DE202016001908U1

DE202016001908U1 - Vorrichtung zum rückstandsfreien Rührreibverschweißen von Werkstücken bei durch Fertigungstoleranzen bedingten Höhenunterschieden der Fügepartner

Info

Publication number: DE202016001908U1
Application number: DE202016001908.3U
Authority: DE
Original assignee: Grenzebach Maschinenbau GmbH
Current assignee: Grenzebach Maschinenbau GmbH
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2016-03-23
Publication date: 2016-05-19
Anticipated expiration: 2026-03-24

Abstract

Vorrichtung zum rückstandsfreien Rührreibschweißen von Werkstücken unterschiedlicher Dicke, insbesondere von rohrartigen Strukturen, mit den folgenden Merkmalen a) ein, von einer Führungsmaschine, mittels eines Aufnahmekopfs (1) geführter, Antriebskopf (2) und eine, mittels eines Befestigungsflanschs (8) am Antriebskopf (2) verschraubte Halteglocke (3) für einen Schweißschuh (4) bilden den Antrieb und die Führung für eine Schweißpin-Spitze (5), b) der Schweißschuh (4) hat eine kreisförmige Struktur die in ihrer Mitte eine kreisförmige Öffnung (14) zur Aufnahme der Schweißpin-Spitze (5) aufweist, wobei diese kreisförmige Öffnung (14) in einem diagonal zur kreisförmigen Struktur des Schweißschuhs (4) verlaufenden Steg mit einer Glätt-Fläche (13) in Bewegungsrichtung (21) des Vorgangs des Rührreibschweißens gelagert ist, und wobei de Glätt-Fläche (13) eine Vorderkante (12) aufweist, die Teil einer stufenförmigen Spahn-Leitstufe (11) ist, c) die Glätt-Fläche (13) weist die Form einer länglichen, sich in diagonaler Richtung des Schweißschuhs (4) erstreckenden, trapezförmigen Struktur auf, bei der die breitere Seite als Vorderkante (12) in der Richtung des Vorschubs (21) des Schweißschuhs (4) sich im vorderen Bereich und eine entsprechende schmälere Seite als Hinterkante (17) sich im hinteren Bereich erstrecken, wobei ferner die Hinterkante (17) die Begrenzung einer stufenförmig angelegten Auslauffläche (15) der Glätt-Fläche (13) bildet und wobei die trapezförmige Struktur von einer linken und einer rechten kurvenförmigen Seitenfläche (18) ergänzt wird, deren Flächennormale jeweils in Richtung zu der Öffnung (14) sich erstrecken, d) die Glatt-Fläche (13) weist gegenüber der senkrechten Bezugsachse des Schweißpins (4) einen kleinen Anstellwinkel (19) auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum rückstandsfreien Rührreibverschweißen von Werkstücken bei durch Fertigungstoleranzen bedingten Höhenunterschieden der Fügepartner.
Es hat sich in der Praxis herausgestellt, dass bei den Orbitalschweißungen der Rohre die für das Verlegen unterirdisch verlegter Stromleitungen verwendet werden die beiden zu verschweißenden Rohrenden teilweise mit erheblichem Höhenunterschied in das Reibwerkzeug einlaufen. Ursächlich für solche Höhenunterschiede sind Fertigungstoleranzen der zu verschweißenden Rohre von mehreren Millimetern im Durchmesser, die im gegebenen Stumpfstoß dazu führen können, dass eine Seite bis zu 2 mm höher liegt als das Gegenüber. Bestehende Vorrichtungen und Verfahren des Rührreibschweißens können in solchen Fällen die, besonders bei dem Verschweißen von unterirdisch zu verlegenden Stromleitungen, gestellten Anforderungen an das Schweißergebnis nicht erfüllen. Für das Verschweißen ebener Strukturen die im Stumpfstoß Höhenunterschiede bis zu 2 mm aufweisen, gilt ersichtlich Vergleichbares.
Zum Stand der Technik wird weiter auf die EP 2 561 948 A1 verwiesen, die ein Verfahren und eine Anlage zum Herstellen eines Flansch-Rohr-Flansch-Elements mittels Rührreibschweißens betrifft. Einer solchen Anlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11 liegt die Zielsetzung zugrunde, das Zentrieren von Flansch und Rohr zu vereinfachen und die Schweißbadsicherung neben dem Abstützen des durch das Rührreibschweißen erweichten Bereichs auch zur Aufnahme der Anpresskräfte beim Rührreibschweißen und zum Zentrieren des Rohres nach der Längsachse der Flansche unter Wegfall von Mess- und Einrichtvorgängen bei gleichzeitiger Reduzierung der Fertigungszeiten, unter Einsparung von Material und Gewährleistung wirtschaftlicher Vorteile zu nutzen. Im Kennzeichen des Anspruchs 11 wird hierzu beansprucht, dass die Schweißbadsicherung als eine pneumatisch spann- und lösbare Spann- und Abstützscheibe zum Zentrieren des Rohres auf die Drehachse der Flansche und zum Aufnehmen der Anpresskräfte beim Rührreibschweißen ausgebildet ist, und dass ein Sensor zum Abtasten der Stoßfugen zwischen Rohr und Flansch vorgesehen ist, und dass weiter eine Vorrichtung zum An- und Abfahren eines Formkeils in Flucht der horizontal oberhalb der Drehachse liegenden, durch die Stoßfuge verlaufenden Tangentialebene vorgesehen ist, um die Rührreibschweißstift des Rührreibschweißwerkzeugs lochfrei aus der rührreibgeschweißten Stoßfuge herauszubewegen, wobei der Sensor und die Vorrichtung zum An- und Abfahren des Formkeils mit der Steuerung verbunden ist. Beim Rührreibschweißen wird im Fügebereich der zu verschweißenden Materialien mittels der Reibung zwischen einem rotierenden, gleichzeitig translatorisch bewegten und mit Druck aufgebrachten, Werkzeug Reibungswärme erzeugt die die zu verschweißenden Materialien in einen plastifizierten Zustand versetzt. Das Werkzeug wird hierbei entlang des Fügebereichs bewegt und verrührt das plastifizierte im Inneren der Naht der zu verbindenden aneinander stoßenden Materialien. Am Ende dieser Naht wird das Werkzeug aus dem Verbindungsbereich herausgezogen und die Schweißnaht ist unmittelbar belastbar.
Weiter ist aus dem Stand der Technik die vorveröffentlichte, auf die Anmelderin selbst zurückgehende, DE 10 2015 005 763 U1 bekannt, die eine Vorrichtung zum homogenen Verschweißen flächig gebogener Strukturen durch Rührreibschweißen betrifft. Mit der aus dieser Druckschrift bekannten Vorrichtung ist zwar schon ein Schweißergebnis zu erzielen das hohen Qualitätsansprüchen genügt, jedoch kann hierbei nicht völlig ausgeschlossen werden, dass beim Herausziehen des Schweißpins während der Beendigung des Schweißvorgangs geringe Unebenheiten zu verzeichnen sind. Zudem muss damit gerechnet werden, dass die Ränder der zu verschweißenden Strukturen nicht fugenlos aneinander stoßen sondern kleine Unebenheiten aufweisen die während des Schweiß-Vorgangs für das Erreichen einer ebenen Fläche die Zufuhr von „Füll-Material” notwendig machen.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, um ein rückstandsfreies Verschweißen von Werkstücken mit Höhenunterschieden im Stumpfstoß von bis zu 2 mm, insbesondere von rohrartigen Strukturen und sonstigen Applikationen mittels Rührreibschweißen so zu ermöglichen, dass auch bei Belastung der Schweißnahtmit elektrischer Hochspannung kein Überschläge auftreten können.
De Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen im Anspruch 1:
Die Erfindung wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen im Einzelnen:
1: eine Schnittdarstellung einer Anordnung zum Rührreibschweißen
2: eine Darstellung einer unerwünschten Randgrat-Bildung
3: eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Schweißschuhs
4: eine direkte Darstellung des Schweißschuhs von unten
5: eine Darstellung eines Schweißschuhs in einer Seitenansicht
6: eine Darstellung eines Schweißschuhs mit Material-Führungskanälen
7: Darstellungen aus dem Bereich der Führungskanäle
Die 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Anordnung zum Rührreibschweißen. Das zu fügende Bauteil 6 ist in diesem Fall als ebene Fläche gezeigt. Ein Aufnahmekopf 1 trägt einen Antriebskopf 2 der wiederum an seiner Unterseite einen Aufnahmeflansch 8 für die Halterung einer Halteglocke 3 aufweist. Die Halteglocke 3 bildet mittels einer Überwurfmutter 7 die mechanische Halterung eines Schweißschuhs 4 der in seinem Inneren einen drehbaren Schweißpin führt von dem in der 1 die Schweißpin-Spitze 5 bezeichnet ist.
Die 2: zeigt eine Darstellung einer unerwünschten Randgrat-Bildung. In der 2a) ist beispielhaft die Verschweißung zweier zu fügender Bauteile 6 dargestellt, wobei auf der linken und der rechten Seite im Bereich 10 der Schweißnaht jeweils ein, parallel zu der Schweißnaht verlaufender Randgrat 9 zu erkennen ist. In der 2b) ist beispielhaft eine andere Verschweißung dargestellt, wobei sich nahezu kein Randgrat 9 gebildet hat.
Die 3: zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Schweißschuhs von der Unterseite her. In der Mitte des gezeigten Schweißschuhs ist eine kreisrunde Öffnung 14 erkennbar die der Aufnahme eines sich unter Druck drehenden Schweißpins dient, wobei eine Schweißpin-Spitze 5, wie in der 1 angedeutet, den eigentlichen Rührreibvorgang bewirkt. Eine trapezförmige Glätt-Fläche 13, die um die Öffnung 14 gelagert ist dient der Glättung des durch den Schweißvorgang plastifizierten Materials und bewirkt, vor allem durch die gewählte Form der Flache 13 in der Art eines Trapezes, dass dieses Material von der relativ breiten Vorderkante 12 in Richtung der schmaleren, abgerundeten Auslauffläche der Glätt-Fläche 13 geglättet wird. Der Glätt-Fläche 13 ist eine Span-Leitstufe 11 vorgelagert, durch die entstehende Metall-Späne nach links und/oder rechts abgeleitet werden. Der Halte-Flansch 16 dient der Halterung des Schweißschuhs mittels der Überwurfmutter 7 in der 1. Mit 17 ist in dieser Darstellung die Hinterkante der Glätt-Fläche 17 bezeichnet.
Die 4: zeigt eine direkte Darstellung des Schweißschuhs von unten. In der Mitte der, hier nicht bezeichneten Glätt-Fläche ist die Öffnung 14 für einen Schweißpin zu erkennen. Ferner ist die genaue Anordnung der Vorderkannte 12 und der Hinterkante 17 aus der 3 zu sehen. Als Besonderheit ist aus der 4 zu ersehen, dass die Seitenflächen 18 der trapezförmigen Glätt-Fläche leicht gekrümmt sind.
Die 5: zeigt eine Darstellung eines Schweißschuhs in einer Seitenansicht. Hier ist die Richtung der Bewegung des Schweßschuhs mit 21 bezeichnet. Der Schaft 20 des Schweißpins an der Oberseite des Schweißschuhs findet seine Entsprechung in der Schweißpin-Spitze 5 an der Unterseite des Schweißschuhs. Die Lage und Höhe der Span-Leitstufe 11 und der Vorderkante 12 der Glätt-Fläche an der Vorderseite des Schweißschuhs ist in Bezug zur Lage und Höhe der Hinterkante 17 der Glätt-Fläche gut zu erkennen. Auch die Art der Auslauffläche 15 ist in dieser Ansicht zu sehen. Als Besonderheit ist in der 5 zu sehen, dass die Glätt-Fläche 13 unter einem kleinen Anstellwinkel zur senkrechten Bezugsachse des Schweißpins geneigt ist.
Die 6: zeigt eine Darstellung eines Schweißschuhs mit Material-Führungskanälen. In der 6a) ist eine perspektivische Ansicht auf den Schweißschuh gezeigt bei der die Spanleitstufe 11 im Vordergrund steht. An der Kante die die Spanleitstufe mit der Glätt-Fläche 13 bildet, wobei sich die Ziffer 13 auf die gesamte Fläche bezieht, sind auf der linken und auf der rechten Seite jeweils zwei Material-Führungskanäle 22 zu sehen. Im Hintergrund ist die Hinterkante 17 der Trapezschuhfläche dargestellt. Die in der 6b) gezeigte Draufsicht auf den gesamtem Schweißschuh lässt in der Mitte wieder die trapezförmige Glätt-Fläche 13 mit ihrer Hinterkante 17 und ihrer Spanleitstufe 11 erkennen. Sehr deutlich sind hier links und rechts, direkt von der Kante der Spanleitstufe 11 ausgehend, jeweils ein Material-Führungskanal 22 aufgezeigt.
Die 7: zeigt Darstellungen aus dem Bereich der Führungskanäle. Eine Variante in der Form einer, „schaufelähnlichen, an ihrer Vorderkante abgesenkten, nahezu über die gesamte Breite der Spanleitstufe 11 verlaufenden, Kanalbahn 23, wird in der Ausbauform gemäß der 7a) an jeder ihrer Breitseiten von einem Material-Führungskanal begrenzt. Diese Führungskanäle wirken gewissermaßen als „Einweiser” für das plastifizierte Material. Die in der 7b) gezeigte Variante weist, anders als die Version der 7a) anstelle einer breiten „schaufelähnlichen„ Aufnahmefläche im linken und rechten Bereich jeweils eine entsprechende schmälere „schaufelähnliche” Aufnahmefläche auf. Diese wirken als Seitenkanäle, wobei die Höhe des mittleren Bereichs abweichend von den äußeren Einweisern sein kann. Die Kanalkanten sind scharfkantig ausgestaltet. Eine Variante der in 7b) dargestellten Version ist mittels der, im Kreis dargestellten Version der Ausgestaltung des Schweißschuhs gezeigt. Diese Variante weist ebenfalls zwei Seitenkanäle auf, wobei jedoch jeder Seitenkanal eine Kanalbahn 23 aufweist wie sie in der 7c) gezeigt ist. Jeder Seitenkanal weist, entsprechend der gezeigten Darstellung eine runde Material-Einweisungskante 24 auf und bildet eine Art „Räumschild-Kontur an beiden Innenkanten der Seitenkanäle, In Verbindung mit dem stets erforderlichen Anstellwinkel 19 des Werkzeugs kann hierdurch der Materialtransport und die Erzeugung eines definierten Übergangs zum nicht-geschweißten Bereich erzielt werden. Die Material-Einweiserkante 24 ist leicht abgerundet, weist daher eine hohe Standzeit und damit einen geringen Verschleiß auf.
Es versteht sich von selbst, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung bei dem Vorliegen von Werkstücken ohne Höhenunterschiede ebenfalls bessere Schweißergebnisse bringt.
Bezugszeichenliste

1: Aufnahmekopf
2: Antriebskopf
3: Halteglocke für das Werkzeug
4: Schweißschuh mit trapezförmiger Glätt-Fläche
5: Schweißpin-Spitze
6: zu fügendes Bauteil
7: Oberwurfmutter als Halterung für einen Schweißschuh
8: Aufnahmeflansch für die Halteglocke 3
9: Randgrat
10: Bereich der Schweißnaht
11: Span-Leitstufe
12: Vorderkante der trapezförmigen Glätt-Fläche
13: Glätt-Fläche
14: Öffnung für einen Schweißpin
15: Auslauffläche der trapezförmigen Glätt-Fläche
16: Halte-Flansch des Schweißschuhs für die Überwurfmutter 7
17: Hinterkante der trapezförmigen Glätt-Fläche
18: kurvenförmige Seitenfläche der trapezförmigen Glätt-Fläche
19: Anstellwinkel der Glätt-Fläche 13
20: Schaft des Schweißpins
21: Richtung des Vorschubs des Schweißschuhs 4
22: Material-Führungskanäle
23: Kanalbahn
24: Material-Einweiserkante (Kanal 22) rund

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

EP 2561948 A1 [0003]
DE 102015005763 U1 [0004]

Claims

Vorrichtung zum rückstandsfreien Rührreibschweißen von Werkstücken unterschiedlicher Dicke, insbesondere von rohrartigen Strukturen, mit den folgenden Merkmalen a) ein, von einer Führungsmaschine, mittels eines Aufnahmekopfs (1) geführter, Antriebskopf (2) und eine, mittels eines Befestigungsflanschs (8) am Antriebskopf (2) verschraubte Halteglocke (3) für einen Schweißschuh (4) bilden den Antrieb und die Führung für eine Schweißpin-Spitze (5), b) der Schweißschuh (4) hat eine kreisförmige Struktur die in ihrer Mitte eine kreisförmige Öffnung (14) zur Aufnahme der Schweißpin-Spitze (5) aufweist, wobei diese kreisförmige Öffnung (14) in einem diagonal zur kreisförmigen Struktur des Schweißschuhs (4) verlaufenden Steg mit einer Glätt-Fläche (13) in Bewegungsrichtung (21) des Vorgangs des Rührreibschweißens gelagert ist, und wobei de Glätt-Fläche (13) eine Vorderkante (12) aufweist, die Teil einer stufenförmigen Spahn-Leitstufe (11) ist, c) die Glätt-Fläche (13) weist die Form einer länglichen, sich in diagonaler Richtung des Schweißschuhs (4) erstreckenden, trapezförmigen Struktur auf, bei der die breitere Seite als Vorderkante (12) in der Richtung des Vorschubs (21) des Schweißschuhs (4) sich im vorderen Bereich und eine entsprechende schmälere Seite als Hinterkante (17) sich im hinteren Bereich erstrecken, wobei ferner die Hinterkante (17) die Begrenzung einer stufenförmig angelegten Auslauffläche (15) der Glätt-Fläche (13) bildet und wobei die trapezförmige Struktur von einer linken und einer rechten kurvenförmigen Seitenfläche (18) ergänzt wird, deren Flächennormale jeweils in Richtung zu der Öffnung (14) sich erstrecken, d) die Glatt-Fläche (13) weist gegenüber der senkrechten Bezugsachse des Schweißpins (4) einen kleinen Anstellwinkel (19) auf.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spahn-Leitstufe (11) auf der linken und auf der rechten Seite der Vorderkante (12) Material-Führungskanäle (22) aufweist
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spahn-Leitstufe (11) auf der linken und auf der rechten Seite der Vorderkante (12) Material-Führungskanäle (22) aufweist, die durch eine Kanalbahn (23) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spahn-Leitstufe (11) auf der linken und auf der rechten Seite relativ schmale Kanalbahnen (23) aufweist, deren äußerer Bereich jeweils eine, außen abgerundete, Material-Einweisungskante (24) aufweist.