins unter Ausbildung einer zweiten Reihe entlang einer zweiten Geraden aufeinanderfolgend angeordnet sind, und wobei die erste Gerade und die zweite Gerade parallel zueinander verlaufen und voneinander beabstandet sind. Dabei verläuft die erste Gerade durch die Drehachsen, um die die ersten Schweißpins drehbar sind, und die erste Gerade verläuft senkrecht zu den Drehachsen, um welche die ersten Schweißpins drehbar sind. Die zweite Gerade verläuft durch die Drehachsen, um die die zweiten Schweißpins drehbar sind, und die zweite Gerade verläuft senkrecht zu den Drehachsen, um die die zweiten Schweißpins drehbar sind. Die Rührreibschweiß-Vorrichtung ist dazu ausgebildet, den Werkzeugkopf entlang einer Bewegungsrichtung, welche parallel zu den Drehachsen verläuft, zu bewegen, insbesondere derart, dass der Werkzeugkopf entlang der oder in die Bewegungsrichtung gegen wenigstens ein erstes Werkstück gedrückt wird, welches mittels der Rührreibschweiß-Vorrichtung durch Rührreibschweißen mit wenigstens einem zweiten Werkstück verschweißt wird. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt ist die Rührreibschweiß-Vorrichtung dazu ausgebildet, den Werkzeugkopf und somit die Schweißpins, insbesondere während des Rührreibschweißens, in die Bewegungsrichtung gegen das wenigstens eine erste Werkstück zu drücken, um das wenigstens eine erste Werkstück durch das Rührreibschweißen mit dem wenigstens einen zweiten Werkstück zu verschweißen und somit zu verbinden. Dabei ist die Rührreibschweiß-Vorrichtung jedoch frei von einer Bewegungseinrichtung, mittels welcher die Schweißpins in einer senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufenden Ebene bewegbar sind, wodurch mittels der Schweißpins eine Mehrfachpunktschweißung durchführbar ist.
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Die Bewegungsrichtung wird auch als z-Richtung bezeichnet. Vorteilhaft ist bei einem Schweißverfahren während des eigentlichen Schweißvorganges mit der erfindungsgemäßen Rührreibschweiß-Vorrichtung keine Bewegung der Schweißpins und somit des Werkzeugkopfes in eine senkrecht zu der z-Richtung verlaufende Richtung vorgesehen - obwohl eine derartige Bewegung prinzipiell möglich ist und zu einer Positionierung des Werkzeugkopfes auch genutzt wird. Somit kann mittels des jeweiligen Schweißpins, insbesondere genau, eine jeweilige Punktschweißung oder Punktschweißverbindung durchgeführt beziehungsweise hergestellt werden, sodass mittels der Rührreibschweiß-Vorrichtung wenigstens vier Punktschweißungen beziehungsweise Punktschweißverbindungen durchgeführt beziehungsweise hergestellt werden können. Somit ist es beispielsweise möglich, das zuvor genannte, wenigstens eine erste Werkstück an wenigstens vier insbesondere voneinander beabstandeten Stellen durch Rührreibschweißen und dabei durch eine jeweilige der Punktschweißverbindungen mit dem wenigstens einen zweiten Werkstück zu verbinden. Mit anderen Worten umfasst die Mehrfachpunktschweißung die wenigstens vier mittels der Schweißpins herstellbaren oder hergestellten Punktschweißverbindungen. Die Rührreibschweiß-Vorrichtung ermöglicht es somit, mehrere, erste Werkstücke mittels der Mehrfachpunktschweißung mit, insbesondere genau, einem zweiten Werkstück oder mit mehreren, zweiten Werkstücken, insbesondere gleichzeitig, zu verbinden, sodass eine besonders hohe Anzahl von Werkstücken auf besonders zeit- und somit kostengünstige Weise durch Rührreibschweißen miteinander verschweißt und somit miteinander verbunden werden können.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von Werkstücken mittels einer erfindungsgemäßen Rührreibschweiß-Vorrichtung. Da die Schweißpins der Rührreibschweiß-Vorrichtung während des eigentlichen Schweißvorganges nicht entlang einer senkrecht zu der z-Richtung verlaufenden Richtung bewegt werden, unterbleibt bei dem Verfahren eine in der Ebene und somit senkrecht zu der Bewegungsrichtung erfolgende Bewegung der Schweißpins, insbesondere relativ zu dem jeweiligen Werkstück, sodass die Mehrfachpunktverschweißung und somit die wenigstens vier Punktschweißungen besonders zeit- und kostengünstig und dabei insbesondere gleichzeitig hergestellt werden können. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt. Der Erfindung liegen dabei insbesondere die folgenden Überlegungen und Erkenntnisse zugrunde:
- Das Rührreibschweißen in seiner ursprünglichen Form ist hinlänglich bekannt. Jedoch ist das Rührreibschweißen üblicherweise aufgrund eines Werkzeugs, welches zum Rührreibschweißen verwendet wird, hinsichtlich der Taktzeit sowie der Prozesseffizienz stark limitiert. Üblicherweise wird das Werkzeug entlang einer Bewegungsbahn und dabei üblicherweise zumindest im Wesentlichen linienförmig relativ zu dem jeweiligen, zu verschweißenden Werkstück bewegt, um entlang der Bewegungsbahn durch das Rührreibschweißen eine Schweißnaht herzustellen. Eine solche Herstellung einer linienförmigen Schweißnaht durch Rührreibschweißen ist bei der Erfindung nicht vorgesehen und nicht möglich. Hierdurch ermöglicht es die Erfindung, die Mehrfachpunktschweißung durchzuführen und somit beispielsweise mehrere erste Werkstücke mittels der Mehrfachpunktschweißung mit mehreren zweiten Werkstücken durch Rührreibschweißen zu verbinden. Der Werkzeugkopf und die daran drehbar gehaltenen Schweißpins bilden dabei ein Mehrfachwerkzeug. Beispielsweise weist der Werkzeugkopf je Schweißpin eine Einzelschulter auf, sodass vorliegend wenigstens vier Einzelschultern vorgesehen sind.
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Grundsätzlich ist es denkbar, wenigstens oder genau zwei Schweißpins drehbar an dem Werkzeugkopf anzuordnen, insbesondere über jeweilige Einzelschultern. Um jedoch besonders zeit- und kostengünstig eine besonders hohe Anzahl von Werkstücken zeit- und kostengünstig durch eine Mehrfachpunktschweißung zu verschweißen, sind erfindungsgemäß wenigstens oder genau vier Schweißpins drehbar an dem Werkzeugkopf gehalten. Der jeweilige Schweißpin an sich ist ein Einzelpin, welcher bei dem Rührreibschweißen um seine jeweilige Drehachse, insbesondere relativ zu dem Werkzeugkopf, rotiert, das heißt sich dreht. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass sich die auch als Einzelpins bezeichneten Schweißpins unabhängig voneinander um ihre jeweiligen Drehachsen drehen. Die Mehrfachpunktschweißung umfasst dabei mehrere und vorliegend wenigstens vier zumindest im Wesentlichen punktförmige Schweißungen, welche gleichzeitig ohne laterale Bewegung des Werkzeugkopfs und somit der Schweißpins hergestellt werden. Unter der lateralen Bewegung des Werkzeugkopfes und somit der Schweißpins ist eine Bewegung der Schweißpins in der genannten Ebene zu verstehen, wobei eine solche Bewegung während des eigentlichen Schweißvorganges unterbleibt, da sie während dieses eigentlichen Schweißvorganges nicht erwünscht ist. Die genannte Ebene ist beispielsweise durch zwei senkrecht zueinander und senkrecht zu der z-Richtung verlaufenden Richtungen aufgespannt, nämlich einer ersten Richtung, welche auch als x-Richtung bezeichnet wird, und einer zweiten Richtung, welche auch als y-Richtung bezeichnet wird. Somit erfolgt während des eigentlichen Schweißvorganges keine Bewegung der Schweißpins beziehungsweise des Werkzeugkopfes in die x- oder y-Richtung, sodass bei dem Rührreibschweißen entstehende Prozesskräfte mittels des Mehrfachwerkzeugs und einer entsprechenden Anbindung gut beherrschbar sind. Der Werkzeugkopf und somit die Schweißpins werden während des eigentlichen Schweißvorganges lediglich in z-Richtung gegen wenigstens ein Werkstück, welches mittels der Rührreibschweiß-Vorrichtung verschweißt wird und somit in eine Verbindung oder in einen Verbindungsbereich gedrückt, insbesondere während die einfach auch als Pins bezeichneten Schweißpins auf der Stelle rotieren. Eine jeweilige Größe des jeweiligen Schweißpins und der jeweiligen, auch als Schulter bezeichneten Einzelschulter ist beispielsweise je nach Fügeanforderung zu dimensionieren. Ferner ist es denkbar, dass eine jeweilige Drehzahl und eine jeweilige Drehrichtung des jeweiligen Schweißpins, insbesondere einzeln, einstellbar, das heißt steuerbar oder regelbar, sind. Eine Anbindung des Werkzeugkopfs erfolgt beispielsweise an eine Portalmaschine mit CNC-Steuerung oder an einen Roboter. Ferner ist es denkbar, dass die Einzelschultern und die Einzelpins voneinander, insbesondere elektrisch, isolierbar oder isoliert sind. Die Erfindung ermöglicht insbesondere die Realisierung zumindest der folgenden Vorteile:
- - gleichzeitige Mehrfachschweißung und somit erhebliche Reduzierung der Taktzeit
- - besondere Eignung für das Fügen einer Vielzahl von gleichartigen Bauteilverbindungen
- - insbesondere zum Kontaktieren von Batteriezellen geeignet, besonders geeignet für das Fügen von Rundzellen mit einem Zellverbinder
- - Fügen von Mischverbindungen wie zum Beispiel Aluminium und Stahl und/oder Aluminium und Kupfer u.s.w. ohne die Bildung von kritischen intermetallischen Phasen möglich
- - Erzeugung einer Vielzahl von punktförmigen Schweißverbindungen gleicher und vor allem guter Qualität in einem Takt
- - andere Anordnungen des Werkzeugs möglich
- - Das Werkzeug kann auch mehrfach eingesetzt werden.
- - Auftretende Prozesskräfte können sich durch gegenläufig rotierende Pins gegenläufig kompensieren, sodass die Anlagentechnik, zum Beispiel der Roboter, geringer dimensioniert werden kann bei sehr ruhigem und homogenem Prozessablauf.
- - Kraft lediglich in z-Richtung, somit Eignung für die Anwendung mit Robotern und/oder Portalanlagen
- - hohe Flexibilität
- - einseitiges Werkzeug und lediglich einseitige (Bauteil)-Zugänglichkeit erforderlich
- - Reduzierung der aufwendigen Spanntechnik der Bauteile beziehungsweise Werkstücke durch gegenläufige Rotation der Pins und sich somit aufhebende Kräfte
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 ausschnittsweise eine schematische Unteransicht einer Rührreibschweiß-Vorrichtung zum Verschweißen von Werkstücken durch Rührreibschweißen; und
- 2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Verschweißen von Werkstücken mittels der Rührreibschweiß-Vorrichtung.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ausschnittsweise in einer schematischen Unteransicht eine auch einfach als Schweißvorrichtung bezeichnete Rührreibschweiß-Vorrichtung 10, mittels welcher, wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, Bauteile, welche auch als Werkstücke bezeichnet werden, durch Rührreibschweißen miteinander verschweißt und dadurch miteinander verbunden, mithin miteinander gefügt werden können. Die Rührreibschweiß-Vorrichtung 10 weist einen Werkzeugkopf 12 mit einfach auch als Schultern bezeichneten Einzelschultern 14 auf. Außerdem weist die Rührreibschweiß-Vorrichtung 10 wenigstens oder genau vier Schweißpins 16 auf, welche auch einfach als Schweißstifte, Stifte oder Pins bezeichnet werden. Der jeweilige Schweißpin 16 ist, insbesondere über eine jeweilige der Einzelschultern 14, drehbar an dem Werkzeugkopf 12 angeordnet und somit gehalten, insbesondere derart, dass der jeweilige Schweißpin 16 um eine jeweilige Drehachse 18 relativ zu dem Werkzeugkopf 12 drehbar ist. Die Drehachsen 18 verlaufen parallel zueinander und sind voneinander beabstandet. Außerdem verläuft die jeweilige Drehachse 18 parallel zu einer auch als z-Richtung bezeichneten und in 2 mit z bezeichneten Bewegungsrichtung, welche senkrecht zu einer Ebene verläuft, die auch als x-y-Ebene bezeichnet wird und durch zwei Richtungen aufgespannt ist, nämlich eine x-Richtung, welche mit x bezeichnet ist, und eine y-Richtung, welche mit y bezeichnet ist. Die x-Richtung und die y-Richtung verlaufen senkrecht zueinander und senkrecht zur z-Richtung.
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Die Rührreibschweiß-Vorrichtung 10 ist dazu ausgebildet, den Werkzeugkopf 12 und somit die Schweißpins 16 entlang der Bewegungsrichtung, das heißt entlang der z-Richtung, die parallel zu den Drehachsen 18 verläuft, zu bewegen. Dabei werden jedoch während des eigentlichen Schweißvorganges die Schweißpins 16 der Rührreibschweiß-Vorrichtung 10 nicht in der Ebene bewegt. Dadurch dreht sich der jeweilige Schweißpin 16 bei dem Rührreibschweißen auf der Stelle, sodass mittels des jeweiligen Schweißpins 16 eine jeweilige Punktschweißung durchgeführt und somit eine jeweilige Punktschweißverbindung hergestellt werden kann. Da bei dem in den Fig. gezeigten Ausführungsbeispiel die Rührreibschweiß-Vorrichtung 10 vier Schweißpins 16 aufweist, können mittels der Rührreibschweiß-Vorrichtung 10, insbesondere gleichzeitig, vier Punktschweißungen durchgeführt und somit vier Punktschweißverbindungen, insbesondere gleichzeitig, hergestellt werden, wobei die Punktschweißungen eine Mehrfachpunktschweißung bilden. Durch die Mehrfachpunktschweißung können beispielsweise, wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, mehrere, erste Bauteile oder Werkstücke, insbesondere gleichzeitig, mit mehreren, zweiten Werkstücken oder Bauteilen durch Rührreibschweißen verschweißt werden.
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Aus 2 ist erkennbar, dass an dem Werkzeugkopf 12 ein Anbindungselement 20 vorgesehen ist, mittels welchem der Werkzeugkopf 12 und somit die Schweißpins 16 an eine Portalanlage oder an einen Roboter angebunden werden können. Insgesamt ist erkennbar, dass der Schweißkopf 12 und die Schweißpins 16 sowie die Einzelschultern 14 ein vorliegend als Vierfachwerkzeug ausgebildetes Mehrfachwerkzeug 22 bilden, mittels welchem die Mehrfachpunktschweißung durchgeführt werden kann. Außerdem ist aus 2 erkennbar und durch Pfeile veranschaulicht, dass dadurch, dass der Schweißkopf 12 und somit die Schweißpins 16 entlang der oder in die z-Richtung bewegt werden können, die Schweißpins 16 bei dem Rührreibschweißen mit einer Kraft F, welche in die z-Richtung wirkt, beaufschlagt und somit gegen die zu verschweißenden Werkstücke gedrückt beziehungsweise in jeweilige Verbindungszonen gedrückt werden können, in denen die Werkstücke miteinander verschweißt werden.
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Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die ersten Werkstücke Zellverbinder 24, und die zweiten Werkstücke sind Batteriezellen 26 zum, insbesondere elektrochemischen, Speichern von elektrischer Energie. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Batteriezellen 26 Rundzellen, welche außenumfangsseitig die Form eines geraden Kreiszylinders aufweisen. Außerdem ist aus 2 die Mehrfachpunktverschweißung erkennbar, welche in 2 mit 28 bezeichnet ist und die in 2 mit 30 bezeichneten Punktschweißungen umfasst. Es ist erkennbar, dass durch die Mehrfachpunktschweißung 28 zwei erste der Batteriezellen 26 mit einem ersten der Zellverbinder 24 und zwei zweite der Batteriezellen 26 mit einem zweiten der Zellverbinder 24 verschweißt werden, wodurch die Batteriezellen 26 mechanisch und insbesondere auch elektrisch mit den Zellverbindern 24 verbunden werden. Insbesondere ermöglicht es die Rührreibschweiß-Vorrichtung 10, die ersten Batteriezellen 26 und die zweiten Batteriezellen 26 gleichzeitig mit dem ersten Zellverbinder 24 und mit dem zweiten Zellverbinder 24 durch das Rührreibschweißen zu verschweißen und somit zu verbinden, wodurch die Batteriezellen 26 besonders zeit- und kostengünstig mit den Zellverbindern 24 verbunden werden können.
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Durch die jeweilige Punktschweißung 30 wird eine jeweilige Punktschweißverbindung hergestellt, wobei in 2 eine der Punktschweißverbindungen ausschnittsweise in einer schematischen Schnittansicht gezeigt und mit 32 bezeichnet ist. Die jeweilige Punktschweißverbindung wird auch als Punktverbindung bezeichnet.
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Während des Rührreibschweißens dreht sich der jeweilige Schweißpin 16 um seine jeweilige Drehachse 18 relativ zu dem Werkzeugkopf 12 in eine jeweilige Drehrichtung. Dabei ist es denkbar, dass wenigstens zwei der Drehrichtungen gegensinnig sind, sodass sich beispielsweise wenigstens zwei der Schweißpins 16 bei dem Rührreibschweißen in gegenläufig beziehungsweise einander entgegengesetzte Drehrichtungen drehen. Insbesondere ist es denkbar, dass die jeweilige Drehrichtung und eine jeweilige Drehzahl, mit welcher sich der jeweilige Schweißpin 16 bei dem Rührreibschweißen dreht, einstellbar, das heißt ansteuerbar sind, sodass beispielsweise auch unterschiedliche Verbindungen wie beispielsweise unterschiedliche Materialien und/oder unterschiedliche Materialstärken, insbesondere gleichzeitig, verschweißt werden können. Außerdem können sich beispielsweise durch die gegenläufigen beziehungsweise gegensinnigen Drehrichtungen bei dem Rührreibschweißen auftretende Kräfte gegenseitig kompensieren. Insbesondere je nach benötigter Fügekraft und somit Werkzeugabmessung sind weitere Anordnungsmöglichkeiten denkbar, sodass es denkbar ist, dass die Rührreibschweiß-Vorrichtung 10 mehr als vier Schweißpins 16 aufweist. Des Weiteren ist es bei dem in den Fig. gezeigten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Schweißpins 16 und somit die Drehachsen 18 matrixartig angeordnet sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Rührreibschweiß-Vorrichtung
- 12
- Werkzeugkopf
- 14
- Einzelschulter
- 16
- Schweißpin
- 18
- Drehachse
- 20
- Anbindungselement
- 22
- Mehrfachwerkzeug
- 24
- Zellverbinder
- 26
- Batteriezelle
- 28
- Mehrfachpunktschweißung
- 30
- Punktschweißung
- 32
- Punktschweißverbindung
- x
- x-Richtung
- y
- y-Richtung
- z
- z-Richtung
- F
- Kraft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0298727 A1 [0002]
