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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verschweißen zweier Fügepartner mittels Rührreibschweißen durch die, bzw. durch das, keinerlei Kontamination der Fügepartner durch Schweiß-Rückstände erfolgt.
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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
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Es ist aus dem Stand der Technik zum Thema des Rührreibschweißens unter anderen 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.
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Ferner ist sind aus der, ebenfalls auf die Anmelderin zurückgehenden,
DE 10 2012 010 836 B3 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung der Qualität der Schweißnaht beim Rührreibschweißen bekannt mit einem Computerprogramm sowie einem maschinenlesbaren Träger. Dieser Druckschrift liegt die Aufgabe zugrunde, die Standzeit des Rührreibwerkzeugs von ca. 2 Stunden auf 15 Stunden zu erhöhen und die Qualität der Fügenaht so zu erhöhen, dass keinerlei Nachbearbeitung erforderlich ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe mittels einer Vorrichtung mit den folgenden Merkmalen:
- a) einer Aufnahmeplatte (1) mit einem Antriebskopf (2) und einem Spindellagern (4) zur Aufnahme einer Reibschweißspitze (9), wobei im Spindellager (4) eine spiralförmig ausgearbeitete Transportschnecke (6) die zum Abtransport von nicht benötigtem Material-Auftrag dient, in schräg nach außen führende Öffnungen (8) mündet,
- b) die Längsachse des Spindellagers (4) ist gegen die Vertikale in einem Winkel von 2,8 bis 3,2 Grad geneigt,
- c) die Gleitfläche der Drehspindel besteht aus einer ebenen Gleitfläche (10) und besonders zur Verschweißung von kurvenförmigen Nähten aus jeweils einer, auf zwei gegenüber liegenden Seiten anschließenden, zur Gleitfläche (11) in einem spitzen Winkel geneigten, in sich gewölbten Gleitfläche (11),
- d) die Reibschweißspitze (9) weist die Form eines Kegelstumpfes auf, bei dem die Deckfläche in der Mitte erhöht ist, und wobei die Mantelfläche des Kegelstumpfes durch sechs trapezförmige Flächenstücke gebildet wird, von denen drei Flächenstücke jeweils am Umfang gleichmäßig verteilt sich in einem Winkel von 120 Grad gegenüber liegen und einen größeren Anteil als 1/6 am Kreisumfang beanspruchen.
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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.
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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.
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In manchen Fällen gibt es jedoch kundenseitig Beanstandungen bei dem Verschweißen zweier Fügepartner mittels Rührreibschweißen hinsichtlich der unvermeidlichen Verschmutzung der verschweißten Bauteile. Hierdurch können bei manchen Anwendungen erhebliche Kosten durch notwendige Nacharbeiten bestehen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, bei der, bzw. bei dem, während des Vorgangs des Rührreibschweißens keinerlei Kontamination der jeweiligen Fügepartner durch Rückstände während des Schweißprozess erfolgt. Eine Kosten verursachende Nacharbeit der Schweißnaht entfällt somit
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Dei Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen im Anspruch 1.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im Folgenden näher beschrieben:
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Es zeigen im Einzelnen:
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Die 1 eine perspektivische Darstellung des Schweißkopfs
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Die 2 einen Schnitt durch den Schweißkopf der 1
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Die 3a einen Schnitt durch die Werkzeugglocke
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Die 3b einen Schnitt durch den unteren Teil der Werkzeugglocke
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Die 3c eine perspektivische Ansicht des unteren Teils der Werkzeugglocke ohne den Schweiß- und Glättschuh 10
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Die 4a einen Schnitt durch den unteren Teil der Werkzeugglocke mit oben liegendem Schneidblatt 17
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Die 4b einen Schnitt durch den unteren Teil der Werkzeugglocke mit unten liegendem Schneidblatt 17
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Die 4c einen Schnitt durch den unteren Teil der Werkzeugglocke mit unten Schneidblatt 17 im Bereich des Pinschafts
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Die 5 einen Schnitt durch die Einheit 7 zur Achsial-Verstellung der Werkzeugglocke
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Die 6 eine perspektivische Darstellung der Achsial-Verstellung 7
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Die 7a einen Schnitt durch einen Reinigungsvorgang mit Hub von oben
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Die 7b einen Schnitt durch einen Reinigungsvorgang mittels Hub von unten
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Die 8 einen Schnitt durch die Werkzeugglocke mit der Darstellung mehrerer Funktionen.
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Die 1 zeigt eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen gesamtheitlichen Schweißkopfs.
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Der Begriff „gesamtheitlich„ wurde deshalb gewählt weil die gesamte Prozessdatenerfassung und Prozesssteuerung im Schweißkopf integriert ist. Die Spindel ist gewissermaßen ein „sich drehender Werkzeughalter”, wobei der Schweißkopf in beliebige Maschinen integrierbar ist. Auf der rechten Seite sind in dieser 1 die Steuerleitung und die Energieversorgungsleitung 2 für die Antriebseinheit der Spindel zu erkennen, wobei der gesamte Schweißkopf zum Beispiel von einem Roboter 3 geführt sein kann und das Spindelgetriebe 4 an seiner Unterseite einen Montageflansch 5 aufweist.
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Unterhalb des Montageflanschs 5 ist ein Sensorring 6 angeordnet der zum Beispiel Sensoren zur Kraftmessung. Der Messung direkter Prozessparameter und/oder zur Schwingungsmessung trägt. Zur direkten Messung der an der Schulter entstehenden Schwingungen sind Messköpfe zwischen der Spindel und dem Schweißkopf angeordnet. Hieraus resultieren weniger Fehlereinwirkungen zum Beispiel durch eine Unwucht in der Spindel.
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Unterhalb des Sensorrings 6 ist eine Einheit 7 zur Achsial-Verstellung der Werkzeugglocke gelagert. Sie ermöglicht eine präzise Verlagerung der Werkzeugglocke in achsialer Richtung-.
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Es folgen weiter ein Spannsystem 8 für das Schweißwerkzeug mit einer Werkzeugglocke 9 und einem Schweiß- und Glättschuh 10 und seinem Schweißpin 11.
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Die 2 zeigt einen Schnitt durch den Schweißkopf der 1.
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Hier sind auf der rechten oberen Bereich das über den Querschnitt verlaufende Spindelgetriebe 4 und der quer zum Spindelgewinde sich erstreckende Montageflansch 5 aus der 1 bezeichnet. Unterhalb des Montageflanschs 5 ist der innere Bereich des Sensorrings 6 zu erkennen, während unter diesem angeordnet die Bauteile der Einheit 7 zur Achsial-Verstellung im Querschnitt zu sehen sind. Die zentral gelagerte Werkzeugglocke 9 wird von dem Spannsystem 8 für das Schweißwerkzeug umschlossen. In der Rotationsachse der Werkzeugglocke 9 ist eine Spindel 12 gelagert die in ihrer Verlängerung durch einen Werkzeugschaft 13 in der Werkzeugglocke 9 verläuft und an ihrem Ende einen Schweißpin 11 trägt. Der Schweißpin 11 ist in einem Schweiß- und Glättschuh 10 geführt.
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In dem Schweiß- und Glättschuh 10 ist im linken Seitenbereich eine Einrichtung 14 zum Zerkleinern, bzw. zum Zerspanen des Abriebs während des Rühreibschweiß-Prozesses angedeutet.
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Die 3a zeigt einen Schnitt durch die Werkzeugglocke.
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Neben der Werkzeugglocke 9 mit dem innenliegenden Werkzeugschaft 13 und dem Schweißpin 11 mit seiner Pinspitze 15 sind hier im Schweiß- und Glättschuh 10 auf der hier gezeigten linken und rechten Seite des Schweiß- und Glättschuhs 10 so genannte untere Einströmkanäle 18 für Fluid dargestellt. Diese unteren Einströmkanäle 18 können natürlich ringsum am Schweiß- und Glättschuh 10 verteilt sein und dienen der Zufuhr von Fluid zum Ausspülen von Abrieb oder Prozessüberschußmaterial der während des Prozesses des Rührreibschweißens entstanden ist. Diese Einströmkanäle 18 sind lediglich schematisch und beispielhaft dargestellt. Die Einströmkanäle 18 am Schweiß- und Glättschuh 10 haben auch eine strömungsgebende Funktion für das einströmende Fluid.
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Die in der 2 gezeigte Einrichtung 14 zum Zermahlen, bzw. Zerspanen, genauer zum Zerkleinern, dieses Abriebs ist in dieser 3a gekennzeichnet durch einen Schneidblatt-Halter 16 dieser Einrichtung mit einem zugehörigen Schneidblatt 17. Vorrichtungen zur Zufuhr von Fluid in den oder die Einströmkanäle 18 sind hier aus Gründen einer deutlichen Darstellung nicht gezeigt.
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Auf der linken Seite der Werkzeugglocke 9 sind ein Absaugkanal 19 für Fluid und ein oberer Einströmkanal 20 für Fluid zu erkennen.
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Die 3b zeigt einen Schnitt durch den unteren Teil der Werkzeugglocke in vergrößertem Maßstab. Auch hier ist im oberen Bereich die Werkzeugglocke 9 bezeichnet mit dem innenliegenden Werkzeugschaft 13 und dem zentral geführten Schweißpin 11 und seiner Pinspitze 15. Die ebenfalls in der 3a gezeigten beiden Einströmkanäle 18 für Fluid sind hier noch deutlicher dargestellt. Besonders deutlich sind in dieser 3b der Schneidblatt-Halter 16 mit seinem Schneidblatt 17 zu erkennen. Im unteren Bereich des dargestellten Schweißpins 11 ist in der 3b im Schweiß- und Gleitschuh 10 auf der linken Seite ein Spalt 21 für Abrieb-Material zu sehen.
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Die 3c zeigt eine perspektivische Ansicht des unteren Teils der Werkzeugglocke ohne die behindernde Sicht auf den Schweiß- und Glättschuh 10. Der auf den Schweißpin 11 ringförmig aufgesetzte Schneidblatt-Halter 16 mit dem von ihm gehalterten, bzw. gelagerten Schneidblatt 17 der Einrichtung zum Zermahlen, bzw. zum Zerspanen, oder allgemein gesprochen, Zerkleinern des während des Reibschweißens entstehenden Abriebs ist hier deutlich auszumachen.
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Die 4a, 4b und 4c stellen verschiedene Möglichkeiten der Anordnung eines Schneidblatts 17 im Bereich des Schweiß- und Glättschuhs dar. Die Form des Schneidblatts 17 ist hier nur beispielhaft dargestellt, sie kann auch dreieckig, quadratisch oder von beliebiger geometrischer Form sein.
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Die 4a zeigt einen Schnitt durch den unteren Teile der Werkzeugglocke mit oben liegendem Schneidblatt 17 im Schneidblatt-Halter 16.
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Die 4b einen Schnitt durch den unteren Teil der Werkzeugglocke mit unten liegendem Schneidblatt 17 im Schneidblatt-Halter 16.
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Die 4c einen Schnitt durch den unteren Teil der Werkzeugglocke mit unten Schneidblatt 17 im Bereich des Pinschafts.
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Sämtliche dargestellten Schneiden-Positionen sind beliebig miteinander kombinierbar. Es kann somit auch Kombinationen zwischen axialen und radialen Schneiden oder Zerkleinern geben.
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Die 5 zeigt einen Schnitt durch die Einheit 7 zur Achsial-Verstellung der Werkzeugglocke.
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In der Mittelachse Antriebseinheit des gesamtheitlichen Schweißkopfs ist die Spindelachse 12 im Werkzeugschaft 13 innerhalb des oberen Teils der Werkzeugglocke 9 zu erkennen Rotationssymmetrisch zur Spindel 12 ist auf der linken und der rechten oberen Seite der 5 der aus dem oberen Teil der 2 bekannte Montageflansch 5 der das Spindelgetriebe 4 mit dem Sensorring 6 verbindet, zu erkennen, wobei der Sensorring 6 hier auf der rechten Seite bezeichnet ist. Das Spannsystem für die Werkzeugglocke 9 ist rotationssymmetrisch zur Werkzeugglocke 9 auf der linken und der rechten Seite im Schnitt auszumachen. Ebenfalls rotationssymmetrisch auf der linken und der rechten Seite des Spannsystems 8 für das Schweißwerkzeug sind die beiden, im Schnitt sichtbaren, Anteile einer Verstell-Mutter 24 für den Hub der Achsial-Verstellung 7 zu erkennen, wobei auf der linken Seite zu beiden Seiten der Verstell-Mutter 24 zwei Führungs-Elemente 25 bezeichnet sind, von denen mindestens zwei vorhanden sind. Die im Schnitt jeweils neben den Führungs-Elementen 25 gelagerten Vorspannungs-Elemente 23 erlauben eine stufenlose Verstellung des Hubs zur Achsial-Verstellung der Werkzeugglocke. Nähere Einzelheiten sind der Darstellung der 6 zu entnehmen.
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Auf der rechten Seite ist ein Kabelkanal 22 zur Signal-Versorgung der Sensoren die zum Werkzeug führen bezeichnet.
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Die 6 zeigt eine perspektivische Darstellung der Achsial-Verstellung 7.
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Hier ist die Achsial-Verstellung 7 in ihrer Lage im gesamtheitlichen Aufbau des erfindungsgemäßen Schweißkopf gesondert dargestellt. Im rechten Vordergrund ist ein Führungselement 25 zu sehen, von dem wegen ihrer Führungsfunktion mindestens zwei vorhanden sein müssen. Diese Führungselemente 25 erfüllen gewissermaßen die Funktion eines Gewindes, während der ringförmige Charakter der Verstellmutter 24 in dieser Darstellung deutlich wird. Weiter sind in der Darstellung der 6 drei Vorspannungs-Elemente 23 sichtbar, von denen das auf der linken Seite gezeigte, bezeichnet ist. Als Antrieb für die gesamte Achsial-Verstellung 7 dient der Verstell-Antrieb 26.
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Die 7 zeigen eine Kombination aus axialen und radialen Schneiden.
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Die 7a zeigt einen Schnitt durch einen Reinigungsvorgang mit Hub von oben. Neben dem umfassenden Schweiß- und Glättschuh 10 und der in ihm gelagerten Pinspitze 15, ist hier ein Schneidblatt-Halter 16 mit seinem Schneidblatt 17 zu sehen. Auf der linken Seite des Schneidblatt-Halter 16 ist ein schmaler Spalt, der Spalt 21 für Abrieb-Material, bzw. allgemein gesprochen, zerkleinertes Prozess-Material, gezeigt, der bewirkt, dass dieses Material über einen Spalt 18 mittels einer Hubeinwirkung im oberen Bereich nach außen dringen kann. Der Abtransport des zerkleinerten Materials im Spalt 21 wird durch strömungsbeeinflussende/erzeugende Geometrien gesteuert, die auf der Innenseite der Glocke und auf der Außenseite der Reibstiftaufnahme und dem Schneidblatthalter sitzen.
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Die 7b zeigt einen Schnitt durch einen Reinigungsvorgang mittels Hub von unten. In diesem Fall wird durch das Absenken der Werkzeugglocke erreicht, dass das entstandene Prozess-Material vom Schweißpin nach oben, und damit über einen oder mehrere der gezeigten Spalte nach außen dringen kann.
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Die 8 zeigt einen Schnitt durch die Werkzeugglocke mit der Darstellung mehrerer Funktionen.
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Neben der Werkzeugglocke 9 mit dem Werkzeugschaft 13, dem Schweißpin 11 und dem Schneidblatt 17 mit dem Spalt 21 für Abrieb-Material sind hier auf der linken Seite in der Werkzeugglocke 9 zwei Einströmkanäle für Fluid, nämlich der Einströmkanal 20 im oberen Bereich und der Einströmkanal 18 im unteren Bereich zu sehen. Der größer dimensionierte Absaugkanal 19 ergänzt diese Anlage. Diese Anordnung dient nicht nur dazu, den Abrieb-Transport zu regeln, sondern auch dazu, insgesamt die Betriebstemperatur des gesamten Prozesses während des Rührreibschweißens mittels eines gezeigten Temperatursensors 27 zu regeln.
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Es ist erfindungsgemäß eine zusätzliche Steuerung der Fluidströmung und der Fluidverteilung durch strömungsbeeinflussende Geometrien auf der Außenseite und im Inneren der Bauteile Werkzeugglocke, Stiftaufnahme, Schweiß- und Gleitschuh, also allen Bauteilen die mit Fluid in Berührung kommen, vorgesehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebseinheit für die Spindel 12
- 2
- Steuerleitung und Energieversorgungsleitung
- 3
- Roboter
- 4
- Spindelgetriebe
- 5
- Montageflansch
- 6
- Sensorring (Kraftmessung, Schwingungsmessung)
- 7
- Einheit zur Achsial-Verstellung der Werkzeugglocke
- 8
- Spannsystem für das Schweißwerkzeug
- 9
- Werkzeugglocke
- 10
- Schweiß- und Glättschuh
- 11
- Schweißpin
- 12
- Spindel
- 13
- Werkzeugschaft (Pinschaft)
- 14
- Einrichtung zum Zermahlen, bzw. Zerspanen des Abriebs
- 15
- Pinspitze
- 16
- Schneidblatt-Halter der Vorrichtung 14 zum Zermahlen, bzw. Zerspanen, allgemein gesprochen, zerkleinern
- 17
- Schneidblatt
- 18
- Einströmkanal für Fluid (unten)
- 19
- Absaugkanal
- 20
- Einströmkanal für Fluid (oben)
- 21
- Spalt für Abrieb-Material
- 22
- Kabelkanal für Sensoren die zum Werkzeug führen
- 23
- Vorspannungs-Element der Achsial-Verstellung 7
- 24
- Verstell-Mutter für den Hub der Achsial-Verstellung 7
- 25
- Führungs-Element (Gewindefunktion)
- 26
- Verstell-Antrieb
- 27
- Temperatur-Sensor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015005763 U1 [0003]
- DE 102012010836 B3 [0004]
- EP 2561948 A1 [0006]
