DE202017006112U1

DE202017006112U1 - Vorrichtung zum nahezu verzögerungsfreien Ändern der Schweißrichtung der einer Anlage zum Rührreibschweißen wenn die geometrische Anordnung der zu verschweißenden Fügepartner oder Materialunebenheiten dies erfordern

Info

Publication number: DE202017006112U1
Application number: DE202017006112.0U
Authority: DE
Original assignee: Grenzebach Maschinenbau GmbH
Current assignee: Grenzebach Maschinenbau GmbH
Priority date: 2017-11-27
Filing date: 2017-11-27
Publication date: 2017-12-13
Anticipated expiration: 2027-11-28

Abstract

Vorrichtung zum nahezu verzögerungsfreien Ändern der Schweißrichtung der Schweißschulter einer Anlage zum Rührreibschweißen wenn die geometrische Anordnung der zu verschweißenden Fügepartner oder Materialunebenheiten dies erfordern, mit den folgenden Merkmalen: a) einem Grundkörper (1) mit einem Schweißtisch (15) und einem Brückenträger (5) zur Aufhängung (10) eines Reibschweißkopfes (12), wobei der Reibschweißkopf (12) horizontal und vertikal den gesamten Bereich des Schweißtisches (15) stufenlos überfahren kann, b) eine Pin-Aufnahme (13) zur Halterung und den Antrieb einer Schweißpin-Spitze (14) des Reibschweißkopfes (12), wobei die Schweißpin-Spitze (14) innerhalb einer Schweißschulter (18) geführt wird die kardanisch von einer mehrfach gelagerten und gesteuerten Schweißschulter-Aufnahme (17) bewegt werden kann, c) die Schweißschulter-Aufnahme, (17) wird an mehreren, im Winkel gegenüber liegenden Punkten von jeweils einem Haupt-Stellantrieb (21), die jeweils an dem Reibschweißkopf (12) angelenkt sind mittels jeweils einer Zug- und Schubstange (16) gegen den Druck eines zentral angreifenden Feder-Packets (25) gesteuert.

Description

Die Anmeldung betrifft eine Vorrichtung zum nahezu verzögerungsfreien Ändern der Schweißrichtung der Schweißschulter einer Anlage zum Rührreibschweißen wenn die geometrische Anordnung der zu verschweißenden Fügepartner oder Materialunebenheiten dies erfordern.
Das Reibrührschweißen oder „Friction Stir Weiding” (FSW) wird bekanntlich zunehmend in der Luft- und Rumfahrttechnik, in der Schienenverkehrstechnik sowie im Automobilbau eingesetzt, Dieses einfache, saubere und innovative Fügeverfahren zeichnet sich durch sein hohes Automatisierungspotential sowie den Wegfall des Erfordernisses von Nieten aus, wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden und das Gewicht daraus hergestellter Strukturen reduziert wird.
Zum Stand der Technik wird das Dokument DE 10 2014 004 331 B3 , das auf die Anmelderin zurückgeht genannt. Dieses Dokument betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erhöhung der Qualität der Schweißnaht beim Rührreibschweißen sowie ein Computerprogramm ind einen maschinenlesbaren Träger mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens. Diesem Dokument liegt die Aufgabe zugrunde, den Schweißvorgang beim Rührreibschweißen derart zu optimieren, dass die vollständige Vermeidung des so genannten Endlochs (der verbleibende Negativ-Abdruck des Rührwerkzeugs am Ende von Schweißnähten) erreicht wird und sich somit die Qualität der Schweißnaht erhöht. Zur Lösung dieser Aufgabe wird im Patentanspruch 1 eine Vorrichtung zur Erhöhung der Qualität der Schweißnaht beim Rührreibschweißen mit den folgenden Merkmalen beansprucht:

a) einer Aufnahmeplatte (1) mit einem Antriebskopf (2), wobei dieser einen Aufnahmeflansch (19) zur Aufnahme einer Halteglocke (3) aufweist, die mittels einer Überwurfmutter (7) mit einem Schweißschuh (4) mit einer Schweißpin-Spitze (5) verbunden ist,
b) der Schweißschuh (4) weist eine kreisförmige Grundform auf, auf der sich, über den Querschnitt verlaufend und im rechten Winkel zu dieser Grundform erhebend, ein Quersteg befindet der ungefähr die Breite von 1/4 bis 1/5 des Durchmessers der Grundform aufweist und eine bogenförmige Schuh-Gleitfläche und Schuh-Glättfläche (9) aufweist, wobei sich auf jeder Seite dieser Fläche (9) im Bereich des Randes dieser Fläche (9) eine kleine ebene Fläche in der Form einer kerbartigen Verjüngung (16) befindet,
c) die Schweißpin-Spitze (5) weist im Wesentlichen eine Oberflächenstruktur in der Form eines spitz zulaufenden Gewindes auf, wobei diese gewindeähnliche Struktur nicht rein kreisförmig angeordnet ist, sondern in jedem Gewindegang drei am Umfang verteilte Abplattungen aufweist, wobei die Zentren dieser Abplattungen jeweils in in einem Winkel von 120 Grad zueinander stehen und wobei die Steigung dieser gewindeähnlichen Struktur 0,5 mm beträgt und die Flankenhöhe von 0,25 mm bis 0,05 mm variiert

Bei vielen Schweißprozessen ist es nötig während des Schweißvorgangs den Anstellwinkel des, den Schweißstift führenden, Schweißschuhs, bzw. der Schweißschulter, entsprechend den Anforderungen die die jeweiligen Fügepartner stellen, rasch und präzise zu ändern. Da zu diesem Zweck die gesamte Maschine die den Prozess des Rührreibschweißens bewegt und steuert den notwendigen Änderungen mit ihrer gesamten Masse folgen muss, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die örtliche Verlagerung des für den FSW-Prozess notwendigen Schulter-Anstellwinkels aus der Maschine in den Schweißkopf bzw. das Reibwerkzeug zu verlagern.
De Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen im Patentanspruch 1.
Die Erfindung wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen im Einzelnen:
1: eine perspektivische Gesamtansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung
2: eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Reibschweißkopfes
3; eine Seitenansicht und eine Draufsicht von unten auf die Pin-Aufnahme zur Halterung des Schweißpins
4: eine nähere Ansicht der Pin-Aufnahme zur Halterung des Schweißpins
5: einen adaptiven Dichtungsring 36 im Bereich der Schweißschulter 17
Die 1 zeigt eine perspektivische Gesamtansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Der Grundkörper 1 der erfindungsgemäßen Portalschweißvorrichtung weist an der Oberseite zur Bewegung eines, die Aufhängung 10 eines Reibschweißkopfs 12 tragenden Brückenträgers 5, auf beiden Seiten des Brückenträgers 5 jeweils eine Längsführungs-Schiene 2 auf. Parallel zu der jeweiligen Längsführungs-Schiene 2 wird jeweils mittels einer Antriebs- und Verstellspindel 3 für die Längsverstellung des Brückenträgers 5 die Aufhängung 10 durch einen Antrieb 4 bewegt. Für die Querbewegung der Aufhängung 10 des Reibschweißkopfs 12 dient der Antrieb 6 der diese Bewegung mittels einer Antriebs- und Verstellspindel 7 über die gezeigten Schienen 11 umsetzt. Versorgungs- und Steuerleitungen 8 für den Betrieb der Portalschweißvorrichtung führen in die Aufhängung 10 und deren Vertikal-Verstellvorrichtung 9. Die Aufhängung 10 trägt eine Pin-Aufnahme 13 zur Halterung eines Schweißpins mit einer Schweißpin-Spitze 14. Ein Schweißtisch 15 dient zur Auflage und/oder Befestigung der zu verschweißenden Fügepartner.
Die 2 zeigt eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Reibschweißkopfes. Unterhalb des Reibschweißkopfs 12 befindet sich die Pin-Aufnahme 13 zur Halterung und Steuerung des Schweißpins. Die Schweiß-Schulter 18, mit der Schweißpin-Spitze 14 wird mittels einer scheibenförmigen Platte die als eine Schweißschulter-Aufnahme 17 mit einer kardanischen Aufhängung dient, durch mehrere Stelleinheiten 20 nahezu ohne Verzögerung präzise gesteuert. Diese Schweißschulter-Aufnahme 17 ermöglicht im Gegensatz zu der Anordnung einer konventionellen Zylinderbohrung zur Lagerung des sich drehenden Reibstifts eine Nickbewegung in jeder Raumrichtung. Während in der einfachsten Ausbaustufe der Schweißschulter-Aufnahme 17 eine solche Nickbewegung lediglich in der Richtung des Vorschubs möglich ist, also gewissermaßen sich während des Schweißvorgangs ein schleppender Anstellwinkel einstellt, zeigt die 2 eine weitere Ausbaustufe. In dieser weiteren Ausbaustufe der Schweißschulter-Aufnahme 17 kann die Fassung der scheibenförmigen Schulter sich in jede Raumrichtung neigen, also gewissermaßen eine taumelnde Bewegung ausführen. Die entsprechende Kraftübertragung auf die Schweiß-Schulter 18 erfolgt mittels vier, im Winkel von 90 Grad zueinander angeordneten, Zug- und Schubstangen 16. Nähere Einzelheiten sind der 3 zu entnehmen. Diese Bauform ist lediglich beispielhaft. So kann das Zusammenspiel der gezeigten Zug- und Schubstangen 16 mittels weiterer Zug- und Schubstangen 16, symmetrisch im Kreis angeordnet, ergänzt werden. Jedoch ist die Lagerung der scheibenförmigen Schulter nicht zwingend rotations-symmetrisch, da jede Schweißverbindung an die Beweglichkeit der Nickbewegungen des drehenden Reibstifts andere Anforderungen stellt. Insgesamt ermöglicht die erfindungsgemäße Scheibenform der Schweißschulter-Aufnahme 17 eine geringere Reibung und glattere Flächen der Schweißnaht. Jede Stelleinheit 20 weist Versorgungs- und Steuerleitungen 19 auf. Die 2a zeigt eine Detail-Darstellung einer Stelleinheit 20. Im Bereich einer Zug- und Schubstange 16 ist hier jeweils zur Bewegung einer solchen Zug- und Schubstange 16 ein, in zwei gegen einander gerichteten Richtungen bewegbarer, doppelt wirkender Kolben 34 angeordnet der mittels zweier, entsprechend ansteuerbarer, Steuerleitungen 35 in einem Hydraulikzylinder 33 tätig ist. Diese Anordnung ist lediglich beispielhaft. Es können natürlich auch elektrische Antriebe jeder Art Verwendung finden. Als weitere besondere Ausbauform ist für die Erwärmung der Schweiß-Schulter eine gesonderte Heizung vorgesehen.
Die 3 zeigt eine Seitenansicht und eine Draufsicht von unten auf die Pin-Aufnahme zur Halterung des Schweißpins. In der 3a ist eine Seitenansicht der Pin-Aufnahme 13 zur Halterung des Schweißpins zu sehen. Der jeweilige Haupt-Stellantrieb 21 für die Schubstangenbewegung einer Zug- und Schubstange 16 kann mittels einer Hydraulik-Vorrichtung erfolgen. Die Feinregulierung der Bewegung einer Schubstange 16 wird mittels einer Piezo-Einrichtung 22 gesteuert, wobei ein Druckmess-Sensor 23 für die Registrierung der auftretenden Kräfte dient. Die, von den vier Zug- und Schubstangen 16 auf vier Seiten mittels jeweils eines Gelenkhebels 24 bewegte Schweißschulter-Aufnahme 17 wird mittels eines, mittig um die Schweißpin-Spitze 14 gelagerten Feder-Packets 25 zentral an die Schweißschulter 18 gedrückt. Aus dem Wechselspiel der einerseits durch das Feder-Packet 25 aufgebrachten Druckkraft und den verschiedenen, von den vier Zug- und Schubstangen 16 aufgebrachten Gegenkräfte resultiert die kardanische Aufhängung der scheibenförmignen Platte der Schweißschulter-Aufnahme 17. Eine seitwärts an der Pin-Aufnahme 13 dargestellte Kamera 26 steht sinnbildlich für ein, nicht näher bezeichnetes System von Beobachtungs-Elementen einer gefertigten Schweißnaht.
In der 3b ist zentral die Schweißpin-Spitze 14 inmitten der Schweißschulter 18 mit dem Schweißpin 28 zu sehen, wobei die Schweißschulter 18 mittels den gezeigten Madenschrauben 27 befestigt wird. Alternativ ist hier eine dauerhafte Verbindung wie Löten oder Aufschrumpfen möglich.
Die 4: zeigt eine nähere Ansicht des Einsatzes der Pin-Aufnahme zur Halterung des Schweißpins.
In der 4a ist die Halterung während des Schweißvorgangs mit einem gekennzeichneten Fügepartner 29 gezeigt. In der 4b ist die Pin-Aufnahme (13) im Einsatz während eines Schweißvorgangs bei einer leicht schräg gestellten Schweißschulter-Aufnahme 17 mit der Schweißschulter 18 dargestellt. Auf der linken Seite ist hierbei ein Haupt-Stellantrieb 21 mit seiner zugehörigen Schub-Hubstange 16 in einer ausgefahrenen Stellung gezeigt, die eine leichte Neigung der Schweißschulter-Aufnahme 17 unter der Gegendruckwirkung des Feder-Packets 25 zur Folge hat. Der resultierende Neigungswinkel, bzw. Verstellwinkel 31 der Schweißschulter zur Oberfläche der Fügepartner darf hierbei maximal 2 bis 5 Grad betragen. In der Regel dürften bis 3 Grad Verstellwinkel 31 ausreichend sein. Der bezeichnete Gelenkhebelkopf 30 des hier sichtbaren Gelenkhebels ist in dieser Ansicht von vorne zu sehen. Die dargestellte Schweißpin-Spitze 14 führt von der gefertigten Schweißnaht 32 gemäß dem nach rechts zeigenden dick ausgeführten Bezugspfeil in den Bereich des Fügepartners 29. Zur Messung des Verstellwinkels 31 der Schweißschuh-Schulter sind dem Fachmann bekannte Mittel vorgesehen.
Die 5: zeigt einen adaptiven Dichtungsring 36 im Bereich der Schweißschulter-Aufnahme 17. In der 5a ist in der Mitte der Schweißschulter 18 dieser Dichtungsring 36 mit seinen, der Beweglichkeit der Schweißpin-Spitze 14 dienenden, abgerundeten Flanken zu erkennen. Die Schweißschulter-Aufnahme 17 und das Feder-Packet 25 im Bereich der Pin-Aufnahme 13 umschließen den Werkzeugschaft 39 zur Fassung der Schweißpin-Spitze 14. In der 5b ist der in der 5a in Richtung des Schnitts A-A gezeigte Querschnitt dargestellt. Die Schweißschulter 18 ist mit jeweils einer der gegenüber liegenden Klemmschrauben 37 an der Aufnahme 17 befestigt, während der adaptive Dichtungsring 36 mit einer Klemmschraube 38 befestigt wird. Alternativ ist hier eine dauerhafte Verbindung wie Löten oder Aufschrumpfen möglich.
Zu einer Steigerung der beim Rührreibschweißen maximal erreichbaren Vorschubgeschwindigkeit werden bevorzugt Hartmetall-Schultern mit einem hohen thermischen Leitwert verwendet. Bevorzugt werden Wolframcarbit-Kobalt Hartmetalle verwendet. Durch die Integration einer Heizung der Schweiß-Schulter wird eine wirkortgerechte Temperierung erreicht, sodass der Reibstift auch bei dynamischer Prozessführung nicht auf kaltes Material trifft, welches übermäßig hohen Schub und damit vorzeitiges Stiftversagen bewirken würde. Durch eine Montage der Schulterheizung zwischen der eigentlichen Schulter und dem zugehörigen Träger ist diese unabhängig vom verschleißenden Werkzeuganteil, wobei kein Wechsel oder ein Umbau erforderlich ist.
Als besondere Ausbauform kann vorgesehen sein, dass der Eintrag und der Austrag von Schweißgut mittels spaltförmigen Anordnungen im Bereich der Schweißpin-Spitze (14) während des Schweißvorgangs möglich ist.
Bezugszeichenliste

1: Grundkörper der Portalschweißvorrichtung
2: Längsführungs-Schiene
3: Antriebs- und Verstellspindel für die Längsverstellung
4: Antrieb der Längsverstellung
5: Brückenträger der Portalschweißvorrichtung
6: Antrieb für die Querbewegung der Aufhängung 10
7: Antriebs- und Verstellspindel für die Querbewegung
8: Versorgungs- und Steuerleitungen für den Betrieb
9: Vertikal-Verstell-Einrichtung für den Reibschweißkopf
10: Aufhängung des Reibschweißkopfs
11: Schienen zur Querführung der Portalschweißvorrichtung
12: Reibschweißkopf
13: Pin-Aufnahme zur Halterung des Schweißpins
14: Schweißpin-Spitze
15: Schweißtisch
16: Zug- und Schubstange der Stelleinheit 20
17: Schwellschulter-Aufnahme (scheibenförmige Platte mit kardanischer Aufhängung)
18: Schweiß-Schulter (Statonär-Schulter)
19: Versorgungs- und Steuerleitung der Stelleinheit 20
20: Stelleinheit zur Verstellung der Schweißschulter-Aufnahme-Scheibe 17
21: Haupt-Stellantrieb (z. B. Hydraulik) für die Schubstangenbewegung einer Zug- und Schubstange 16
22: Piezo-Feinregulierungs-Einrichtung einer Schubstange 16
23: Druckmess-Sensor
24: Gelenkhebel
25: Feder-Packet zum Spannungsaufbau an der Aufnahmescheibe 17 (z. B. Tellerfedern)
26: Kamera zur Mustererkennung für die Kontrolle der Schweißnaht
27: Madenschraube zur Befestigung des Schweißschuhs
28: Schweißpin
29: Fügepartner
30: Gelenkhebelkopf
31: Verstellwinkel des Schweißschuhs zur Oberfläche der Fügepartner (max-5 Grad)
32: Schweißnaht
33: Hydraulikzylinder
34: doppelt wirkender Kolben
35: Steuerleitung
36: adaptiver Dichtungsring
37: Klemmschraube zur Befestigung der Schulter
38: Klemmschraube zur Befestigung des Dichtungsrings 36
39: Werkzeugschaft zur Fassung der Schweißpin-Spitze 14

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

DE 102014004331 B3 [0003]

Claims

Vorrichtung zum nahezu verzögerungsfreien Ändern der Schweißrichtung der Schweißschulter einer Anlage zum Rührreibschweißen wenn die geometrische Anordnung der zu verschweißenden Fügepartner oder Materialunebenheiten dies erfordern, mit den folgenden Merkmalen: a) einem Grundkörper (1) mit einem Schweißtisch (15) und einem Brückenträger (5) zur Aufhängung (10) eines Reibschweißkopfes (12), wobei der Reibschweißkopf (12) horizontal und vertikal den gesamten Bereich des Schweißtisches (15) stufenlos überfahren kann, b) eine Pin-Aufnahme (13) zur Halterung und den Antrieb einer Schweißpin-Spitze (14) des Reibschweißkopfes (12), wobei die Schweißpin-Spitze (14) innerhalb einer Schweißschulter (18) geführt wird die kardanisch von einer mehrfach gelagerten und gesteuerten Schweißschulter-Aufnahme (17) bewegt werden kann, c) die Schweißschulter-Aufnahme, (17) wird an mehreren, im Winkel gegenüber liegenden Punkten von jeweils einem Haupt-Stellantrieb (21), die jeweils an dem Reibschweißkopf (12) angelenkt sind mittels jeweils einer Zug- und Schubstange (16) gegen den Druck eines zentral angreifenden Feder-Packets (25) gesteuert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer der Zug- und Schubstangen (16) der Haupt-Stellantrieb mit einer Piezo-Feinregulierungs-Einrichtung (22) versehen ist, wobei mittels eines Druckmess-Sensors (23) die jeweils wirkende Kraft überwacht wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Feder-Packet (25) aus einer Kombination von Federelementen und gesteuerten Piezo-Elementen besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte Schweißnaht mit mindestens einer Kamer (26) mit Mitteln zur Mustererkennung beobachtet wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Messung des Verstellwinkels (31) der Schweißschulter (18) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißschulter (18) beheizbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrag und der Austrag von Schweißgut mittels spaltförmigen Anordnungen im Bereich der Schweißpin-Spitze (14) während des Schweißvorgangs möglich ist.