DE19955737A1

DE19955737A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von wenigstens zwei aneinanderliegenden Werkstücken nach der Methode des Reibrührschweißens

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Publication number: DE19955737A1
Application number: DE19955737A
Authority: DE
Inventors: Christoph Schilling; Santos Jorge Dos
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 1999-11-18
Filing date: 1999-11-18
Publication date: 2001-06-13
Anticipated expiration: 2019-11-19
Also published as: US20020179682A1; EP1230062B1; EP1690628A1; DE50012785D1; US6722556B2; WO2001036144A1; DE19955737B4; EP1690628B1; ATE406231T1; DE50015336D1; ATE326309T1; EP1230062A1

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung (10) zum Verbinden von wenigstens zwei aneinanderliegenden Werkstücken (11, 12) nach der Methode des Reibrührschweißens vorgeschlagen, wobei die Werkstücke (11, 12) dabei einen Verbindungsbereich (13) zwischen sich einschließen, umfassend eine routierend angetriebene Achse (14), an deren antriebsabgewandtem Ende (15) ein stiftartiger Vorsprung (16) ausgebildet ist, der bei seiner Rotation in Kontakt mit dem Verbindungsbereich (13) der Werkstücke (11, 12) den Verbindungsbereich (13) wenigstens teilweise plastifiziert. Der stiftartige Vorsprung (16) ist im wesentlichen längs seiner Drehachse (17) durch den sich plastifizierenden Werkstoff (30) wenigstens eines ersten zum stiftartigen Vorsprung (16) gerichteten Werkstücks (11) hindurch bis wenigstens teilweise in ein letztes unteres sich plastifizierendes Werkstück (12) hinein bewegbar. Nachfolgend wird der stiftartige Vorsprung (16) wieder aus den Werkstücken (11, 12) herausbewegt, so daß sich der plastifizierte Werkstoff (30) aller Werkstücke (11, 12) verbindet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei aneinanderliegenden Werkstücken nach der Methode des Reibrührschweißens, wobei die Werkstücke dabei einen Verbindungsbereich zwischen sich einschlie ßen, mittels eines rotierend angetriebenen stiftartigen Vorsprungs, der bei seiner Rotation in Kontakt mit dem Verbindungsbereich der Werkstücke den Verbindungsbereich wenigstens teilweise plastifiziert, und eine Vorrich tung, mit der ein derartiges Verfahren ausgeführt werden kann.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung ähnlicher Art sind bekannt (EP-B-0 615 480). Das Reibrührschweißen, viel fach auch FSW (Friction Stir Welding) genannt, ist vom Grundsatz her seit mehreren Jahren bekannt und ist immer weiterentwickelt worden. Ursprünglich wurde das Reib schweißen derart ausgeführt, daß zwei Werkstücke, die miteinander durch Reibschweißung verbunden werden sollen, gegeneinander im gewünschten Verbindungsbereich bewegt werden und dabei mit einer voreinstellbaren Kraft gegeneinander gedrückt werden. Durch die durch die Reibung entstehende Wärme erfolgt letztlich eine Plasti fizierung des Werkstoffs der Werkstücke in dem Verbin dungsbereich. Ist der Werkstoff ausreichend plastifi ziert, kann zumindest im oberflächennahen Bereich der Verbindung eine ausreichende Durchmischung der Werkstof fe beider Werkstücke erfolgen, so daß bei Abkühlung die gewünschte Schweißverbindung zwischen beiden Werkstücken ausgebildet wird.

Bei dem eingangs genannten Verfahren bzw. der eingangs genannten Vorrichtung wird ein stiftartiger Vorsprung von einem Antrieb bzw. einem Motor in geeignet große Rotation versetzt, an den Stirnbereich zweier zu ver bindender, nahezu stoßartig aneinander gelegter Werk stücke angesetzt und der stiftartige Vorsprung wird geeignet geführt, was beispielsweise mit einer spezi ellen Führungsvorrichtung oder auch mit einem Roboter geschehen kann, und zusätzlich beispielsweise in eine Translationsbewegung längs der Stoßkanten beider zu verbindender Werkstücke versetzt. Ist nach Beginn des Schweißvorganges durch die infolge der Rotation des stiftartigen Vorsprungs mit dem Werkstoff der Werkstücke der angrenzende Werkstoffbereich erzeugte Reibungswärme mit dem Werkstoff der Werkstoff ausreichend plastifi ziert, wird unter Aufrechterhaltung der Rotationsbewe gung des stiftartigen Vorsprungs die Translationsbewe gung längs der Stoßkante zwischen den beiden Werkstücken ausgeführt, so daß beispielsweise eine Längsnaht ausge bildet wird.

Es ist bekannt, daß zum Verbinden zweier oder mehrerer metallischer Werkstücke sogenannte Punktschweißverbin dungen hergestellt werden können, die vielfach gegenüber Niet- oder auch Schraubverbindungen den Vorteil haben, daß zur Ausbildung der Punktschweißverbindung keine zusätzlichen Verbindungselemente (Niete, Schrauben und dergleichen) verwendet werden müssen, und daß zudem die Punktschweißverbindung den Vorteil hat, daß die Ausbil dung einer Punktschweißverbindung schneller vonstatten gehen kann, da keine die Niete bzw. die Schrauben aufnehmenden, die Werkstücke durchquerenden Bohrungen ausgebildet werden müssen, durch die die Niete bzw. die Schrauben hindurchgesteckt und dann durch die Ausbildung eines Nietkopfes bzw. das Verschrauben mit einer Mutter gegeneinander gedrückt bzw. miteinander verbunden werden müssen.

Während die Ausbildung einer Punktschweißverbindung zweier aneinanderliegender zu verbindender Werkstücke aus Eisen bzw. Stahl einschließlich seiner Legierungen mehr oder weniger unproblematisch mit handelsüblichen, eingeführten Punktschweißvorrichtungen durchzuführen möglich ist, ist die Ausbildung einer Punktschweißver bindung bei zwei oder mehreren aneinanderliegenden, zu verbindenden Werkstücken aus Aluminium bzw. Aluminium legierungen, wie sie beispielsweise im Flugzeugbau aber auch im Kraftfahrzeugbau Verwendung finden, bisher nach wie vor problematisch. Das hat seinen Grund darin, daß Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft im Oberflächenbereich eine äußerst hinderliche Oxidschicht bildet, die einerseits einen beträchtlichen elektrischen Widerstand zwischen den zu verbindenden Werkstücken bildet und zudem in dem bei der Ausführung der Punktschweißverbindungen entstehenden plastifizierten Bereich der Werkstücke enthalten ist, so daß Störungen aus Aluminiumoxiden in den plastifizierten Bereich der zu verbindenden Werkstücke eingelagert sind. Das führt dazu, daß die an sich im Idealfall gute Punktschweißverbindungen herkömmlicher Art insbesondere bei zu verbindenden Werkstücken aus Aluminium nicht die Festigkeit zeigen, die in vielen Verbindungsfällen unbedingt erforderlich sind.

Aus diesem Grunde ist insbesondere im Flugzeugbau, wo es bekanntermaßen auf allerhöchste Verbindungsgüten bei der Verbindung von Werkstücken ankommt, trotz vielfältiger Versuche und trotz des tatsächlich auch erfolgten Einsatzes von Punktschweißverbindungen herkömmlicher Art zur Ausbildung der erwähnten Nietverbindungen zwischen zu verbindenden Werkstücken zurückgegangen worden. Gleiches gilt sinngemäß auch für die Kraftfahrzeugindu strie, in der in zunehmendem Maße auch Aluminiumkon struktionen im Chassis- und Karosseriebereich eingesetzt werden.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen eine hochfeste und hochbelastbare Verbindung zwischen zu verbindenden metallischen und auch nichtmetallischen Werkstücken auf einfache Weise möglich ist, ohne daß zusätzliche Verbindungselemente zur Ausbildung der Verbindung benötigt werden, die mit hoher Präzision und reproduzierbar auf einfache Weise an die Menge der Werkstücke zur Ausbildung einer diese gemeinsam verbin denden Verbindung angepaßt werden können, die geeignet sind, werkstoffoxidfreie Verbindungen auszubilden und quasi eine ebene Oberfläche auf beiden Seiten des Verbindungsortes nach Ausführung des Verbindungsvor ganges gewährleisten können, wobei das Verfahren und die Vorrichtung einfach ausgeführt bzw. einfach realisiert werden können soll, und wobei das Verfahren und die Vor richtung auch zur Anwendung mit bzw. in Fertigungsrobo tern geeignet sein sollen.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch, daß der stiftartige Vorsprung zur Ausführung einer Punktschweißverbindung durch den sich plastifizierenden Werkstoff wenigstens des ersten vom stiftartigen Vorsprung erfaßten oberen Werkstücks hindurch bis wenigstens teilweise in ein letztes unteres sich plastifizierendes Werkstück hinein und nachfolgend wieder aus den Werkstücken herausbewegt wird, so daß sich der plastifizierte Werkstoff aller Werkstücke verbindet.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht im wesentlichen darin, daß, anders als bei den bisherigen unterschiedlichen Verfahren zur Verbindung zweier oder mehrerer Werkstücke, keine Vorbereitung des Verbin dungsortes erforderlich ist. Es müssen keine Löcher in den Werkstücken gebohrt werden, es sind keine zusätz lichen Verbindungsmittel erforderlich, es ist kein gesonderter Arbeitsvorgang, wie beispielsweise die Ausbildung eines Nietkopfes oder das Verschrauben einer Schraubverbindung mit einer Mutter und dergleichen, erforderlich und es ist auch bei der Verwendung von Werkstücken aus Aluminium und Aluminiumlegierungen, die erfindungsgemäß verbunden werden sollen, nur in sehr untergeordneter Form mit der Einbindung von geringen Oxidmengen zu rechnen, da der gesamte Verbindungsbereich aller zu verbindender Werkstücke plastifiziert und durchmischt wird, d. h. oberflächennahe Einbindungen von Oxidmengen, wie beim klassischen Punktschweißen, nicht auftreten können. Da sich der gesamte plastifizierte Werkstoff nach Ausführung des erfindungsgemäßen Verbin dungsvorganges wiederum in den im Zuge der Ausführung des Verfahrens in den Werkstücken gebildet habenden Loches im Verbindungsbereich in das Loch zurückfließt, ist die Oberfläche auf der aktiven Seite, d. h. der Seite, die durch den stiftartigen Vorsprung beaufschlagt wird, völlig eben, wohingegen die Gegenseite, die durch das verfahrensmäßig letzte zu verbindende Werkstück gebildet wird, per se eben ist, da bei der Ausführung des Verfahrens diese nicht durchquert wird.

Um zu verhindern, daß bei der Ausführung des Verfahrens der durch das Eindringen des rotierenden stiftartigen Vorsprungs in das erste Werkstück hinein und durch die Werkstücke hindurch bzw. in das untere Werkstück hinein verdrängte Werkstoff unkontrolliert in die Umgebung abfließt und somit für die Ausführung der Verbindung nicht mehr zur Verfügung steht, wird der verdrängte Werkstoff vorzugsweise in der unmittelbaren Umgebung des rotierenden stiftartigen Vorsprungs gehalten.

Dabei wird vorteilhafterweise der verdrängte Werkstoff nach Abschluß der Plastifizierung der Werkstücke in wenigstens annähernd gleichem Maße, wie der stiftartige Vorsprung aus den Werkstücken herausbewegt wird, in die sich während der Plastifizierung ausgebildet habenden Löcher in den Werkstücken zurückgeführt, so daß sicher gestellt ist, daß der gesamte plastifizierte Werkstoff die Schweißverbindung bildet und die Oberfläche des Werkstücks, von der aus der stiftartige Vorsprung in die Werkstücke eindringt, nach Abschluß der Ausbildung einer Verbindung wiederum vollständig plan ist.

Die Vorrichtung zum Verbinden von wenigstens zwei aneinanderliegenden Werkstücken nach der Methode des Reibrührverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß der stiftartige Vorsprung im wesentlichen längs seiner Drehachse durch den sich plastifizierenden Werkstoff wenigstens eines ersten vom stiftartigen Vorsprung erfaßten Werkstücks hindurch bis wenigstens teilweise in ein letztes unteres sich plastifizierendes Werkstück hineinbewegbar ist.

Der Vorteil, der durch die erfindungsgemäße Vorrich tungslösung erreicht wird, entspricht im wesentlichen dem Vorteil, der oben im Zusammenhang mit der erfin dungsgemäßen Verfahrenslösung genannt worden ist. Die Drehgeschwindigkeit des stiftartigen Vorsprungs ist dabei in Abhängigkeit der Werkstücke, der Anzahl der Werkstücke und des Werkstoffs der Werkstücke wählbar und einstellbar. Zudem kann die Drehgeschwindigkeit des stiftartigen Vorsprungs auch im Zuge der Ausbildung der Verbindung selbst variiert werden, insbesondere dann, wenn der stiftartige Vorsprung wenigstens teilweise in ein letztes unteres, sich plastifizierendes Werkstück hineinbewegt wird, d. h. um zu verhindern, daß die Plastifizierung derart im unteren Werkstück stattfindet, um ein Durchbrechen der äußeren Oberfläche des unteren Werkstücks bzw. eine Plastifizierung dieser Oberfläche zu vermeiden.

Vorteilhafterweise ist der stiftartige Vorsprung von einem mit diesem zusammen rotierend antreibbaren ersten Hülsenelement umgeben, wobei bei axialer Bewegung des stiftartigen Vorsprungs in die Werkstücke hinein bzw. durch diese hindurch das erste Hülsenelement eine Bewegung in entgegengesetzter axialer Richtung ausführt. Somit wird der durch die Plastifizierung infolge des Eindringens des stiftartigen Vorsprungs in die Werk stücke hinein ausgeübte Bewegungsvorgang gezielt zur axialen Verschiebung der ersten Hülse in axial entge gengesetzter Richtung zur Eindringrichtung des stiftar tigen Vorsprungs in die Werkstücke hinein genutzt, wobei die erste Hülse sich dann, wenn der Plastifizierungsvor gang abgeschlossen ist und der stiftartige Vorsprung aus den Werkstücken herausgeleitet wird, in axial dazu entgegengesetzter Richtung wieder auf die Werkstücke zu bewegt, um den plastifizierten Werkstoff gezielt in den Plastifizierungsbereich der Werkstücke hineinzudrücken.

Vorteilhafterweise ist der Betrag der axialen Bewegung des stiftartigen Vorsprungs und des ersten Hülsenele ments derart gewählt, daß der Betrag im wesentlichen gleich ist. Dadurch kann auf einfache Weise gewährlei stet werden, daß tatsächlich der gesamte plastifizierte Werkstoff nach Abschluß der Ausbildung der Verbindung wiederum in die Werkstücke bzw. in den Plastifizierungs bereich beider Werkstücke zurücküberführt wird.

Um dabei sicherzustellen, daß plastifizierter Werkstoff sowohl im Zuge des Eindringens des stiftartigen Vor sprungs in die Werkstücke hinein als auch im Zuge der Bewegung des stiftartigen Vorsprungs aus den Werkstücken hinaus nicht unkontrolliert in den Umgebungsbereich der Vorrichtung abfließt, ist vorteilhafterweise der stift artige Vorsprung mit einem nicht rotierenden äußeren zweiten Hülsenelement umgeben, mit dem die Werkstücke zu Beginn der Ausführung des Verbindungsvorganges aneinan der gedrückt werden. Dieses äußere zweite Hülsenelement hat somit einerseits die Aufgabe, die zu verbindenden Werkstücke wenigstens im Bereich der auszubildenden Verbindung im Zusammenwirken mit einem Gegenlager aneinander zu drücken, so daß zunächst im Verbindungsbe reich der Werkstücke keine Spalten zwischen den Werk stücken vorhanden sind, und eine äußere Hülle zu bilden, die es dem plastifizierten Werkstoff im Zuge des Ein dringens des stiftartigen Vorsprungs in die Werkstücke und des Herausziehens des stiftartigen Vorsprungs aus den Werkstücken nicht ermöglicht, unkontrolliert zu den Seiten abzufließen.

Dabei wird vorteilhafterweise das erste Hülsenelement, das zusammen mit dem stiftartigen Vorsprung rotiert, in dem äußeren zweiten Hülsenelement geführt.

Grundsätzlich ist es möglich, die axiale Bewegbarkeit des stiftartigen Vorsprungs und die axiale Bewegbarkeit des ersten Hülsenelements in entgegengesetzter Richtung dazu durch äußere Mittel erfolgen zu lassen, beispiels weise durch einen geeignet ausgebildeten Arbeits- und Werkzeugkopf eines Fertigungsroboters. Um aber die Steuerungssequenzen eines Roboters oder einer sonstigen Einrichtung, mit der die erfindungsgemäße Vorrichtung betrieben wird, so weit wie möglich vom Fertigungsrobo ter bzw. von der Einrichtung fernzuhalten und ggf. schnell bei Betriebsstörungen die Vorrichtung gegen eine andere austauschen zu können, ohne eine Programmierung des Fertigungsroboters bzw. der Einrichtung vornehmen zu müssen, wird die Vorrichtung vorteilhafterweise derart ausgestaltet, daß die Steuerung der axialen Bewegbarkeit des stiftartigen Vorsprungs und die damit gekoppelte Steuerung der axialen Bewegbarkeit des ersten Hülsen elements in dazu entgegengesetzter Richtung durch als Wendelnuten in einem Stellringelement ausgebildete Kulissenführungen über darin hineingreifende Stellbolzen steuerbar ausgebildet, d. h. die axiale Bewegbarkeit des stiftartigen Vorsprungs und die damit gekoppelte axiale Bewegbarkeit des ersten Hülsenelements wird vorrich tungsintern realisiert.

Dazu ist vorteilhafterweise ein Gehäuse vorgesehen, in dem das Stellringelement mittels eines vom Gehäuseäuße ren aus betätigbaren Handhebels drehbar aufgenommen wird.

Grundsätzlich kann der stiftartige Vorsprung in unmit telbarer axialer Verlängerung mit dem Ende einer An triebsachse oder selbst auch noch als Antriebsachse ausgebildet sein, die beispielsweise in einen Roboter geeignet eingespannt wird. Da der stiftartige Vorsprung aber einer sehr großen mechanischen und thermischen Belastung bei der Ausführung einer Verbindung gemäß der Erfindung ausgesetzt ist, ist es vorteilhaft, den stiftartigen Vorsprung als gesondertes Teil auszubilden, um diesen im Bedarfsfalle schnell auswechseln zu können. Dazu ist vorteilhafterweise ein in der Vorrichtung rotierend aufgenommenes Stifthalteelement vorgesehen, mit dem der stiftförmige Vorsprung lösbar verbindbar und auch rotierend antreibbar ist.

Da zur Ausführung einer Verbindung gemäß der Erfindung mehrerer Werkstücke der stiftartige Vorsprung eine Bewegung in axialer Richtung auf die Werkstücke zu ausführen muß, müßte die Vorrichtung, wenn sie bei spielsweise in einem Fertigungsroboter oder eine son stige geeignete Einrichtung eingespannt ist, entspre chend der axialen Bewegung verschoben werden, wobei diese Verschiebung beispielsweise der Antriebskopf eines Fertigungsroboters ausführen müßte. Um den Roboter von dieser Bewegungssequenz in beiden axialen Richtungen zu befreien und diese Möglichkeit der Bewegung auf die Vorrichtung selbst zu verlagern, ist es schließlich vorteilhaft, in das Stifthalteelement ein Wellenelement in Rotationsrichtung fest aber axial verschiebbar eingreifen zu lassen.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nach folgenden schematischen Zeichnungen anhand eines Aus führungsbeispieles eingehend beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1a bis Fig. 1e im Schnitt den schematischen Aufbau eines Kopfes der Vorrichtung 10, umfassend einen stiftartigen Vorsprung, ein erstes und ein zweites Hülsenelement, zwei beispielhaft zu verbindende Werkstücke und in unterschiedlichen Schritten zur Ausbildung einer Verbindung zweier Werkstücke den sich durch Plastifizie rung des Werkstoffs der Werkstücke bildenden Verbindungsbereich vom Beginn der Ausbildung der Verbindung an bis zu ihrem Abschluß und

Fig. 2 in Form einer auseinandergezogenen Darstellung eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in bei spielhaft realisierter Form.

Es wird zunächst Bezug genommen auf Fig. 2, in der eine Vorrichtung 10, mit der auch das hier beschriebene Verfahren ausgeführt werden kann, in auseinandergezogener Darstellung dargestellt ist. Kernelemente der Vorrichtung 10 sind der stiftartige Vorsprung 16, das erste Hülsenelement 18, das zweite Hülsenelement 21 sowie die Antriebsachse 14, die hier aus dem Stift halteelement 28 und dem Wellenelement 29 gebildet werden, vergleiche auch die entsprechenden Elemente in Fig. 1a bis Fig. 1e. Der stiftartige Vorsprung 16 und das erste Hülsenelement 18 können einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, sie können aber auch geeignet profiliert sein, so daß sich ein Transportkanal für den plastifizierten Werkstoff 30 ergibt. Der stiftartige Vorsprung 16, der im ersten Hülsenelement 18 aufgenommen wird, und das erste Hülsenelement 18 selbst werden im zweiten Hülsenelement 21, das hier in Form eines Gehäu sebodens der Vorrichtung 10 ausgebildet ist, geführt.

Zur Übertragung axialer Kräfte wird das erste Hülsen element 18 in einen Hülsenhalter 31 eingeschraubt. Der stiftartige Vorsprung 15 wird mit Hilfe einer Stiftmutter 32 am Stifthalteelement 28 befestigt. Der Hülsen halter 31 mit dem ersten Hülsenelement 18 ist genau wie das Stifthalteelement 28 mit dem stiftartigen Vorsprung 16 drehbar gelagert. Der Hülsenhalter 31 und das Stift halteelement 38 sind über Lager 33, 34 in Haltelager trägern 35, 36 gelagert. Mittels Halteringen 37, 38 werden die Lagerpakete zusammengehalten. Die Haltela gerträger 35, 36 gleiten axial im Stellring 23 und gewährleisten so die axiale Bewegung des ersten Hülsen elements 18 und des stiftartigen Vorsprungs 16. Die Haltelagerträger 35, 36 sind gegen ein Verdrehen gesi chert. Dieses wird durch Stellbolzen 24, beispielsweise je drei, bewirkt, die durch das Stellringelement 23 hindurch in im ringförmig ausgebildeten Gehäuse 25 Nuten (hier nicht dargestellt) greifen, die nur eine axiale Bewegung zulassen.

Das Stellringelement 23 ist drehbar im Gehäuse 25 gelagert. Axiale Bewegungen werden durch die Lagerung im als Gehäuseboden fungierenden zweiten Hülsenelement 21 und im als Gehäuseabschluß fungierenden Wellenlager träger 39 unterbunden. Das Stellringelement 23 weist dort, wo die Stellbolzen 24 von den Haltelagerträgern 35, 36 zum Stellringelement 23 durchstoßen, Wendelnuten auf. Es ergibt sich somit eine Steigung der Wendelnuten gegenüber der Drehachse 17. Eine Verdrehung des Stell ringelements 23 bewirkt eine axiale Bewegung des ersten Hülsenelements 18 und des stiftartigen Vorsprungs 16. Die Verdrehung wird über einen Handhebel 27 von außen 26 erreicht, der in das Stellringelement 23 eingeschraubt wird. Der Handhebel 27 wird in einer am Umfang des Stellringelements geführten Nut (nicht dargestellt) geführt.

Das für den Betrieb der Vorrichtung 10 notwendige Drehelement wird über das einen Teil der Achse 14 bildende Wellenelement 29 eingeleitet, beispielsweise angetrieben durch einen hier nicht dargestellten Ferti gungsroboter oder eine sonstige Antriebseinrichtung, und über eine Gleitfeder zum ebenfalls zur Antriebsachse 14 gehörigen Stifthalter 28 übertragen. Der Stifthalter 28 ist wiederum über eine Gleitfeder mit dem Hülsenhalter 21 verbunden. So kann das erforderliche Drehmoment zum stiftartigen Vorsprung 16 und zum ersten Hülsenelement 18 übertragen werden. Das Wellenelement 29 ist im Wellenlagerträger 39 über die Lager 33, 34 gelagert. Eine Deckscheibe 40 sichert das Lagerpaket.

Das Wellenelement 29 besitzt an seiner einen Seite ein für eine Werkzeugaufnahme (Fertigungsroboter, Antriebs einrichtung) passendes Profil. Am Gehäuse 25 ist ein Haltehebel angebracht, über den das Mitdrehen der Vorrichtung 10 bei einer Einleitung eines Drehmoments in das Wellenelement verhindert wird.

Zur Ausführung des Verfahrens mit der vorbeschriebenen Vorrichtung 10, vergleiche auch die Fig. 1a bis 1c, wird die Vorrichtung 10 mit ihrem Wellenelement 19 in eine Werkzeugaufnahme einer Antriebseinheit (Ferti gungsroboter, Antriebseinrichtung) eingeführt und fixiert. Unter der Vorrichtung 10 werden zwei Werkstücke 11, 12, beispielsweise in Form von Werkstücken aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, aufeinander fi xiert. Dabei wird unter der Vorrichtung ein Gegenlager 22 postiert. Über die Antriebseinheit werden die dre henden Teile der Vorrichtung 10, nämlich das erste Hülsenelement 18 sowie der stiftartige Vorsprung 16, auf die für die Ausbildung einer Punktschweißverbindung nötige Drehzahl gebracht. Die Vorrichtung 10 wird dabei mit dem Handhebel festgehalten, wobei diese Halterung natürlich auch durch das Antriebswerkzeug (Fertigungs roboter, Antriebseinrichtung) bewirkt werden kann. Zunächst wird das zweite Hülsenelemente 21, das den Gehäuseboden der Vorrichtung 10 darstellt, mit der Oberseite eines hier in den Fig. 1a bis 1e oben dargestellten Werkstücks 11 durch Zuführung der Vor richtung 10 in Kontakt gebracht. Der Werkstoff des oberen Werkstücks 11 wird unter dem rotierenden stiftar tigen Vorsprung 16 und zunächst auch dem rotierenden ersten Hülsenelement 18 plastifiziert.

Durch Betätigung des Handhebels 27, ggf. auch durch den Fertigungsroboter oder einer sonstigen Antriebseinrich tung, wird das Stellringelement 23 verdreht. Über die erwähnten Wendelnuten, die Stellbolzen 24 und den Haltelagerträger 35 wird das Stifthalteelement 28 mit dem stiftartigen Vorsprung 16 herunterbewegt entspre chend dem Pfeil 19. Der stiftartige Vorsprung 16 dringt in den Werkstoff ein, vergleiche Fig. 1b. Das erste Hülsenelement 18 wird aufgrund des vorbeschriebenen Mechanismusses entsprechend dem Pfeil 20 in entgegenge setzter axialer Richtung bewegt. Dazu sind auf vorbe schriebene Weise ausgebildete Wendelnuten, hier jedoch in entsprechend entgegengesetzter Richtung ausgebildet, vorgesehen. Das erste Hülsenelement 28 schafft aufgrund der entgegengesetzten axialen Bewegung 20 zur axialen Bewegung 19 des stiftartigen Vorsprunges 16 ein Raumvo lumen, in den das durch den in die Werkstücke 11, 12 stiftartigen Vorsprung 16 erzeugte Volumen des plastifi zierten Werkstoffs 40 eindringen kann. Ist die gewünsch te axiale Eindringtiefe erreicht, vergleiche Fig. 1c, wird der Handhebel 27 zurückbewegt. Nun öffnet der sich in seine Ausgangsstellung zurückbewegende stiftartige Vorsprung 16 das Raumvolumen der Löcher in den Werk stücken 11, 12 für den durch das erste Hülsenelement 18 zurückgedrückten Werkstoff. Wenn der Handhebel 27 wieder in seiner Ausgangsstellung ist, kann die Vorrichtung 10 von den Werkstücken 11, 12 abgehoben werden.

Es sei in diesem Zusammenhang noch darauf hingewiesen, daß im vorbeschriebenen Beispiel lediglich zwei Werk stücke 11, 12 vorgesehen sind, die mittels der erfin dungsgemäßen Punktschweißverbindung miteinander verbun den werden sollen. Es ist mit der Vorrichtung 10 bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren ebenfalls möglich, mehr als zwei Werkstücke miteinander zu verbinden. Die Verfahrensführung ändert sich als solche dabei grund sätzlich nicht. Auch die Vorrichtung 10 behält dabei ihren vorbeschriebenen prinzipiellen Aufbau bei.

Bezugszeichenliste

10

Vorrichtung

11

Werkstück

12

Werkstück

13

Verbindungsbereich

14

Achse

15

Ende (Achse)

16

stiftartiger Vorsprung

17

Drehachse

18

erstes Hülsenelement

19

axiale Bewegung (stiftartiger Vorsprung)

20

entgegengesetzte axiale Bewegung (erstes Hülsenelement)

21

zweites Hülsenelement

22

Gegenlager

23

Stellringelement

24

Stellbolzen

25

Gehäuse

26

Gehäuseäußeres

27

Handhebel

28

Stifthalteelement

29

Wellenelement

30

plastifizierter Werkstoff

31

Hülsenhalter

32

Stiftmutter

33

Lager

34

Lager

35

Haltelagerträger

36

Haltelagerträger

37

Haltering

38

Haltering

39

Wellenträger

40

Deckscheibe

Claims

1. Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei aneinan derliegenden Werkstücken nach der Methode des Reibrühr schweißens, wobei die Werkstücke dabei einen Verbin dungsbereich zwischen sich einschließen, mittels eines routierend angetriebenen stiftartigen Vorsprungs, der bei seiner Rotation in Kontakt mit dem Verbindungs bereich der Werkstücke den Verbindungsbereich wenigstens teilweise plastifiziert, dadurch gekennzeichnet, daß der stiftartige Vorsprung zur Ausführung einer Punktschweiß verbindung durch den sich plastifizierenden Werkstoff wenigstens des ersten zum stiftartigen Vorsprung gerich teten Werkstücks hinein bis wenigstens teilweise in ein letztes unteres sich plastifizierendes Werkstück hinein und nachfolgend wieder aus den Werkstücken heraus bewegt wird, so daß sich der plastifizierte Werkstoff aller Werkstücke verbindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch das Eindringen des rotierenden stiftarti gen Vorsprungs in ein erstes Werkstück hinein und durch die Werkstücke hindurch bzw. in das untere Werkstück hinein verdrängte Werkstoff in der unmittelbaren Umge bung des rotierenden stiftartigen Vorsprungs gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der verdrängte Werkstoff nach Abschluß der Plastifi zierung der Werkstücke in wenigstens annähernd gleichem Maße wie der stiftartige Vorsprung aus den Werkstücken herausbewegt wird in die sich während der Plastifizie rung ausgebildet habenden Löcher zurückgeführt wird.

4. Vorrichtung zum Verbindungen von wenigstens zwei aneinanderliegenden Werkstücken nach der Methode des Reibrührschweißens, wobei die Werkstücke dabei einen Verbindungsbereich zwischen sich einschließen, umfassend eine rotierend antreibbare Achse, an deren antriebsabge wandtem Ende ein stiftartiger Vorsprung ausgebildet ist, der bei seiner Rotation in Kontakt mit dem Verbindungs bereich der Werkstücke den Verbindungsbereich wenigstens teilweise plastifiziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der stiftartige Vorsprung (16) im wesentlichen längs seiner Drehachse (17) durch den sich plastifizierenden Werkstoff wenigstens eines ersten zum stiftartigen Vorsprung gerichteten Werkstücks (11) hindurch bis wenigstens teilweise in ein letztes unteres sich plasti fizierendes Werkstück (12) hinein bewegbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der stiftartige Vorsprung von einem mit diesem zusammen rotierend antreibbaren ersten Hülsenelement (18) umgeben ist, wobei bei axialer Bewegung (19) des stiftartigen Vorsprungs (16) in die Werkstücke (11) hinein bzw. durch diese hindurch das erste Hülsenelement (18) eine Bewegung in entgegengesetzter axialer Richtung ausführt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der axialen Bewegung (19) des stiftarti gen Vorsprungs (16) und des ersten Hülsenelements (18) im wesentlichen gleich ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der stiftartige Vorsprung (16) von einem nicht rotierenden äußeren zweiten Hülsenelement (21) umgeben ist, mit dem die Werkstücke (11, 12) bei der Ausführung des Verbindungs vorganges gegeneinander drückbar sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Hülsenelement (18) in dem äußeren zweiten Hülsenelement (21) geführt wird.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Bewegbar keit (19) des stiftartigen Vorsprungs (16) und die damit gekoppelte axiale Bewegbarkeit (20) des ersten Hülsen elements (18) in entgegengesetzter Richtung durch als Wendelnuten in einem Stellringelement (23) ausgebildete Kulissenführungen über darin hineingreifende Stellbolzen (24) steuerbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse (25) vorgesehen ist, in dem das Stell ringelement (23) mittels eines vom Gehäuseäußeren (26) aus betätigbaren Handhebels (27) drehbar aufgenommen wird.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stifthalteele ment (28) vorgesehen ist, mit dem der stiftförmige Vorsprung (16) lösbar verbindbar und rotierend antreib bar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, daß in das Stifthalteelement (28) ein Wellenelement (29) in Rotationsrichtung fest aber axial verschiebbar eingreift.