DE102022108248A1

DE102022108248A1 - Device and machine for friction stir welding

Info

Publication number: DE102022108248A1
Application number: DE102022108248.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Werz; Florian Panzer; Dominik Walz; Stefan Weihe
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2022-04-06
Filing date: 2022-04-06
Publication date: 2023-10-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zum Rührreibschweißen umfassend ein Gehäuse (12), und eine drehantreibbare Spindel (14) für ein Fügewerkzeug (24). Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Maschine (118) zum Rührreibschweißen umfassen die erfinderische Vorrichtung (10).The invention relates to a device (10) for friction stir welding, comprising a housing (12) and a rotatably drivable spindle (14) for a joining tool (24). A further aspect of the invention relates to a machine (118) for friction stir welding comprising the inventive device (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Rührreibschweißen umfassend ein Gehäuse, und eine drehantreibbare Spindel für ein Fügewerkzeug. Zudem betrifft die Erfindung eine Maschine zum Rührreibschweißen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des nebengeordneten Anspruchs 19.The present invention relates to a device for friction stir welding comprising a housing and a rotatable spindle for a joining tool. The invention also relates to a machine for friction stir welding with the features of the preamble of independent claim 19.

Rührreibschweißen ermöglicht im Gegensatz zu anderen Schweißverfahren nicht nur Bauteile aus gleichartigen Werkstoffen, sondern auch Bauteile stark unterschiedlicher Werkstoffe zu fügen. Ein weiterer Vorteil des Rührreibschweißens ist die hohe Festigkeit der Schweißnaht.In contrast to other welding processes, friction stir welding not only allows components made of similar materials to be joined, but also components made of very different materials. Another advantage of friction stir welding is the high strength of the weld seam.

Die Bauteile werden beim Rührreibschweißen in fester Phase miteinander gefügt. Beim Fügen treten hohe Prozesskräfte auf, die hohe Anforderungen an die Steifigkeit der Vorrichtung und die Maschine zum Rührreibschweißen stellen.The components are joined together in the solid phase during friction stir welding. When joining, high process forces occur, which place high demands on the rigidity of the device and the machine for friction stir welding.

Vorrichtungen zum Rührreibschweißen sind bspw. aus der EP 3 854 511 A1 , US 2004/0079787 A1 und US 11,027,363 B2 bekannt. Die Vorrichtung der US 2004/0079787 A1 weist eine Klemmeinrichtung für das Material auf, mit axialer Zustellung des Fügewerkzeugs in Richtung der geklemmten zu fügenden Bauteile und Bewegung des Fügewerkzeugs in eine Fügerichtung entlang der fügenden Bauteile. Eine Umpositionierung der Vorrichtung an komplexen Fügeteilen wird über einen Roboterarm realisiert.Devices for friction stir welding are, for example, from EP 3 854 511 A1 , US 2004/0079787 A1 and US 11,027,363 B2 known. The device of US 2004/0079787 A1 has a clamping device for the material, with axial delivery of the joining tool in the direction of the clamped components to be joined and movement of the joining tool in a joining direction along the joining components. The device can be repositioned on complex parts to be joined using a robot arm.

Eine Neigung bzw. Anstellung der Drehachse der Spindel zu den Bauteilen verbessert u.a. eine geschlossene Schweißnahtausprägung. Dabei kann die Spindel in einer Fügerichtung geneigt bzw. angestellt sein und/oder quer zur Fügerichtung.An inclination or adjustment of the axis of rotation of the spindle relative to the components improves, among other things, a closed weld seam. The spindle can be inclined or positioned in a joining direction and/or transversely to the joining direction.

Ein Anstellen der Spindel in Fügerichtung ist vorteilhaft, weil dadurch die Qualität der Schweißnaht verbessert wird. Ein Anstellen der Spindel quer zur Fügerichtung ist bei unterschiedlich hohen Bauteilen erforderlich. Die Drehachse der Spindel und die Normale auf der zu fügenden Bauteile schließen einen Anstellwinkel ein.Adjusting the spindle in the joining direction is advantageous because it improves the quality of the weld seam. It is necessary to position the spindle transversely to the joining direction for components of different heights. The axis of rotation of the spindle and the normal on the components to be joined include an angle of attack.

US 11,027,363 B2 lehrt eine Vorrichtung mit einem fest oder variabel einstellbaren Anstellwinkel in der Fügerichtung. Ist der Anstellwinkel fest eingestellt, kann er nicht an unterschiedliche Anforderungen zu fügender Bauteile angepasst werden. Nachteilig ist auch, dass der Anstellwinkel im Fügeprozess aufgrund der wirkenden Prozesskräfte nicht korrigiert/geändert werden kann. In einer alternativen Ausführung weist die Vorrichtung der US 11,027,363 B2 eine Rotationseinrichtung auf, die zum variablen Einstellen des Anstellwinkels dient. Ein Rotationsantrieb ist direkt an der Drehachse zum Anstellen des Fügewerkzeugs angeordnet. Nachteilig ist, dass der Rotationsantrieb bei direktem Antrieb der Rotationseinrichtung sehr groß ausgelegt sein muss, um die zum Anstellen des Fügewerkzeugs erforderlichen Stellkräfte aufzubringen. Insbesondere lang vorstehende Werkzeuge, wie sie zum Erreichen industriell geforderter Zugänglichkeitsanforderungen bei großen Werkstücken zum Einsatz kommen, führen zu hohen Biegemomenten. Auch die elastische Nachgiebigkeit und Spiel führen zu sehr negativen Auswirkungen auf den Füge-Prozess wie z.B. rattern, geometrische Abweichung von der Sollposition etc.. US 11,027,363 B2 teaches a device with a fixed or variably adjustable angle of attack in the joining direction. If the angle of attack is fixed, it cannot be adapted to the different requirements of the components to be joined. Another disadvantage is that the angle of attack in the joining process cannot be corrected/changed due to the acting process forces. In an alternative embodiment, the device has the US 11,027,363 B2 a rotation device which is used to variably adjust the angle of attack. A rotary drive is arranged directly on the axis of rotation for turning on the joining tool. The disadvantage is that when the rotation device is driven directly, the rotation drive must be designed to be very large in order to generate the actuating forces required to turn on the joining tool. In particular, long protruding tools, such as those used to achieve industrial accessibility requirements for large workpieces, lead to high bending moments. The elastic compliance and play also lead to very negative effects on the joining process such as chattering, geometric deviation from the target position, etc.

Aus der Praxis ist ferner bekannt, dass für das Rührreibschweißen angepasste Fräsmaschinen und Fräsbearbeitungszentren verwendet werden. Diese können einen festen Anstellwinkel zu den Fügeteilen oder eine Kinematik zur Änderung des Anstellwinkels aufweisen. Bei festem Anstellwinkel ist zur Änderung des Anstellwinkels ein manueller Eingriff notwendig.It is also known from practice that milling machines and milling machining centers adapted to friction stir welding are used. These can have a fixed angle of attack to the parts to be joined or kinematics to change the angle of attack. If the angle of attack is fixed, manual intervention is necessary to change the angle of attack.

Mit bekannten Kinematiken, die einen Gabelkopf oder eine direkt angetriebene Rotationseinrichtung (wie z. B. bei der US 11,027,363 B2 ) verwenden, ist ein Anstellwinkel von +-110° einstellbar. Wenn eine Rotationseinheit verwendet wird, ist sogar ein Durchrotieren möglich. Dieser große Einstellbereich eines Anstellwinkels rührt bei umgebauten Mehrachs-Bearbeitungszentren aus deren ursprünglichem Einsatzzweck. Für das Rührreibschweißen wird er in den hier intendierten Anwendungsfällen nicht benötigt. Typische Anwendungsfälle des Rührreibschweißens sind sogenannte 2,5-D Anwendungen; das heißt es geht um große, (nahezu) planare Strukturen wie z.B. Tailor welded Blanks, Flächenkühler etc.With known kinematics that have a fork head or a directly driven rotation device (such as the US 11,027,363 B2 ), an angle of attack of +-110° can be set. If a rotation unit is used, rotating through is even possible. This large adjustment range of an angle of attack in converted multi-axis machining centers comes from their original purpose. It is not required for friction stir welding in the intended applications. Typical applications of friction stir welding are so-called 2.5-D applications; That means it's about large, (almost) planar structures such as tailor welded blanks, surface coolers, etc.

Es ist bekannt, dass bei den oben genannten Anwendungsfällen ein Anstellwinkel von 1° bis 5° in Fügerichtung ausreicht. Für die aus der Praxis bekannten deutlich größeren Anstellwinkel werden große Lagerstellen zum Lagern der Spindel und entsprechend ausgelegte Rotationsantriebe benötigt, um die notwendige Steifigkeit zu erreichen. Hierdurch nimmt die Maschine einen großen Bauraum ein und ist teuer.It is known that in the above-mentioned applications an angle of attack of 1° to 5° in the joining direction is sufficient. For the significantly larger angles of attack known from practice, large bearing points for supporting the spindle and appropriately designed rotary drives are required in order to achieve the necessary rigidity. As a result, the machine takes up a lot of space and is expensive.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen und eine entsprechende Maschine zu entwickeln, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Sie soll einfach aufgebaut, sehr steif und platzsparend sein.The invention is based on the object of providing a device and developing a corresponding machine which overcomes the disadvantages of the prior art. It should be simple, very rigid and space-saving.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Rührreibschweißen nach Anspruch 1.The invention solves this problem by a device for friction stir welding according to claim 1.

Die Vorrichtung zum Rührreibschweißen weist eine Schwenkeinrichtung auf. Die Schwenkeinrichtung umfasst ein Gelenk mit zwei Freiheitsgraden. Das Gehäuse ist in dem Gelenk angeordnet.The device for friction stir welding has a pivoting device. The pivoting device includes a joint with two degrees of freedom. The housing is arranged in the joint.

Die Spindel ist in dem Gehäuse drehantreibbar um eine Drehachse gelagert. Dabei ragt die Spindel an wenigstens einem Ende des Gehäuses heraus. Die Spindel kann an dem aus dem Gehäuse herausragenden Ende eine Werkzeugaufnahme für das Fügewerkzeug aufweisen. Die Vorrichtung umfasst einen Antrieb für die Spindel, bevorzugt einen Elektromotor.The spindle is mounted in the housing so that it can rotate about an axis of rotation. The spindle protrudes from at least one end of the housing. The spindle can have a tool holder for the joining tool at the end protruding from the housing. The device includes a drive for the spindle, preferably an electric motor.

Durch das Gelenk mit zwei Freiheitsgraden ist ein Anstellen eines Fügewerkzeugs in zwei Richtungen relativ zu den zu fügenden Bauteilen möglich. Beispielsweise ist es möglich den Anstellwinkel in Fügerichtung und/oder quer zu einer Fügerichtung einzustellen. Somit können auch unterschiedlich dicke flächige Bauteile in einer Ebene stumpf und ohne Stufe gefügt werden. Hierdurch lassen sich beispielsweise Tailor Welded Blanks, Flächenkühler oder Wärmetauscher herstellen.The joint with two degrees of freedom makes it possible to position a joining tool in two directions relative to the components to be joined. For example, it is possible to adjust the angle of attack in the joining direction and/or transversely to a joining direction. This means that flat components of different thicknesses can be joined in one plane butt and without a step. This can be used, for example, to produce tailor welded blanks, surface coolers or heat exchangers.

Die Freiheitsgrade des Gelenks können ausgelegt sein, die Drehachse der Spindel in Fügerichtung zu einer Normalen auf zu fügende Bauteile zwischen 0°und 20°, insbesondere 1° bis 5°, anzustellen und die Drehachse der Spindel seitlich zur Fügerichtung zwischen 0°und 20° zur Normalen auf die Bauteile anzustellen. Es ist vorteilhaft, wenn die Vorrichtung ein unabhängiges Verschwenken des Gelenks in den Freiheitsgraden ermöglicht. Dann können durch gleichzeitiges und ggf. betragsmäßig unterschiedliches Verschwenken der Spindel in beiden Freiheitsgraden beispielsweise gekrümmte Schweißnähte an unterschiedlich dicken und/oder lokal unterschiedlich dicken Bauteile erstellt werden. Eine Anpassung des gebildeten Anstellwinkels an die Schweißnahtgeometrie während des Betriebs ist in einfacher Weise möglich.The degrees of freedom of the joint can be designed to set the axis of rotation of the spindle in the joining direction to a normal to the components to be joined between 0° and 20°, in particular 1° to 5°, and the axis of rotation of the spindle laterally to the joining direction between 0° and 20° to the normal to the components. It is advantageous if the device allows the joint to be pivoted independently in the degrees of freedom. Then, for example, curved weld seams can be created on components of different thicknesses and/or locally different thicknesses by simultaneously pivoting the spindle in both degrees of freedom and, if necessary, in different amounts. An adjustment of the angle of attack formed to the weld seam geometry during operation is possible in a simple manner.

In der Praxis haben sich die obenstehenden Bereiche der Anstellwinkel als ausreichend herausgestellt. Größere Anstellwinkel ergeben keine Vorteile beim Rührreibschweißen von flächigen Bauteilen, sondern erhöhen nur die Anforderungen an eine Lagerung des Gelenks, um die Prozesskräfte mit möglichst geringem Spiel aufzunehmen. Durch die kompakte und steife erfindungsgemäße Gelenklagerung kann die Vorrichtung kostengünstig hergestellt werden.In practice, the above ranges of angles of attack have proven to be sufficient. Larger angles of attack do not result in any advantages when friction stir welding of flat components, but only increase the requirements for bearing the joint in order to absorb the process forces with as little play as possible. Due to the compact and rigid joint bearing according to the invention, the device can be manufactured cost-effectively.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse derart im Gelenk angeordnet, dass eine Werkzeugaufnahme oder das Fügewerkzeug nahe am Gelenk positioniert ist. Hierdurch wird eine hohe Steifigkeit des Gelenks erreicht. Außerdem bewegt sich die Werkzeugspitze beim Anstellen eines Fügewerkzeugs nur wenig. Aufgrund der günstigen Hebelverhältnisse werden die von den Aktuatoren bereitzustellenden Stellkräfte kleiner und der Anstellwinkel kann genauer eingestellt werden.In a preferred embodiment, the housing is arranged in the joint in such a way that a tool holder or the joining tool is positioned close to the joint. This achieves a high level of joint rigidity. In addition, the tool tip moves only slightly when a joining tool is turned on. Due to the favorable leverage ratios, the actuating forces to be provided by the actuators are smaller and the angle of attack can be adjusted more precisely.

Die Steifigkeit der Lagerung des Fügewerkzeugs bzw. der Spindel hat einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität der Schweißnaht. Die erfinderische Vorrichtung ist sehr steif und führt zu einer sehr guten und glatten Oberfläche der Schweißnaht. Bei Schweißungen mit nicht ausreichend steifen Anstellmechanismen oder einer nicht ausreichend steifen Lagerung des Fügewerkzeugs kommt es zu vielfältigen Problemen. So führen beispielsweise nicht ausreichend steif ausgelegte oder spielbehaftete Anstellmechanismen zum „Rattern“ des Fügewerkzeugs. In Folge dessen können die Schweißnähte mit zyklisch wiederkehrenden Poren behaftet sein. Das ist unerwünscht, weil sie die Festigkeit und Dichtheit der Schweißnaht beeinträchtigen. Außerdem kann es zu Beschädigungen von Werkzeug und / oder den zu fügenden Bauteilen durch die Ratterkräfte kommen.The rigidity of the bearing of the joining tool or spindle has a decisive influence on the quality of the weld seam. The inventive device is very stiff and leads to a very good and smooth surface of the weld seam. A variety of problems arise when welding with insufficiently rigid adjustment mechanisms or insufficiently rigid mounting of the joining tool. For example, adjustment mechanisms that are not sufficiently rigid or have play lead to the joining tool “chattering”. As a result, the weld seams can have cyclically recurring pores. This is undesirable because they affect the strength and tightness of the weld. In addition, the chattering forces can cause damage to the tool and/or the components to be joined.

Die Freiheitsgrade des erfindungsgemäßen Gelenks können Drehbewegungen um jeweils eine Drehachse sein. Die zwei Drehachsen können orthogonal, windschief zueinander oder sich schneidend, und insbesondere senkrecht zu einer Drehachse der Spindel verlaufen. Die beiden Drehachsen können in einer Ebene liegen, in parallelen Ebenen liegen oder windschief zueinander verlaufen.The degrees of freedom of the joint according to the invention can be rotational movements about an axis of rotation. The two axes of rotation can run orthogonally, skewed to one another or intersecting, and in particular perpendicular to an axis of rotation of the spindle. The two axes of rotation can lie in one plane, lie in parallel planes or be skewed to one another.

Das erfindungsgemäße Gelenk kann ein Kardangelenk, ein Festkörpergelenk, ein Membrangelenk oder ein Kalotten- bzw. Kugelgelenk sein. Diese Gelenkarten ermöglichen bei einfacher und robuster Konstruktion die Freiheitsgrade zum Anstellen der Drehachse der Spindel an den Bauteilen.The joint according to the invention can be a cardan joint, a solid state joint, a membrane joint or a spherical or ball joint. With a simple and robust design, these types of joints allow the degrees of freedom to adjust the axis of rotation of the spindle on the components.

Das Gehäuse kann in einem Kardangelenk gelagert sein. Das Kardangelenk kann ein äußeres drehbar gelagertes Element und ein in dem äußeren Element drehbar gelagertes inneres Element aufweisen. In dem inneren Element ist das Gehäuse gelagert. Die Drehachsen des äußeren und inneren Elements sind in der Regel um einen Winkel größer als 30° und bevorzugt um 90° versetzt zueinander, um ein unabhängiges Verschwenken des Gehäuses in den zwei Freiheitsgraden zu ermöglichen. Dabei können das äußere und innere Element des Kardangelenks rechteckig, quadratisch oder kreisförmig ausgebildet sein. Die Achsen der beiden Gelenke schneiden sich vorzugsweise oder weisen einen Abstand von maximal 50 mm, maximal 15 mm, maximal 5 mm oder maximal 0,5 mm auf. Beim Kardangelenk ist der Winkel mindestens einer der Achsen (näherungsweise) 90° zur Drehachse der Spindel und ändert sich im Betrieb nicht. Alternativ kann das Gehäuse in einem Festkörpergelenk, insbesondere ein Membrangelenk, gelagert sein. Das Festkörpergelenk umfasst ein elastisch verformbares flächiges Element.The housing can be mounted in a cardan joint. The cardan joint may have an outer element rotatably mounted and an inner element rotatably mounted in the outer element. The housing is mounted in the inner element. The axes of rotation of the outer and inner elements are generally offset from one another by an angle greater than 30° and preferably by 90° in order to enable independent pivoting of the housing in the two degrees of freedom. The outer and inner elements of the universal joint can be rectangular, square or circular. The axes of the two joints preferably intersect or have a distance of a maximum of 50 mm, a maximum of 15 mm, a maximum of 5 mm or a maximum of 0.5 mm. With a cardan joint, the angle of at least one of the axes is (approximately) 90° to the axis of rotation of the spindle and does not change during operation. Alternatively, the housing can be in a solid-state joint, in particular a membrane joint. The solid-state joint includes an elastically deformable flat element.

Es ist vorteilhaft, wenn das elastisch verformbare Element Bereiche mit verringerter Dicke und/oder Aussparungen aufweist, um ein unabhängiges Verschwenken des Gehäuses um die erste und die zweite Drehachse zu erleichtern oder zu ermöglichen. Ein Festkörpergelenk ermöglicht ein reibungsfreies und verschleißfreies Anstellen des Fügewerkzeugs, so dass kein Abrieb entsteht. Dies kann bei Reinraumanwendungen vorteilhaft sein. Ferner lässt sich ein Festkörpergelenk kostengünstig herstellen.It is advantageous if the elastically deformable element has areas of reduced thickness and/or recesses in order to facilitate or enable independent pivoting of the housing about the first and second axes of rotation. A solid-state joint enables friction-free and wear-free adjustment of the joining tool, so that no abrasion occurs. This can be advantageous in cleanroom applications. Furthermore, a solid-state joint can be produced inexpensively.

Das Gehäuse kann auch in einem Kalotten- bzw. Kugelgelenk gelagert sein. Das Kalotten- bzw. Kugelgelenk umfasst ein Kugelsegment. Das Kugelsegment ist in einer Vorrichtungsaufnahme gelagert oder kann alternativ auch in einer separaten und in der Vorrichtungsaufnahme angeordneten Lagerstelle gelagert sein, um ein unabhängiges Verschwenken des Gehäuses in den erforderlichen zwei Freiheitsgraden zu ermöglichen.The housing can also be mounted in a spherical or ball joint. The spherical or ball joint comprises a spherical segment. The ball segment is mounted in a device receptacle or can alternatively also be mounted in a separate bearing point arranged in the device receptacle in order to enable independent pivoting of the housing in the required two degrees of freedom.

In zweckmäßiger Weise kann das Gelenk, wenn es ein Kalotten- oder Kugelgelenk ist, eine Drehmomentstütze aufweisen. Die Drehmomentstütze verhindert eine Rotation des Gehäuses um die Drehachse der Spindel.The joint can expediently have a torque arm if it is a spherical or ball joint. The torque arm prevents the housing from rotating around the spindle's axis of rotation.

Die Drehmomentstütze kann beispielsweise als Zapfen oder als Stange ausgeführt sein. Sie ist an dem Kugelsegment oder dem Gehäuse angeordnet.The torque arm can be designed, for example, as a pin or as a rod. It is arranged on the spherical segment or the housing.

Die Schwenkeinrichtung kann einen ersten und einen zweiten Linearaktuator aufweisen. Linearaktuatoren sind besonders robuste und kompakte, stufenlose Antriebe. Sie weisen eine hohe Dynamik bei gleichzeitig hoher Genauigkeit auf. Als Linearaktuatoren können bspw. Linearmotoren, Lineardirektantriebe, Kugelumlaufspindeln, Planet-Umlauf-Spindeln, Hydraulikzylinder oder Pneumatikzylinder vorgesehen sein.The pivoting device can have a first and a second linear actuator. Linear actuators are particularly robust and compact, continuously variable drives. They have high dynamics and high accuracy at the same time. For example, linear motors, linear direct drives, ball screws, planetary spindles, hydraulic cylinders or pneumatic cylinders can be provided as linear actuators.

Die Linearaktuatoren können an einem Punkt des Gehäuses angreifen, der einen größeren Abstand zu dem Gelenk aufweist als eine Spitze eines in die Spindel eingesetzten Werkzeugs. Die Punkte an denen die Linearaktuatoren an dem Gehäuse angreifen sind die Kraftangriffspunkte der Linearaktuatoren.The linear actuators can act on a point on the housing that is at a greater distance from the joint than a tip of a tool inserted into the spindle. The points at which the linear actuators attack the housing are the force application points of the linear actuators.

Dadurch wird der Hebelarm mit dem die Stellkraft der Linearaktuatoren in das Gehäuse eingeleitet werden größer. In Folge dessen werden kleinere Stellkräfte benötigt, um das Gehäuse und mit ihm die Spindel zu verschwenken/anzustellen, als wenn ein Linearaktuator in der Nähe zum Gelenk angeordnet ist. Somit können kleinere Linearaktuatoren vorgesehen werden. Dies führt zu einer kompakten Bauweise der Vorrichtung.This increases the lever arm with which the actuating force of the linear actuators is introduced into the housing. As a result, smaller actuating forces are required to pivot/adjust the housing and with it the spindle than if a linear actuator is arranged close to the joint. Smaller linear actuators can therefore be provided. This leads to a compact design of the device.

Ein Abstands- oder Hebelverhältnis zwischen den Drehachsen des Gelenks zu einer Spitze des Fügewerkzeugs und den Drehachsen des Gelenks zu den Kraftangriffspunkten des ersten und zweiten Linearaktuators am Gehäuse kann beispielsweise 1:2, oder 1:4 betragen.A distance or leverage ratio between the axes of rotation of the joint to a tip of the joining tool and the axes of rotation of the joint to the force application points of the first and second linear actuators on the housing can be, for example, 1:2 or 1:4.

Der erste und der zweit Linearaktuator können im Wesentlichen 90° zueinander versetzt an dem Gehäuse angreifen. Dabei sind die Linearaktuatoren auch 90° zu den Drehachsen des Gelenks am Gehäuse versetzt angeordnet, um in besonders einfacher Weise direkt durch Antrieb der Linearaktuatoren das Gehäuse um die Drehachsen des Gelenks zu verschwenken.The first and second linear actuators can act on the housing at essentially 90° angles to one another. The linear actuators are also arranged offset at 90° to the axes of rotation of the joint on the housing in order to pivot the housing about the axes of rotation of the joint in a particularly simple manner directly by driving the linear actuators.

Der erste und der zweite Linearaktuator können in einer Ebene angeordnet sein. Die Linearaktuatoren können aber auch in verschiedenen Ebenen liegen. Dadurch können trotz der Verwendung gleicher Linearaktuatoren verschieden große Drehmomente auf das Gehäuse ausgeübt werden und/oder verschiedene Anstellwinkel realisiert werden.The first and second linear actuators can be arranged in one plane. The linear actuators can also be located in different levels. As a result, despite using the same linear actuators, different torques can be exerted on the housing and/or different angles of attack can be realized.

Um das Anstellen der Drehachse der Spindel zu ermöglichen müssen die Linearaktuatoren sich gegen ein Vorrichtungsgehäuse oder an einer die Vorrichtung umfassenden Maschine wenigstens teilweise gelenkig abstützen. Des Weiteren können alternativ oder zusätzlich die Linearaktuatoren an dem Gehäuse gelenkig angeordnet sein. Dadurch können die Linearaktuatoren der Schwenkbewegung des Gehäuses zur Änderung des Anstellwinkels der Drehachse der Spindel folgen.In order to enable the rotation axis of the spindle to be adjusted, the linear actuators must be supported at least partially in an articulated manner against a device housing or on a machine comprising the device. Furthermore, the linear actuators can alternatively or additionally be arranged in an articulated manner on the housing. This allows the linear actuators to follow the pivoting movement of the housing to change the angle of attack of the spindle's axis of rotation.

Die Schwenkeinrichtung kann ein oder insbesondere mehrere Verspannungselemente aufweisen. Das Verspannungselement kann eine den Stellkräften des ersten und zweiten Linearaktuators entgegengesetzte Kraft auf das Gehäuse ausüben.The pivoting device can have one or in particular several bracing elements. The bracing element can exert a force on the housing that is opposite to the actuating forces of the first and second linear actuators.

Das Verspannungselement ermöglicht eine spielfreie Konstruktion der Schwenkeinrichtung. Dabei kann das Verspannungselement bei einem Kugelgelenk zusätzlich auch als Drehmomentstütze fungieren.The bracing element enables a play-free design of the swivel device. In the case of a ball joint, the tensioning element can also function as a torque support.

Das Verspannungselement kann ein weiterer Linearaktuator oder ein Federelement, insbesondere eine Gasdruckfeder, eine Schraubenfeder und/oder ein Tellerfederpaket, sein.The bracing element can be a further linear actuator or a spring element, in particular a gas pressure spring, a helical spring and/or a disc spring package.

Wenn das Verspannungselement ein weiterer Linearaktuator ist, dann ist die Schwenkeinrichtung bei zwei Freiheitsgraden statisch überbestimmt. Der weitere Linearaktuator kann beispielsweise auf der Winkelhalbierenden zwischen dem ersten und zweiten Linearaktuator auf einer gegenüberliegenden Seite am Gehäuse angelenkt sein und eine Kraft auf das Gehäuse ausüben, die der aus den Stellkräften des ersten und zweiten Linearaktuators resultierenden Kraft entgegengerichtet ist. Der weitere Linearaktuator kann das Gehäuse gegenüber dem ersten und zweiten Linearaktuator vorspannen und Spiel in den einzelnen Linearaktuatoren ausgleichen.If the bracing element is another linear actuator, then the pivoting device is statically overdetermined with two degrees of freedom. The further linear actuator can, for example, be articulated on the angle bisector between the first and second linear actuators on an opposite side of the housing and exert a force on the housing that is opposite to the force resulting from the actuating forces of the first and second linear actuators. The further linear actuator can bias the housing relative to the first and second linear actuators and compensate for play in the individual linear actuators.

Alternativ können als Verspannungselement auch Federelemente verwendet werden. Insbesondere können das oder die Federelemente in der Bewegungsachse des Aktuators auf der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses angeordnet sein. Dann arbeiten die Federelemente auf Druck. Alternativ kann ein oder jeweils ein Federelement parallel zu den Linearaktuatoren angeordnet sein. Dann arbeiten die Federelemente auf Zug.Alternatively, spring elements can also be used as a bracing element. In particular, the spring element or elements can be arranged in the axis of movement of the actuator on the opposite side of the housing. The spring elements then work under pressure. Alternatively, one or each spring element can be arranged parallel to the linear actuators. The spring elements then work in tension.

Das Gehäuse kann in dem Gelenk axial in Richtung der Drehachse der Spindel verschiebbar gelagert sein, um eine Vorschubbewegung der Spindel zu realisieren.The housing can be mounted in the joint so that it can move axially in the direction of the axis of rotation of the spindle in order to realize a feed movement of the spindle.

Insbesondere kann das Gelenk mittels wenigstens einem weiteren Linearaktuator verschiebbar sein, der zum Beispiel am Gehäuse in Verlängerung der Drehachse der Spindel angelenkt ist.In particular, the joint can be displaceable by means of at least one further linear actuator, which is articulated, for example, on the housing in an extension of the axis of rotation of the spindle.

Dies ermöglicht einen einfachen und kompakten Aufbau einer Zustellkinematik für kleine Zustellbewegungen. Es kann mit einer solchen Zustellkinematik auch ein zusätzliches präzises Zustellen nach groben vorpositionieren der Vorrichtung an zu fügenden Bauteilen durchgeführt werden.This enables a simple and compact setup of delivery kinematics for small delivery movements. With such delivery kinematics, additional precise delivery can also be carried out after rough pre-positioning of the device on components to be joined.

Weiter vorteilhaft ist, dass bei dieser Zustellkinematik die Prozesskraftkomponente in Drehachsenrichtung nicht auf das Gelenk bzw. dessen Lagerstellen übertragen wird, sondern vollständig über den weiteren Linearaktuator aufgenommen wird.It is also advantageous that with this delivery kinematics the process force component in the direction of the axis of rotation is not transferred to the joint or its bearing points, but is absorbed completely via the additional linear actuator.

Folglich muss das Gelenk nur zur Drehachse quer gerichtete Kräfte aufnehmen. Beispielsweise kann das Gehäuse mittels einer Gleitlagerbuchse im Gelenk gelagert sein. Für eine reduzierte Reibung können Kugeln zwischen die Buchsen eingebracht sein. Auch der Einsatz von Wälzkörperumlaufführungen ist möglich.Consequently, the joint only has to absorb forces that are transverse to the axis of rotation. For example, the housing can be mounted in the joint using a plain bearing bushing. Balls can be inserted between the bushings to reduce friction. The use of rolling element recirculating guides is also possible.

Ist das Gehäuse in dem Gelenk axial in Richtung der Drehachse der Spindel verschiebbar gelagert, können der erste und der zweite bzw. ein weiterer Linearaktuator mit der Drehachse der Spindel bei senkrechter Stellung der Spindel zu den Drehachsen des Gelenks ein Winkel von 30°-60° einschließen. Ist eine separate Zustellung der gesamten Vorrichtung oder keine Zustellung der Vorrichtung hin zu fügenden Bauteilen vorgesehen, können die Linearaktuatoren mit der Spindel bei senkrechter Stellung der Spindel zu den Drehachsen des Gelenks ein Winkel von 90° einschließen.If the housing is mounted in the joint so that it can move axially in the direction of the axis of rotation of the spindle, the first and the second or a further linear actuator can have an angle of 30°-60° with the axis of rotation of the spindle when the spindle is in a vertical position to the axes of rotation of the joint lock in. If a separate delivery of the entire device or no delivery of the device to the components to be joined is provided, the linear actuators can enclose an angle of 90° with the spindle when the spindle is in a vertical position to the axes of rotation of the joint.

Eine Kraftmesseinrichtung kann in den Lastpfaden der Linearaktuatoren und/oder am Gelenk angeordnet sein zur Erfassung von Prozesskräften. Insbesondere kann die Kraftmesseinrichtung als eine Kraftmessdose und/oder Dehnungsstreifen ausgebildet sein.A force measuring device can be arranged in the load paths of the linear actuators and/or on the joint to record process forces. In particular, the force measuring device can be designed as a load cell and/or strain mark.

Eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung der erfassten Prozesskräfte und eine Steuerungseinrichtung können vorgesehen sein. In zweckmäßiger Weise sind die Auswerteeinrichtung und die Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Linearaktuatoren und Korrektur eines Anstellwinkels im Betrieb eingerichtet.An evaluation device for evaluating the recorded process forces and a control device can be provided. The evaluation device and the control device are expediently set up to control the linear actuators and correct an angle of attack during operation.

Mittels der Auswerteeinrichtung und Steuerungseinrichtung kann einer Prozesskraft bedingte Positionsänderungen der Drehachse der Spindel aufgrund von Spiel oder mangelnder Steifigkeit entgegengewirkt werden. Ferner kommt es aufgrund von dem Abstand zwischen der Spitze des Fügewerkzeugs und den Drehachsen des Gelenks bei Anstellung des Fügewerkzeugs zu einer Positionsabweichung von einer Sollposition. Die Positionsabweichung kann mittels der Auswerteeinrichtung erfasst und über die Steuerungseinrichtung korrigiert werden.By means of the evaluation device and control device, position changes in the axis of rotation of the spindle caused by process force due to play or a lack of rigidity can be counteracted. Furthermore, due to the distance between the tip of the joining tool and the axes of rotation of the joint when the joining tool is adjusted, there is a position deviation from a target position. The position deviation can be detected using the evaluation device and corrected via the control device.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Maschine zum Rührreibschweißen von flachen Werkstücken oder Werkstücken mit flacher Oberfläche. Die Maschine weist ein kartesisches Koordinatensystem auf, wobei eine x- und y-Achse eine Bearbeitungsebene aufspannen und eine z-Achse (Zustellbewegung der Spindel ohne Anstellung), die senkrecht zur Bearbeitungsebene orientiert ist. In der Bearbeitungsebene ist ein Bearbeitungstisch angeordnet.Another aspect of the invention relates to a machine for friction stir welding of flat workpieces or workpieces with a flat surface. The machine has a Cartesian coordinate system, with an x and y axis spanning a machining plane and a z-axis (infeed movement of the spindle without adjustment), which is oriented perpendicular to the machining plane. A processing table is arranged in the processing plane.

Die Maschine umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Rührreibschweißen. Die Vorrichtung ist in einer Vorrichtungsaufnahme der Maschine oberhalb des Bearbeitungstisches angeordnet. Dabei kann die Vorrichtungsaufnahme die Lagerstelle für das erfindungsgemäße Gelenk der Vorrichtung bilden. Die Vorrichtungsaufnahme ist in einer zur Bearbeitungsebene parallelen (Verfahr-)Ebene in Richtung der x- und y-Achse verfahrbar. Die Maschine ist insbesondere in einer Gantry- oder Portalbauweisen ausgeführt. The machine includes a device according to the invention for friction stir welding. The device is arranged in a device holder of the machine above the processing table. The device holder can form the bearing point for the joint of the device according to the invention. The device holder can be moved in the direction of the x and y axes in a (traversing) plane parallel to the processing plane. The machine is designed in particular in a gantry or portal design.

Durch die im Verhältnis zu anderen Maschinen steifere Ausführung der Vorrichtung zum Rührreibschweißen kann mit höheren Prozesskräften gearbeitet werden.Due to the stiffer design of the stirring device compared to other machines Friction welding can be carried out with higher process forces.

Ist die Maschine in einer Gantry- oder Portalbauweise ausgeführt, können Traversen an denen die erfinderische Vorrichtung zum Rührreibschweißen geführt ist, aus Hohlprofilen oder als Fachwerk ausgeführt sein.If the machine is designed in a gantry or portal design, traverses on which the inventive device for friction stir welding is guided can be made of hollow profiles or as a truss.

Vorteilig ist, dass sowohl Axialkräfte, als auch Radialkräfte, die beim Rührreibschweißen auftreten, von den Traversen aufgenommen werden. Alternativ können zwei an einem Ende miteinander verbundene Traversen vorgesehen sein, so dass jede Teil-Traverse überwiegend auf Biegung beansprucht wird.The advantage is that both axial forces and radial forces that occur during friction stir welding are absorbed by the traverses. Alternatively, two traverses connected to one another at one end can be provided, so that each partial traverse is predominantly subjected to bending.

Ein Bearbeitungstisch kann statisch fest, als Fördereinrichtung oder als Drehtisch ausgeführt sein. Ferner kann der Bearbeitungstisch zusätzlich in z-Achse zum Fügewerkzeug zustellbar sein.A processing table can be statically fixed, designed as a conveyor device or as a rotary table. Furthermore, the processing table can also be adjustable in the z-axis to the joining tool.

Die Maschine zum Rührreibschweißen kann Kraftmesseinrichtungen in den Lastpfaden von Antrieben umfassen. Die erfassten Prozesskräfte können mittels einer Auswerteeinheit ausgewertet werden. Diese kann mit einer Steuerungseinrichtung gekoppelt sein, um das Rührreibschweißen durchzuführen und Korrekturen des Anstellwinkels des Fügewerkzeugs durchzuführen.The machine for friction stir welding can include force measuring devices in the load paths of drives. The recorded process forces can be evaluated using an evaluation unit. This can be coupled to a control device in order to carry out friction stir welding and to carry out corrections to the angle of attack of the joining tool.

Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtungsaufnahme axial in Richtung der z-Achse verfahrbar sein. Dabei erfolgt das Verfahren über einen zur Schwenkeinrichtung separaten Aktuator. Vorteilig hierbei ist, dass große Zustellbewegungen umsetzbar sind.Alternatively or additionally, the device holder can be axially movable in the direction of the z-axis. The process takes place via an actuator that is separate from the pivoting device. The advantage here is that large delivery movements can be implemented.

Zum Anstellen der Spindel in Fügerichtung und/oder quer zu der Fügerichtung kann die Spindel erfindungsgemäß um die zwei Dreh- oder Schwenkachsen des Gelenks unabhängig voneinander und/oder gleichzeitig verschwenkt werden. Dadurch ist es möglich, die Spindel in Fügerichtung anzustellen, auch wenn sich die Fügerichtung während des Fügevorgangs ändert. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn die Fügezone nicht gerade, sondern gekrümmt ist.To adjust the spindle in the joining direction and/or transversely to the joining direction, the spindle can, according to the invention, be pivoted about the two rotation or pivot axes of the joint independently of one another and/or simultaneously. This makes it possible to turn the spindle in the joining direction, even if the joining direction changes during the joining process. This is the case, for example, if the joining zone is not straight but curved.

Außerdem ist es möglich, die Spindel quer zur Fügerichtung anzustellen, um auf diese Weise Werkstücke unterschiedlicher Dicke zu fügen.It is also possible to position the spindle transversely to the joining direction in order to join workpieces of different thicknesses.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren erläutert, wobei gleich oder funktional gleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind, ggf. in den Figuren lediglich nur einmal. Es zeigen:

1: drei Schnittansichten (a-c) einer schematischen Darstellung einer Vorrichtung zum Rührreibschweißen in einer ersten Ausführungsform mit einem Kardangelenk;
2: drei Schnittansichten (a-c) einer schematischen Darstellung der Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform mit einem Kugelgelenk;
3: drei Schnittansichten (a-c) einer schematischen Darstellung der Vorrichtung in einer dritten Ausführungsform mit einem Festkörper- bzw. Membrangelenk;
4: eine vierte Ausführungsform mit einem weiteren Linearaktuator in geschnittener Darstellung;
5: eine fünfte Ausführungsform mit axial gelagertem Gehäuse und Zustellaktuator als isometrische Ansicht (a) und seitliche Schnittansicht (b);
6: schematische und teilgeschnittene Darstellung einer Maschine zum Rührreibschweißen;

The invention is explained below with reference to the figures, with identical or functionally identical elements being provided with identical reference numbers, possibly only once in the figures. Show it:

1 : three sectional views (ac) of a schematic representation of a device for friction stir welding in a first embodiment with a universal joint;
2 : three sectional views (ac) of a schematic representation of the device in a second embodiment with a ball joint;
3 : three sectional views (ac) of a schematic representation of the device in a third embodiment with a solid or membrane joint;
4 : a fourth embodiment with a further linear actuator in a sectional view;
5 : a fifth embodiment with an axially mounted housing and feed actuator as an isometric view (a) and a side sectional view (b);
6 : Schematic and partially sectioned representation of a machine for friction stir welding;

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments

In 6 ist exemplarisch die Einbindung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in eine Maschine zum Rührreibschweißen dargestellt. Zur Verbesserung der Übersichtlichkeit ist diese Maschine in den 1 bis 5 nicht dargestellt.In 6 The integration of the device according to the invention into a machine for friction stir welding is shown as an example. To improve clarity, this machine is in the 1 until 5 not shown.

1a-c zeigt eine erste Ausführungsform der Vorrichtung zum Rührreibschweißen, wobei die Vorrichtung insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Die Vorrichtung 10 umfasst ein Gehäuse 12 und eine drehantreibbare Spindel 14. 1a-c shows a first embodiment of the device for friction stir welding, the device as a whole being designated by the reference number 10. The device 10 comprises a housing 12 and a rotatable spindle 14.

Wie in 1a dargestellt, ist die Spindel 14 drehantreibbar um eine Drehachse 16 in dem Gehäuse 12 gelagert. Dabei ragt die Spindel 14 an einem unteren Gehäuseende 18 aus dem Gehäuse 12 heraus. In 1a ist die Richtung der Schwerkraft mit 17 bezeichnet. Die Spitze des Pfeils 17 ist „unten“. Die Spindel 14 weist an dem aus dem Gehäuse 12 herausragenden Ende 20 eine Werkzeugaufnahme 22 auf. In der Werkzeugaufnahme 22 ist ein Fügewerkzeug 24 angeordnet. Das Fügewerkzeug 24 weist einen im Durchmesser breiteren Schulterabschnitt 26 auf und eine im Durchmesser dünneren axial in Drehachsenrichtung erstreckte Werkzeugspitze 28 auf.As in 1a shown, the spindle 14 is mounted in the housing 12 so that it can rotate about an axis of rotation 16. The spindle 14 protrudes from the housing 12 at a lower housing end 18. In 1a the direction of gravity is designated 17. The tip of arrow 17 is “down”. The spindle 14 has a tool holder 22 at the end 20 protruding from the housing 12. A joining tool 24 is arranged in the tool holder 22. The joining tool 24 has a shoulder section 26 that is wider in diameter and a tool tip 28 that is thinner in diameter and extends axially in the direction of the axis of rotation.

Beim Rührreibschweißen taucht die Werkzeugspitze 28 in die zu fügenden Bauteile 30 ein und der Schulterabschnitt 26 liegt auf den zu fügenden Bauteilen 30 auf. Zum Antreiben der Spindel 14 umfasst die Vorrichtung 10 einen in der 1 nicht gezeigten Antrieb (z. B einen Elektromotor). Der Antrieb ist in vorteilhafter Weise an dem der Werkzeugspitze 28 gegenüberliegenden Gehäuseende 32 angeordnet. Alternativ dazu kann der Elektromotor in Form einer sogenannten Motorspindel in das Gehäuse 12 integriert sein.During friction stir welding, the tool tip 28 dips into the components 30 to be joined and the shoulder section 26 rests on the components 30 to be joined. To drive the spindle 14, the device 10 includes one in the 1 Drive not shown (e.g. an electric motor). The drive is advantageously at the end of the housing opposite the tool tip 28 32 arranged. Alternatively, the electric motor can be integrated into the housing 12 in the form of a so-called motor spindle.

In 1a-c ist die Vorrichtung 10 in einer neutralen Stellung positioniert. In der neutralen Stellung ist die Drehachse 16 der Spindel 14 parallel zu einer Normalen der zu fügenden Bauteile 30 orientiert. Mit anderen Worten: Das Fügewerkzeug 24 ist nicht angestellt.In 1a-c the device 10 is positioned in a neutral position. In the neutral position, the axis of rotation 16 of the spindle 14 is oriented parallel to a normal of the components 30 to be joined. In other words: The joining tool 24 is not turned on.

Die Vorrichtung 10 weist eine Schwenkeinrichtung 34 auf. Die Schwenkeinrichtung 34 umfasst ein Gelenk 36, vorliegend ein Kardangelenk 38, und einen in 1b dargestellten ersten und zweiten Linearaktuator 40, 42. Das Gehäuse 12 ist in dem Gelenk 36 derart angeordnet, dass das Fügewerkzeug 24 nach unten aus dem Gelenk 36 herausragt.The device 10 has a pivoting device 34. The pivoting device 34 comprises a joint 36, in this case a cardan joint 38, and an in 1b illustrated first and second linear actuators 40, 42. The housing 12 is arranged in the joint 36 such that the joining tool 24 protrudes downwards from the joint 36.

Anhand der 1c wird deutlich, dass das Kardangelenk 38 ein äußeres Element 44 und ein inneres Element 46 aufweist. Das äußere Element 44 ist bei diesem Ausführungsbeispiel in seiner Grundform rechteckig. In dem äußeren Element 44 ist ein im Querschnitt rechteckiges Durchgangsloch 48 bzw. ein im Querschnitt rechteckiger Durchbruch eingebracht. Die Begriffe „Durchgangsloch 48“ und „Durchbruch“ sind Synonyme.Based on 1c It becomes clear that the universal joint 38 has an outer element 44 and an inner element 46. In this exemplary embodiment, the outer element 44 is rectangular in its basic shape. A through hole 48 with a rectangular cross section or an opening with a rectangular cross section is made in the outer element 44. The terms “through hole 48” and “breakthrough” are synonyms.

Von dem äußeren Element 44 ragen zwei erste zylindrische Abschnitte 52 an gegenüberliegenden äußeren Seiten 54 des äußeren Elements 44 ab. Die zylindrischen Abschnitte 52 erstrecken sich entlang einer Symmetrieachse 50 des äußeren Elements 44.Two first cylindrical sections 52 protrude from the outer element 44 on opposite outer sides 54 of the outer element 44. The cylindrical sections 52 extend along an axis of symmetry 50 of the outer element 44.

Die zylindrischen Abschnitte 52 sind vorliegend als Lagerzapfen ausgebildet. Mit ihnen wird das Kardangelenk 38 in einer in 1a nur teilweise schematisch dargestellten Vorrichtungsaufnahme 56 einer Maschine zum Rührreibschweißen drehbar um eine (erste) Drehachse 58 gelagert. Die Symmetrieachse 50 und die erste Drehachse 58 des äußeren Elements 44 fallen hier zusammen.In the present case, the cylindrical sections 52 are designed as bearing pins. With them the cardan joint 38 is in one 1a Only partially schematically shown device holder 56 of a machine for friction stir welding is rotatably mounted about a (first) axis of rotation 58. The axis of symmetry 50 and the first axis of rotation 58 of the outer element 44 coincide here.

Das innere Element 46 ist vorliegend als quadratisches Gehäuse 12 der Spindel 14 ausgebildet. Das innere Element 46 kann aber auch ein zu dem Gehäuse 12 separates Element sein, das ein Durchgangsloch oder einen Durchbruch aufweist in dem das Gehäuse 12 angeordnet ist. Es kann eingepresst sein. Von dem Gehäuse 12 ragen zwei (zweite) zylindrische Abschnitte 62 an gegenüberliegenden äußeren Seiten 64 des Gehäuses 12 ab. Die zweiten zylindrischen Abschnitte 62 sind vorliegend als Lagerzapfen ausgebildet. Mittels der zweiten zylindrischen Abschnitte 62 ist das Gehäuse 12 drehbar um eine weitere Drehachse 66 in dem durch das Durchgangsloch 48 gebildeten Rahmen des äußeren Elements 44 gelagert. Die zweite Drehachse 66 fällt mit einer Symmetrieachse 60 zusammen.In the present case, the inner element 46 is designed as a square housing 12 of the spindle 14. However, the inner element 46 can also be an element that is separate from the housing 12 and has a through hole or an opening in which the housing 12 is arranged. It may be pressed in. Two (second) cylindrical sections 62 protrude from the housing 12 on opposite outer sides 64 of the housing 12. In the present case, the second cylindrical sections 62 are designed as bearing pins. By means of the second cylindrical sections 62, the housing 12 is rotatably mounted about a further axis of rotation 66 in the frame of the outer element 44 formed by the through hole 48. The second axis of rotation 66 coincides with an axis of symmetry 60.

Die Drehachsen (58, 66) des Gehäuses 12 und des äußeren Elements 44 sind um 90° zueinander versetzt. Das Gelenk 36 weist zwei unabhängige Freiheitsgrade auf.The axes of rotation (58, 66) of the housing 12 and the outer element 44 are offset by 90° to one another. The joint 36 has two independent degrees of freedom.

Die Drehachse 58 des Kardangelenks kann parallel zu einer Fügerichtung 70 (siehe 6) orientiert sein.The axis of rotation 58 of the cardan joint can be parallel to a joining direction 70 (see 6 ) be oriented.

Die zwei Drehachsen 58, 66 des Kardangelenks 38 ermöglichen ein Anstellen des Gehäuses 12. Dadurch werden auch die Drehachse 16 der Spindel 14 und das Fügewerkzeug 24 aus der Normalen 68 zu einer Oberfläche der zu fügenden Bauteile geschwenkt, bzw. angestellt (siehe 6). Hierbei ist ein Anstellen des Gehäuses 12 zur Normalen in Fügerichtung und/oder quer zur Fügerichtung um einen Winkel von 0°-20°bevorzugt. Durch einen geeigneten Anstellwinkel in Fügerichtung wird die Qualität der Schweißnaht verbessert. Durch einen geeigneten Anstellwinkel quer zur Fügerichtung ermöglich das Fügen unterschiedlich dicker Bauteile.The two axes of rotation 58, 66 of the cardan joint 38 enable the housing 12 to be adjusted. As a result, the axis of rotation 16 of the spindle 14 and the joining tool 24 are pivoted from the normal 68 to a surface of the components to be joined, or are turned on (see 6 ). Here, it is preferred to position the housing 12 relative to the normal in the joining direction and/or transversely to the joining direction by an angle of 0°-20°. The quality of the weld seam is improved by a suitable angle of attack in the joining direction. By using a suitable angle of attack transverse to the joining direction, components of different thicknesses can be joined.

Unabhängig vom der Art des erfindungsgemäßen Gelenks kann der Anstellwinkel durch Verschwenken des Gelenks bzw. der Spindel um eine oder beide Drehachsen 58, 66 im Betrieb eingestellt und bei Bedarf auch verändert werden.Regardless of the type of joint according to the invention, the angle of attack can be adjusted during operation by pivoting the joint or the spindle about one or both axes of rotation 58, 66 and can also be changed if necessary.

Wie in 1a dargestellt ist in der „neutralen“ Stellung der Vorrichtung 10 die Drehachse 16 der Spindel 14 orthogonal zu den Drehachsen 58, 66 des Kardangelenks 38 ausgerichtet.As in 1a shown is in the “neutral” position of the device 10, the axis of rotation 16 of the spindle 14 is aligned orthogonally to the axes of rotation 58, 66 of the cardan joint 38.

Die in 1b dargestellten Linearaktuatoren 40, 42 sind in der neutralen Stellung der Vorrichtung 10 jeweils parallel zu den Drehachsen 58, 66 des Kardangelenks 38 oberhalb des Kardangelenks 38 an dem Gehäuse 12 angelenkt. Folglich sind die Linearaktuatoren 40,42 bei diesem Ausführungsbeispiel um einen Winkel von 90° zueinander versetzt an dem Gehäuse 12 angeordnet.In the 1b Linear actuators 40, 42 shown are in the neutral position of the device 10 each articulated parallel to the axes of rotation 58, 66 of the cardan joint 38 above the cardan joint 38 on the housing 12. Consequently, in this exemplary embodiment, the linear actuators 40, 42 are arranged on the housing 12 offset from one another by an angle of 90°.

Durch Betätigen eines der Linearaktuatoren 40, 42 wird das Gehäuse 12, um eine zu dem Linearaktuator 40, 42 90° versetzte Drehachse 58, 66 des Kardangelenks 38 verschwenkt und somit das Fügewerkzeug 24 angestellt. Durch Betätigen beider Linearaktuatoren 40, 42 kann das Gehäuse 12 um die zwei Drehachsen 58, 66 des Kardangelenks 38 verschwenkt werden und das Fügewerkzeug 24 wird in zwei Richtungen angestellt.By actuating one of the linear actuators 40, 42, the housing 12 is pivoted about an axis of rotation 58, 66 of the cardan joint 38 which is 90° offset from the linear actuator 40, 42 and the joining tool 24 is thus turned on. By actuating both linear actuators 40, 42, the housing 12 can be pivoted about the two axes of rotation 58, 66 of the cardan joint 38 and the joining tool 24 is turned in two directions.

Damit der erste und der zweite Linearaktuator 40,42 der Schwenkbewegung des Gehäuses 12 um die Drehachsen 58, 66 des Kardangelenks folgen können, sind diese an einem nicht dargestellten Vorrichtungsgehäuse 134 bzw. an einer die Vorrichtung 10 umfassenden Maschine 118 zum Rührreibschweißen der Schwenkeinrichtung 34 mittels gelenkiger Lagerung 72 angeordnet (siehe 6). Das Vorrichtungsgehäuse 134 kann üblicherweise über Linearaktuatoren oder Antriebe relativ zum Bauteil in einer X-Y-Ebene sowie optional in der Z-Achse bewegt werden.So that the first and second linear actuators 40, 42 can follow the pivoting movement of the housing 12 about the axes of rotation 58, 66 of the cardan joint, they are on a not shown front direction housing 134 or on a machine 118 comprising the device 10 for friction stir welding of the pivoting device 34 by means of articulated bearing 72 (see 6 ). The device housing 134 can usually be moved relative to the component in an XY plane and optionally in the Z axis via linear actuators or drives.

Der erste und der zweite Linearaktuator 40, 42 greifen, wie in 1a dargestellt, an Punkten 78, 80 (Kraftangriffspunkte) an dem Gehäuse 12 an, die einen ausreichend großen Abstand zu den Drehachsen 58, 66 des Kardangelenks 38 aufweisen. Der Abstand ist in der Regel größer als der Abstand zwischen dem Kraftangriffspunkt 74 des Fügewerkzeugs 24 an den zu fügenden Bauteile und den Drehhachsen des Kardangelenks 38.The first and second linear actuators 40, 42 engage, as in 1a shown, at points 78, 80 (force application points) on the housing 12, which have a sufficiently large distance from the axes of rotation 58, 66 of the cardan joint 38. The distance is generally greater than the distance between the force application point 74 of the joining tool 24 on the components to be joined and the rotation axes of the cardan joint 38.

Ein Abstands- oder Hebelverhältnis zwischen einem Schnittpunkt 76 der Drehachsen 58, 66 des Kardangelenks 38 zu einem Kraftangriffspunkt 74 an der Werkzeugspitze 28 und dem Schnittpunkt 76 zu den Kraftangriffspunkten 78, 80 des ersten und zweiten Linearaktuators 40, 42 am Gehäuse kann 1:2, insbesondere 1:4 betragen.A distance or leverage ratio between an intersection point 76 of the rotation axes 58, 66 of the cardan joint 38 to a force application point 74 on the tool tip 28 and the intersection point 76 to the force application points 78, 80 of the first and second linear actuators 40, 42 on the housing can be 1:2, in particular 1:4.

Dieses Abstandsverhältnis ermöglicht bei dem Antreiben der beiden Linearaktuatoren 40, 42 ein Anstellen des Fügewerkzeugs 24 relativ zu dem Normalenvektor 68 der zu fügenden Bauteile 30 bei gleichzeitig geringer Bewegung der Werkzeugspitze 28 (siehe 6). Ferner lassen sich aufgrund des langen Hebelarms zwischen den Drehachsen 58, 66 des Kardangelenks 38 und dem ersten und zweiten Linearaktuator 40, 42 ein großes Drehmoment auf das Gehäuse 12 übertragen. Durch den kleineren Hebel zwischen Werkzeugspitze 28 und dem Kardangelenk 38 wirken verhältnismäßig kleine Drehmomente auf das Kardangelenk 38.When driving the two linear actuators 40, 42, this distance ratio enables the joining tool 24 to be adjusted relative to the normal vector 68 of the components 30 to be joined while at the same time slight movement of the tool tip 28 (see 6 ). Furthermore, due to the long lever arm between the axes of rotation 58, 66 of the cardan joint 38 and the first and second linear actuators 40, 42, a large torque can be transmitted to the housing 12. Due to the smaller lever between the tool tip 28 and the universal joint 38, relatively small torques act on the universal joint 38.

In 2a-c ist eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung 10 zum Rührreibschweißen dargestellt. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform der Vorrichtung 10 aus 1 dahingehend, dass das Gelenk 36 ein Kugelgelenk 82 ist.In 2a-c a second embodiment of the device 10 for friction stir welding is shown. The second embodiment differs from the first embodiment of the device 10 1 in that the joint 36 is a ball joint 82.

In 2a ist das Kugelgelenk 82 in einer seitlichen Schnittdarstellung und in 2c in einer zur Drehachse 16 der Spindel 14 orthogonalen Schnittebene B-B dargestellt. Das Kugelgelenk 82 umfasst ein abschnittsweise kugelförmiges Element, beispielsweise ein Kugelsegment 84, das in der teilweise dargestellten Vorrichtungsaufnahme 56 der Vorrichtung 10 gelagert ist. Die Lagerstelle kann auch separat ausgeführt und in der Vorrichtungsaufnahme 56 angeordnet sein. Das Kugelsegment 84 weist ein Durchgangsloch 86 auf, in dem das Gehäuse 12 der Spindel 14 angeordnet, insbesondere eingepresst ist. Das Kugelsegment 84 und das Gehäuse 12 können aber auch aus einem Bauteil gefertigt sein. Alternativ könne Bauteile auch durch Verschrauben, Verschweißen, Verkleben, Löten oder Zusammenfügen mittels Formschluss miteinander verbunden sein.In 2a is the ball joint 82 in a side sectional view and in 2c shown in a sectional plane BB orthogonal to the axis of rotation 16 of the spindle 14. The ball joint 82 comprises a partially spherical element, for example a ball segment 84, which is mounted in the partially shown device receptacle 56 of the device 10. The bearing point can also be designed separately and arranged in the device holder 56. The ball segment 84 has a through hole 86 in which the housing 12 of the spindle 14 is arranged, in particular pressed. The ball segment 84 and the housing 12 can also be made from one component. Alternatively, components can also be connected to one another by screwing, welding, gluing, soldering or joining together using a form fit.

Die in 2b dargestellten an dem Gehäuse 12 angelenkten ersten und zweiten Linearaktuatoren 40, 42 definieren die Stellung der zwei Drehachsen 88, 90 des Kugelgelenks zum Anstellen des Fügewerkzeugs 24. Ferner verhindern der erste und zweite Linearaktuator 40, 42, dass das Gehäuse 12 mitrotiert, wenn die Spindel 14 angetrieben wird. Um die auf den ersten und zweiten Linearaktuatoren 40, 42 wirkenden Radialkräfte aus der Rotation der Spindel 14 zu verringern kann im Bereich des Kugelsegments 84 oder des Gehäuses 12 eine Drehmomentstütze vorgesehen sein (nicht dargestellt in 2) .In the 2 B shown first and second linear actuators 40, 42 articulated on the housing 12 define the position of the two axes of rotation 88, 90 of the ball joint for adjusting the joining tool 24. Furthermore, the first and second linear actuators 40, 42 prevent the housing 12 from rotating when the spindle 14 is driven. In order to reduce the radial forces acting on the first and second linear actuators 40, 42 from the rotation of the spindle 14, a torque arm can be provided in the area of the ball segment 84 or the housing 12 (not shown in 2 ).

In 3a-c ist eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung 10 dargestellt. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten und zweiten Ausführungsform der Vorrichtung 10 aus 1a-c und 2a-c dahingehend, dass das Gelenk 36 ein Festkörpergelenk 92 umfasst, welches vorliegend als ein Membrangelenk 94 ausgebildet ist. Ferner weist die Vorrichtung 10 eine Kraftmesseinrichtung 95, eine Auswerteeinrichtung 97 und Steuerungseinrichtung 99 auf. Diese Einrichtungen sind nur in der 3a schematisch dargestellt; sie können bei den in den anderen Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen ebenfalls vorhanden sein.In 3a-c a third embodiment of the device 10 is shown. The third embodiment differs from the first and second embodiments of the device 10 1a-c and 2a-c in that the joint 36 comprises a solid-state joint 92, which in the present case is designed as a membrane joint 94. Furthermore, the device 10 has a force measuring device 95, an evaluation device 97 and control device 99. These facilities are only in the 3a shown schematically; they can also be present in the exemplary embodiments shown in the other figures.

Die Membran 96 ist in der dritten Ausführungsform der Vorrichtung 10 ein separates elastisches rechteckiges und flächiges Element. Die Membran 96 ist vorliegend in der Vorrichtungsaufnahme 56 angeordnet. Dabei verläuft ein Normalenvektor der Membran 96 in der neutralen Stellung der Vorrichtung 10 parallel zur Drehachse 16 der Spindel 14. Die Membran 96 kann in einer Hülse des Gelenks 36 angeordnet sein. Die Membran 96 und die Hülse des Gelenks 36 bzw. die Vorrichtungsaufnahme 56 können auch als ein Bauteil ausgeführt sein. Ferner kann eine Dicke der Membran 96 lokal verringert sein und/ oder Aussparungen aufweisen, um die zur Verformung der Membran 96 erforderlichen Stellkräfte zu verringern.In the third embodiment of the device 10, the membrane 96 is a separate elastic rectangular and flat element. The membrane 96 is presently arranged in the device receptacle 56. A normal vector of the membrane 96 runs parallel to the axis of rotation 16 of the spindle 14 in the neutral position of the device 10. The membrane 96 can be arranged in a sleeve of the joint 36. The membrane 96 and the sleeve of the joint 36 or the device holder 56 can also be designed as a single component. Furthermore, a thickness of the membrane 96 can be locally reduced and/or have recesses in order to reduce the actuating forces required to deform the membrane 96.

Der in 3a und in 3b dargestellten an dem Gehäuse 12 angelenkte erste und zweite Linearaktuator 40, 42 definieren die zwei Drehachsen 100, 102 des Membrangelenks 94 zum Anstellen des Fügewerkzeugs 24.The in 3a and in 3b shown first and second linear actuators 40, 42 articulated on the housing 12 define the two axes of rotation 100, 102 of the membrane joint 94 for adjusting the joining tool 24.

Die Kraftmesseinrichtung 95 ist in dem Lastpfad des ersten und zweiten Linearaktuators 40, 42 angeordnet und können als Kraftmessdose ausgebildet sein. Auf der Membran 96 können Dehnungsstreifen aufgebracht sein. Die mittels der Kraftmesseinrichtung 95 erfassten Prozesskräfte und Dehnungswege werden über die Auswerteeinrichtung 97 ausgewertet. Mittels der Steuerungseinrichtung 99 kann bei Bedarf den Anstellwinkel des Fügewerkzeugs 24 an zu fügenden Bauteilen 30 korrigiert werden.The force measuring device 95 is arranged in the load path of the first and second linear actuators 40, 42 and can be designed as a load cell. Expansion can occur on the membrane 96 stripes must be applied. The process forces and expansion paths recorded by means of the force measuring device 95 are evaluated via the evaluation device 97. If necessary, the angle of attack of the joining tool 24 on the components 30 to be joined can be corrected using the control device 99.

In 4 ist eine alternative vierte Ausführungsform einer Vorrichtung 10 dargestellt, die viele Gemeinsamkeiten zu der ersten Ausführungsform aufweist. Die vierte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform durch ein Verspannungselement 104. Dieses ist in der vierten Ausführungsform ein weiterer Linearaktuator 106. Der weitere Linearaktuator 106 ist auf der Winkelhalbierenden 105 des ersten und zweiten Linearaktuators 40, 42 auf einer gegenüberliegenden Seite 108 am Gehäuse 12 angelenkt. Mittels des weiteren Linearaktuators 106 wird die Steifigkeit der Vorrichtung 10 erhöht. Ferner kann bei einem Kugelgelenk 82 der weitere Linearaktuator 106 in dargestellter Weise als Drehmomentstütze wirken.In 4 An alternative fourth embodiment of a device 10 is shown, which has many similarities to the first embodiment. The fourth embodiment differs from the first embodiment in that it has a bracing element 104. In the fourth embodiment, this is a further linear actuator 106. The further linear actuator 106 is on the bisector 105 of the first and second linear actuators 40, 42 on an opposite side 108 on the housing 12 articulated. By means of the additional linear actuator 106, the rigidity of the device 10 is increased. Furthermore, in the case of a ball joint 82, the further linear actuator 106 can act as a torque support in the manner shown.

Durch eine aufeinander abgestimmte Ansteuerung der Linearaktuatoren 40 der Vorrichtung 10, 42 und 106 kann während des Betriebs der Anstellwinkel der Spindel 16 verändert werden, ohne die von dem weiteren Linearaktuator 106 auf das Gelenk 36 ausgeübte Gegenkraft nennenswert zu verändern.By coordinated control of the linear actuators 40 of the device 10, 42 and 106, the angle of attack of the spindle 16 can be changed during operation without significantly changing the counterforce exerted on the joint 36 by the further linear actuator 106.

Der weitere Linearaktuator 106 ist in gleicher Weise wie der erste und der zweite Linearaktuator 40, 42 mittels gelenkiger Lagerung 72 an einem in 4 nicht dargestellten Vorrichtungsgehäuse 134 oder einer Maschine 118 zum Rührreibschweißen angeordnet (siehe 6). Prinzipiell können auch mehrere Verspannungselemente eingesetzt werden, um die Steifigkeit weiter zu erhöhen. Z.B. kann jeweils ein Linearaktuator 106 gegenüber den Linearaktuatoren 40, 42 angeordnet sein.The further linear actuator 106 is in the same way as the first and second linear actuators 40, 42 by means of an articulated bearing 72 on an in 4 device housing 134, not shown, or a machine 118 for friction stir welding (see 6 ). In principle, several bracing elements can also be used to further increase rigidity. For example, one linear actuator 106 can be arranged opposite the linear actuators 40, 42.

In 5a ist eine fünfte Ausführungsform der Vorrichtung 10 dargestellt. Die Schwenkeinrichtung 34 der fünfte Ausführungsform der Vorrichtung 10 umfasst ein Kardangelenk 38. Das innere Element 46 des Kardangelenks 38 ist (siehe Schnittansicht 5b) separat zu dem Gehäuse 12 ausgeführt. In das innere Element 46 ist ein Durchgangsloch 110 eingebracht. In dem Durchgangsloch 110 ist eine zur Drehachse 16 der Spindel 14 rotationssymmetrische Wandung 112 eingebracht, die vorliegend als Lagerbuchse ausgeführt ist. Zwischen der rotationssymmetrischen Wandung 112 und dem Gehäuse 12 sind Kugeln 114 angeordnet. Somit ist das Gehäuse 12 in axialer Richtung mittels einer Art axial Kugellagers geführt gelagert. Das Kardangelenk 38 der fünften Ausführungsform ist mit drei Freiheitsgraden - zwei rotatorischen und einem translatorischen - ausgebildet. Eine axiale Lagerung des Gehäuses 12 im Gelenk 36 ist für jede der Ausführungsformen der Vorrichtung 10 umsetzbar. Für den translatorischen Freiheitsgrad können auch Gleitlager, Wälzkörperumlaufführungen oder Festkörpergelenke zum Einsatz kommen.In 5a a fifth embodiment of the device 10 is shown. The pivoting device 34 of the fifth embodiment of the device 10 comprises a cardan joint 38. The inner element 46 of the cardan joint 38 is designed separately from the housing 12 (see sectional view 5b). A through hole 110 is made in the inner element 46. A wall 112 which is rotationally symmetrical to the axis of rotation 16 of the spindle 14 and is designed in the present case as a bearing bush is introduced into the through hole 110. Balls 114 are arranged between the rotationally symmetrical wall 112 and the housing 12. The housing 12 is thus supported in the axial direction by means of a type of axial ball bearing. The cardan joint 38 of the fifth embodiment is designed with three degrees of freedom - two rotational and one translational. An axial mounting of the housing 12 in the joint 36 can be implemented for each of the embodiments of the device 10. Plain bearings, rolling element recirculating guides or solid-state joints can also be used for the translational degree of freedom.

Am oberen Gehäuseende 32 ist in Verlängerung der Drehachse 16 der Spindel 14 ein weiterer Linearaktuator 116 am Gehäuse 12 angelenkt. Der weitere Linearaktuator 116 führt eine Zustellbewegung des Gehäuses 12 und damit des Fügewerkzeugs 24 entlang der Drehachse 16 der Spindel 14 auf die zu fügenden Bauteile 30 und von diesen weg aus. Damit der weitere Linearaktuator 116 der Schwenkbewegung des Gehäuses 12 um die Drehachsen 58, 66 des Kardangelenks 38 folgen kann, ist dieser an einem nicht dargestellten Vorrichtungsgehäuse 134 bzw. an einer die Vorrichtung 10 umfassenden Maschine 118 zum Rührreibschweißen mittels gelenkiger Lagerung 72 angeordnet (siehe 6).At the upper end of the housing 32, a further linear actuator 116 is articulated on the housing 12 in an extension of the axis of rotation 16 of the spindle 14. The further linear actuator 116 carries out a feed movement of the housing 12 and thus of the joining tool 24 along the axis of rotation 16 of the spindle 14 onto the components 30 to be joined and away from them. So that the further linear actuator 116 can follow the pivoting movement of the housing 12 about the axes of rotation 58, 66 of the cardan joint 38, it is arranged on a device housing 134, not shown, or on a machine 118 comprising the device 10 for friction stir welding by means of an articulated bearing 72 (see 6 ).

Der erste und der zweite Linearaktuator 40, 42 sind in der fünften Ausführungsform zur Drehachse 16 der Spindel 14 geneigt an dem Gehäuse 12 angelenkt. In der neutralen Stellung der Vorrichtung 10 schließen der erste und der zweite Linearaktuator 40, 42 jeweils mit der Drehachse 16 der Spindel 14 einen Winkel α von 60° ein. Insbesondere kann der Winkel α im Bereich 30°-60° liegen.In the fifth embodiment, the first and second linear actuators 40, 42 are hinged to the housing 12 at an angle to the axis of rotation 16 of the spindle 14. In the neutral position of the device 10, the first and second linear actuators 40, 42 each form an angle α of 60° with the axis of rotation 16 of the spindle 14. In particular, the angle α can be in the range 30°-60°.

In 6 ist eine Maschine 118 zum Rührreibschweißen dargestellt. Die Maschine 118 weist die erfinderische Vorrichtung 10 auf.In 6 a machine 118 for friction stir welding is shown. The machine 118 has the inventive device 10.

Die Vorrichtungsaufnahme 56 bildet die Schnittstelle/die Verbindung zwischen der Maschine 118 und der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, unabhängig davon, welche der drei erfindungsgemäßen Bauarten des Gelenks 36 in der Vorrichtung 10 realisiert wurde.The device receptacle 56 forms the interface/connection between the machine 118 and the device 10 according to the invention, regardless of which of the three types of joint 36 according to the invention was implemented in the device 10.

In 6 ist ein kartesisches Koordinatensystem 120 eingezeichnet. Dessen x- und y-Achse spannen eine Bearbeitungsebene 122 auf. Die z-Achse ist senkrecht zur Bearbeitungsebene 122 orientiert. In der Bearbeitungsebene 122 ist ein Bearbeitungstisch 124 angeordnet, der in 6 nicht gezeigte Spannelemente zur Fixierung von zu fügenden Bauteilen 30 aufweisen kann. Auf dem Bearbeitungstisch 124 sind zwei zum Fügen aneinander angeordnete Bauteile 30 positioniert.In 6 a Cartesian coordinate system 120 is shown. Its x and y axes span a processing plane 122. The z-axis is oriented perpendicular to the processing plane 122. A processing table 124 is arranged in the processing plane 122, which is in 6 Clamping elements, not shown, for fixing components 30 to be joined. Two components 30 arranged to be joined together are positioned on the processing table 124.

Die Maschine 118 ist in einer in 6 schematisch dargestellten Gantry-Bauweise ausgeführt. Die Maschine 118 kann auch in der sogenannten Portalbauweise ausgeführt sein. Oberhalb der Bearbeitungsebene 122 weist die Maschine 118 eine (Verfahr-)Ebene 126 auf. Auf der (Verfahr-)ebene 126 sind zwei stationäre sich in x-Achsen Richtung erstreckende Traversen 128 parallel zueinander angeordnet. Auf den stationären Traversen 128 sind zwei in y-Achsen Richtung erstreckte bewegliche Traversen 130 parallel zueinander angeordnet. Die beweglichen Traversen 130 sind in x-Achsen Richtung beweglich auf den stationären Traversen 128 gelagert und mittels jeweiliger x-Achsen Antriebe 132 miteinander verfahrbar. Alle Traversen 128, 130 sind vorliegend als rechteckige Hohlprofilbauteile ausgeführt um Biege- und Torsionsbeanspruchungen aufnehmen zu können.The machine 118 is in an in 6 gantry construction shown schematically. The machine 118 can also be designed in the so-called portal design. Above the processing plane 122, the machine 118 has a (traversing) plane 126. On the (procedure) level 126, two stationary traverses 128 extending in the x-axis direction are arranged parallel to one another. On the stationary traverses 128, two movable traverses 130 extending in the y-axis direction are arranged parallel to one another. The movable traverses 130 are movably mounted on the stationary traverses 128 in the x-axis direction and can be moved together by means of respective x-axis drives 132. All traverses 128, 130 are designed here as rectangular hollow profile components in order to be able to absorb bending and torsional stresses.

An den in x-Achsen Richtung beweglichen Traversen 130 ist eine Vorrichtungsaufnahme 56 angeordnet, welche die erfinderische Vorrichtung 10 aufnimmt. Das Fügewerkzeug 24 weist nach unten in Richtung der Bearbeitungsebene 124. Der nach oben über die Vorrichtungsaufnahme 56 herausragende Vorrichtungsabschnitt ist von einem Vorrichtungsgehäuse 134 umgeben an dem die gelenkigen Lagerung 72 des erste und zweiten Linearaktuators 40, 42 angreifen.A device receptacle 56, which accommodates the inventive device 10, is arranged on the traverses 130, which are movable in the x-axis direction. The joining tool 24 points downwards in the direction of the processing plane 124. The device section protruding above the device receptacle 56 is surrounded by a device housing 134 on which the articulated bearings 72 of the first and second linear actuators 40, 42 engage.

Die Vorrichtungsaufnahme 56 ist mittels Linearführungen 136 an den beweglichen Traversen 130 in Richtung der z -Achsen beweglich gelagert.The device holder 56 is mounted movably in the direction of the z axes by means of linear guides 136 on the movable traverses 130.

Die Vorrichtungsaufnahme 56 ist über zwei y-Achsen Antrieben 138 an den beweglichen Traversen 130 in y-Richtung verfahrbar und mittels zwei weiteren z-Achsen Antrieben 140 in z-Richtung verfahrbar.The device holder 56 can be moved in the y-direction via two y-axis drives 138 on the movable traverses 130 and can be moved in the z-direction by means of two further z-axis drives 140.

Mittels der Z-Achsen Antriebe 140 kann die Vorrichtung 10 in Richtung der zu fügenden Bauteile 30 zugestellt werden. Die Fügerichtung verläuft bei der hier dargestellten geraden Bauteilen 30 in Richtung der y-Achse.By means of the Z-axis drives 140, the device 10 can be advanced in the direction of the components 30 to be joined. The joining direction of the straight components 30 shown here runs in the direction of the y-axis.

Wenn die Fügezone zwischen den Bauteilen 30 gekrümmt ist, dann ändert sich die Fügerichtung während der Bearbeitung. Das ist durch eine geeignete Ansteuerung der Antriebe 132, 138 ohne weiteres möglich.If the joining zone between the components 30 is curved, then the joining direction changes during processing. This is easily possible by appropriately controlling the drives 132, 138.

Das Anstellen/Verschwenken der Spindel 14 in Fügerichtung wird bei gekrümmten Fügezonen durch eine aufeinander abgestimmte Ansteuerung der Linearaktuatoren 40, 42 erreicht. Entsprechendes gilt für eine Schrägstellung der Spindel 14 quer zur Fügerichtung, wenn unterschiedliche Dicken der zu fügenden Bauteile 30 auszugleichen sind.The positioning/pivoting of the spindle 14 in the joining direction is achieved in curved joining zones by coordinated control of the linear actuators 40, 42. The same applies to an inclined position of the spindle 14 transversely to the joining direction if different thicknesses of the components 30 to be joined have to be compensated for.

Varianten und Kombinationen der Merkmale der unterschiedlichen Ausführungsformen fallen auch unter den Schutzbereich der erfinderischen Vorrichtung und Maschine zum Rührreibschweißen.Variants and combinations of the features of the different embodiments also fall within the scope of protection of the inventive device and machine for friction stir welding.

Die Linearaktuatoren zum Anstellen/Verschwenken der Spindel haben in bevorzugter Ausgestaltung einen Verfahrweg von mindestens 10 Millimetern (mm), insbesondere mindestens 50 mm, insbesondere mindestens 100 mm.In a preferred embodiment, the linear actuators for adjusting/pivoting the spindle have a travel path of at least 10 millimeters (mm), in particular at least 50 mm, in particular at least 100 mm.

Der Verfahrweg der Linearaktuatoren beträgt maximal 300 mm, insbesondere maximal 200 mm, insbesondere maximal 100 mm.The travel path of the linear actuators is a maximum of 300 mm, in particular a maximum of 200 mm, in particular a maximum of 100 mm.

Die Linearaktuatoren haben im eingefahrenen Zustand eine Länge (Abstand der Anlenkpunkte) von mindestens 100 mm, insbesondere mindestens 200 mm, insbesondere mindestens 300 mm.When retracted, the linear actuators have a length (distance between the articulation points) of at least 100 mm, in particular at least 200 mm, in particular at least 300 mm.

Die Linearaktuatoren sind in der Lage, Kräfte von mindestens 500 Newton (N), insbesondere mindestens 2 kN, insbesondere 5 kN zu ertragen bzw. aufzubringen.The linear actuators are able to withstand or apply forces of at least 500 Newton (N), in particular at least 2 kN, in particular 5 kN.

Das Kardangelenk und die anderen Ausführungsformen erfindungsgemäßer Gelenke ermöglichen (Anstell-)Winkel von mindestens +/- 5°, insbesondere von +/-10° und besonders bevorzugt von +/- 20°.The cardan joint and the other embodiments of joints according to the invention enable (attack) angles of at least +/- 5°, in particular +/-10° and particularly preferably +/- 20°.

Zum Achsabstand der Gelenkachsen: Der Abstand der Achsen untereinander und zur Drehachse des Werkzeugs beträgt maximal 20 mm, insbesondere maximal 5 mm, insbesondere maximal 2 mm, insbesondere maximal 0,5 mm, insbesondere maximal 1mm.Regarding the axis distance of the joint axes: The distance between the axes from one another and from the axis of rotation of the tool is a maximum of 20 mm, in particular a maximum of 5 mm, in particular a maximum of 2 mm, in particular a maximum of 0.5 mm, in particular a maximum of 1 mm.

Zur Anzahl der Linearantriebe und Verspannelememente: es kommen mindestens zwei und maximal drei unabhängige Linearantriebe zum Einsatz. Die Anzahl der Verspannelemente kann von 1, 2 oder 3 betragen. Dabei ist es besonders vorteilhaft wenn jedem Linearantrieb ein ähnlicher aber entgegengesetzt ausgerichtetes Verspannungselement zugeordnet ist.Regarding the number of linear drives and bracing elements: a minimum of two and a maximum of three independent linear drives are used. The number of bracing elements can be 1, 2 or 3. It is particularly advantageous if each linear drive is assigned a similar but oppositely oriented bracing element.

Der Abstand zwischen dem erfindungsgemäßen Gelenk und dem Kraftangriffspunkt an der Spitze des Werkzeugs zum Rührreibschweißen kann mindestens 100 mm betragen.The distance between the joint according to the invention and the force application point at the tip of the tool for friction stir welding can be at least 100 mm.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 3854511 A1 [0004]
US 2004/0079787 A1 [0004]
US 11027363 B2 [0004, 0007, 0009]

Claims

Device (10) for friction stir welding comprising a housing (12) and a rotatably drivable spindle (14) for a joining tool (24), characterized in that the device (10) has a pivoting device (34) that the pivoting device (34). Joint (36) with two degrees of freedom, and that the housing (12) is arranged in the joint (36).

Device (10) after Claim 1 , characterized in that the degrees of freedom each represent a rotation about an axis of rotation (58, 66, 88, 90, 100, 102).

Device (10) after Claim 2 , characterized in that the two axes of rotation (58, 66, 88, 90, 100, 102) run orthogonally, skewed to one another or intersect, and in particular perpendicular to an axis of rotation (16) of the spindle (14).

Device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the joint (36) is a universal joint (38), a solid-state joint (92), a membrane joint (94), or a spherical or ball joint (82).

Device (10) after Claim 4 , characterized in that the housing (12) is mounted in a universal joint (38), the universal joint (38) having an outer rotatably mounted element (44) and an inner element (46) rotatably mounted in the outer element (44). , in which the housing (12) is mounted, the axes of rotation (58, 66) of the outer and inner elements (44, 46) enclosing an angle greater than 30° and preferably 90° in order to pivot the housing (12 ) in the two degrees of freedom.

Device (10) after Claim 4 , characterized in that the housing (12) is mounted in a solid joint (92), in particular a membrane joint (94), wherein the solid joint (92) comprises an elastically deformable element (96).

Device (10) after Claim 6 , characterized in that the elastically deformable element (96) has areas of reduced thickness and / or recesses to facilitate or enable independent pivoting of the housing (12) about the first and second axes of rotation (58, 66).

Device (10) after Claim 4 , characterized in that the housing (12) is mounted in a spherical or ball joint (82), the spherical or ball joint (82) comprising a ball segment (84) which is mounted in a device receptacle (56), to enable independent pivoting of the housing (12) in the two degrees of freedom.

Device (10) after Claim 8 , characterized in that the spherical or ball joint (82) has a torque arm which prevents rotation of the housing (12) about the axis of rotation (16) of the spindle (14).

Device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the pivoting device (34) has a first and a second linear actuator (40, 42).

Device (10) after Claim 10 , characterized in that the first and second linear actuators (40, 42) engage at a point (78, 80) of the housing (12) which is at a greater distance from the joint (36) than a tip (28) of an in the tool (24) inserted into the spindle (16).

Device (10) after Claim 10 11, characterized in that the first and second linear actuators (40, 42) are arranged on the housing (12) at substantially 90° to one another, and in particular lying in one plane.

Device (10) according to one of the Claims 10 until 12 , characterized in that the pivoting device (34) has a tensioning element (104) which exerts a force on the housing (12) that is opposite to the actuating forces of the first and second linear actuators (40, 42).

Device (10) according to the preceding claim, characterized in that the bracing element (104) is a further linear actuator (106) or a spring element, in particular a gas pressure spring, a helical spring and/or a disc spring package.

Device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the housing (12) is mounted in the joint (36) so that it can move axially in the direction of the axis of rotation (16) of the spindle (14).

Device (10) after Claim 15 , characterized in that the housing (12) can be displaced in the joint (36) by means of at least one further linear actuator (116).

Device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that a force measuring device (95), in particular a load cell and/or strain gauges, are arranged in the load paths of the linear actuators (40, 42, 106, 116) and/or on the joint (36) for detecting process forces.

Device according to the preceding claim, characterized in that an evaluation device (97) for evaluating the recorded process forces and a control device (99) are provided for controlling the linear actuators (40, 42, 106, 116) and correcting an angle of attack during operation.

Machine (118) for friction stir welding of flat components or components with a flat surface, having a Cartesian coordinate system (120), wherein an x and y axis span a processing plane (122) and a z axis is oriented perpendicular to the processing plane (122). , wherein a processing table (124) is arranged in the processing plane (122), the machine (118) comprising a device (10) according to one of the preceding claims, which is in a device holder (56) of the machine (118) above the processing table ( 124) is arranged, and the device holder (56) can be moved in the direction of the x and y axes in a (traversing) plane (126) parallel to the processing plane (122), the machine (118), in particular in a gantry - or portal construction is carried out.

Machine (118) according to the preceding claim, characterized in that the device holder (56) can be moved axially in the direction of the z-axis via an actuator (140) separate from the pivoting device (34).