DE60102963T2

DE60102963T2 - Drehendes Reibungschweissen

Info

Publication number: DE60102963T2
Application number: DE60102963T
Authority: DE
Inventors: Masakuni Kudamatsu-shi Ezumi; Kazushige Kudamatsu-shi Fukuyori; Tsuyoshi Kudamatsu-shi Mizusaki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-03-06
Filing date: 2001-02-15
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2021-02-16
Also published as: EP1132167B1; US20010019073A1; US20030205608A1; TW473411B; DE60102963D1; US20020079347A1; KR20010087185A; EP1293288A1; AU1834801A; US20020079352A1; CN1301176C; CN1583345A; AU756304B2; US6722555B2; EP1132167A3; EP1132167A2; US6786388B2; KR100481782B1; CN1192846C; JP3575748B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Reibrührschweißverfahren, einen durch Reibrührschweißen erzeugten Schweißkörper und eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens. Die Erfindung betrifft insbesondere das Schweißen mit einem kreisförmigen oder anderen Schweißweg in einer fortlaufenden Schleife.
Stand der Technik
Wie in der EP-A-0797043 gezeigt, ist das Reibrührschweißen ein Verfahren, bei dem durch Drehen eines runden Stabes (hier "rotierendes Werkzeug" genannt), der in die Schweißzone eingeführt wird, und Bewegen des rotierenden Werkzeugs längs der Schweißlinie die Schweißzone aufgeheizt, erweicht und plastisch fluidisiert wird und im festen Zustand geschweißt wird.
Das rotierende Werkzeug weist einen Abschnitt mit einem kleinen Durchmesser (hier "Stift" genannt) auf, der in die Schweißzone eingeführt wird, und einen Abschnitt mit einem großen Durchmesser (hier "Schulter" genannt), der sich an einem Ende des Abschnitts mit kleinem Durchmesser befindet. Der Abschnitt mit kleinem Durchmesser und der Abschnitt mit großem Durchmesser des rotierenden Werkzeugs liegen auf der gleichen Achse.
In der JP-A-11-197855, die als nächstliegender Stand der Technik betrachtet wird, ist ein Schweißverfahren beschrieben, bei dem die Schweißlinie von zwei Elementen eine Ringform (eine kreisförmige Form) hat. Nachdem der Beginn und das Ende der Schweißung sich überlappen, wird das Ende innerhalb oder außerhalb der Schweißlinie beendet. Wenn das Reibrührschweißen beendet wird und das rotierende Werkzeug von dem dem Schweißen unterworfenen Element zurückgezogen wird, bleibt daher ein dem Stift des rotierenden Werkzeugs entsprechendes Loch im Element, was zu Festigkeitsproblemen führt.
Außerdem wird das rotierende Werkzeug schräg zu der Oberfläche der Elemente eingesetzt. Die Neigungsrichtung relativ zur Bewegungsrichtung des rotierenden Werkzeugs ist so, daß der Stift des rotierenden Werkzeugs sich vor der Schulter des rotierenden Werkzeugs befindet. Mit anderen Worten ist das rotierende Werkzeug nach hinten geneigt, wie es in der EP-B-0752926 gezeigt ist. Bei dem Verfahren der JP-A-11-197855 wird das rotierende Werkzeug auf einem kreisförmigen Weg bewegt, diese Bewegung ist jedoch schwierig auszuführen. Um verschiedene Arten von kreisförmigen oder anderen schleifenförmigen Wegen zu erhalten, ist es vorstellbar, daß das Schweißen mit einer Werkzeugmaschine mit numerischer Steuerung ausgeführt wird. Bei dieser Werkzeugmaschine ist das zu schweißende Element an einem Tisch befestigt, das rotierende Werkzeug ist an einer Hauptwelle angebracht, die Hauptwelle ist geneigt, und die Hauptwelle wird längs des kreisförmigen Weges bewegt. Um in der kreisförmigen Bewegungsrichtung den vorgegebenen Neigungswinkel für die Hauptwelle aufrechtzuerhalten, ist es erforderlich, den Nei gungswinkel bei der Bewegung des Werkzeugs zu verändern, so daß die Erstellung des Programms nicht einfach ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Reibrührschweißverfahren zu schaffen, bei dem das Schweißen in einem Weg mit Ringform, z.B. einer Kreisform, oder einem Teilring oder einem Kreisbogen leicht ausgeführt werden kann.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Reibrührschweißen gemäß Patentanspruch 1 geschaffen.
Bevorzugte optionale Merkmale der Erfindung gemäß Patentanspruch 1 sind in den abhängigen Patentansprüchen genannt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden nun mit Bezug zu den beiliegenden Zeichnungen anhand nicht einschränkender Beispiele beschrieben. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht einer Reibrührschweißvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ein Flußdiagramm für den Schweißprozeß bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine Aufsicht auf Elemente vor dem Schweißen;
4 einen Längsschnitt durch die Ansicht der 3;
5 eine Aufsicht auf die Elemente nach dem Schweißen;
6 einen Längsschnitt längs der Linie VI–VI in der 5; und
7 den gleichen Längsschnitt wie in der 6 nach dem teilweisen Abschneiden des einen Elements nach dem Schweißen.
Beschreibung der Ausführungsformen
Anhand der 1 bis 7 wird nun das Reibrührschweißverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Die 1 zeigt allgemein eine Werkzeugmaschine 10 der Art mit numerischer Steuerung, die in der Regel ein Bearbeitungszentrum genannt wird. Die Werkzeugmaschine 10 umfaßt einen Tisch 20 zum Anbringen der Elemente, die dem Schweißvorgang unterworfen werden sollen, und eine drehbare Hauptwelle 30 für das Werkzeug, das das Schweißen ausführt. Die Werkzeugmaschine der Ausführungsform ist vom Typ mit seitlicher Achse, bei der die Achse der Hauptwelle 30 horizontal verläuft. Die Seite des Tisches 20, an der die zu verschweißenden Elemente angebracht werden, liegt daher in etwa vertikal, kann jedoch geneigt werden. Der Tisch 20 kann um seine im wesentlichen horizontale Mittelachse gedreht werden. Bei der Erfindung kann alternativ die Achse der Hauptwelle zum Beispiel auch vertikal verlaufen.
Am vorderen Ende der Hauptwelle 30 kann ein rotierendes Schneidwerkzeug und ein rotierendes Reibrührschweißwerkzeug 50 (in der 1 gezeigt) angebracht werden. Das vordere Ende des rotierenden Werkzeugs 50 ist auf einen seitlichen Abschnitt des Ti sches 20 gerichtet. Die Hauptwelle 30 kann sich längs ihrer Axialrichtung bewegen, und sie kann sich relativ zur axialen Richtung in der radialen Richtung bewegen.
Die Werkzeugmaschine 10 weist eine Werkzeugaufbewahrungsvorrichtung mit einer Anzahl von Schneidwerkzeugen und einer Anzahl von Reibrührschweißwerkzeugen und eine automatische Wechselvorrichtung zum Austauschen eines bestimmten Werkzeugs zwischen der Werkzeugaufbewahrungsvorrichtung und der Hauptwelle auf.
Ein Element 70, das geschweißt werden soll, wird auf die herkömmliche Weise am Tisch 20 befestigt. Das Element 70 weist an der Seite, die der Hauptwelle 30 gegenüberliegt, eine kreisförmige Ausnehmung 71 auf. Am Rand der Ausnehmung 71 befindet sich eine Stufe 72. Die Stufe 72 und die vordere Außenseite des Elements 70, die an die Stufe angrenzt, sind im wesentlichen parallel und flach und liegen senkrecht zu der Achse des kreisförmigen Weges, der zu schweißen ist.
An der Stufe 72 wird eine kreisrunde plattenförmige Abdeckung 76 aufgesetzt. Die vordere Außenseite des Elements 70 und die Außenseite der Abdeckung 76 sind bündig (koplanar). Zwischen dem kreisförmigen Umfang der Abdeckung 76 und dem kreisförmigen Umfang der Stufe 72 gibt es somit einen Zusammenstoßabschnitt, in dem das Reibrührschweißen erfolgt. Die Schweißlinie 79 ist damit ein Ring insbesondere in Kreisform. In der 5 ist eine Schweißnaht 79b zu sehen, die durch das Schweißen entsteht.
Der Zusammenstoßabschnitt zwischen dem Element 70 und der Abdeckung 76 wird zuerst in Abständen durch ein vorläufiges Lichtbogenschweißen verbunden. Nach dem vorläufigen Lichtbogenschweißen wird das Element 70 auf dem Tisch 20 befestigt, und das Reibrührschweißen wird ausgeführt. Nach dem Reibrührschweißen bildet der von der Ausnehmung 71 und der Abdeckung 76 gebildete Raum einen Kühldurchgang für ein herzustellendes Produkt. Der Einlaß und der Auslaß des Kühldurchgangs sind nicht gezeigt. Das Element 70 und die Abdeckung 76 bilden einen Teil einer Kühlvorrichtung. Das Material für das Element 70 und die Abdeckung 76 ist jeweils eine Aluminiumlegierung.
Der Tisch 20 kann um den Mittelpunkt der kreisförmigen Schweißlinie 79 als Rotationszentrum gedreht werden. Das rotierende Werkzeug 50, das an der Hauptwelle 30 befestigt ist, bewegt (dreht) sich nicht in der Umfangsrichtung der Schweißlinie 79. Durch das Drehen des Tisches 20 kann das rotierende Werkzeug 50 relativ zur Schweißlinie 79 bewegt werden.
Das rotierende Werkzeug 50, das an der Hauptwelle 30 befestigt ist, befindet sich in einer Position SOS, die eine Position in einer horizontalen Richtung der Schweißlinie 79 ist. In dieser Position SOS ist der Tisch 20 bezüglich der relativen Bewegungsrichtung des rotierenden Werkzeugs 50 beim Reibrührschweißen geneigt. Die Neigungsrichtung ist derart, daß in dieser Bewegungsrichtung der Stift 51 des rotierenden Werkzeugs 50 vor der Schulter 52 liegt (das heißt die Mittelachse des Stiftes bezüglich des Mittelpunktes der Schulter im allgemeinen vorne liegt). Wenn der Tisch ein Standardmodell ist, befindet sich in der Drehrichtung des Tisches 20 der axiale Mittelpunkt des rotierenden Werkzeugs an der Seite des Abschnitts 52 mit kleinem Durchmesser gegenüber der Seite des Abschnitts 51 mit großem Durchmesser des rotierenden Werkzeugs 50 weiter hinten. Der Neigungswinkel θ des Tisches 20 beträgt zum Beispiel drei (3) Grad. In der 3 und der 5 befindet sich das rotierende Werkzeug 50 in einer der horizontalen Positionen SOS der kreisförmigen Schweißlinie 79, und das der Tisch im Uhrzeigersinn gedreht wird, ist die obere Seite des Tisches (des Elements 70) relativ zu der unteren Seite vom rotierenden Werkzeug 50 weg geneigt.
Es wird nun der Schweißvorgang erläutert. Das Element 70, an dem die Abdeckung 76 durch das vorläufige Schweißen befestigt wurde, wird an dem Tisch 20 befestigt, der wie beschrieben um drei Grad geneigt. ist. Das rotierende Werkzeug 50 befindet sich in der vorgegebenen Position SOS. Während es durch die Hauptwelle 30 um seine eigene Achse gedreht wird, wird das rotierende Werkzeug 50 in axialer Richtung vorgeschoben, um den Stift 51 des rotierenden Werkzeugs 50 in den Zusammenstoßabschnitt zu bringen. Wenn das rotierende Werkzeug 50 um ein vorgegebenes Ausmaß eingeführt ist, wird der Vorschub gestoppt. Die Position SOS ist der Startpunkt des Schweißens (Schritt S11 in der
2).
Darin wird, während der Neigungswinkel von 3 Grad aufrechterhalten wird, der Tisch 20 gedreht. Die Drehrichtung des Tisches 20 ist eine Linksdrehung (Schritt S13). Der Mittelpunkt der Drehung des Tisches 20 ist der Mittelpunkt der Schweißlinie 79. Entsprechend bewegt sich das rotierende Werkzeug 50 relativ entlang der Schweißlinie 79, und der Zusammenstoßabschnitt wird durch das Reibrührschweißen auf dem kreisförmigen Weg geschweißt, um die Schweißnaht 79b zu bilden.
Die Drehung des Tisches 20 wird fortgesetzt, auch wenn sich der Tisch um 360 Grad gedreht hat, so daß vom Startpunkt SOS an das Reibrührschweißen erneut ausgeführt wird. Wenn sich der Tisch 20 um einen vorgegebenen Winkel von 360 Grad + α gedreht hat, wird die Hauptwelle 30 in der radialen Richtung aus der kreisförmigen Schweißlinie 79 heraus bewegt (Schritt S 15), während der Tisch 20 seine Drehung fortsetzt. Der Neigungswinkel θ des Tisches wird nicht verändert. Entsprechend wird außerhalb der Linie 79 eine bogenförmige Schweißnaht 79c gebildet. Der Neigungswinkel θ des rotierenden Werkzeugs 50 bezüglich der relativen Bewegungsrichtung des rotierenden Werkzeugs 50 vom Winkel 360 Grad + α an (von wo sich die Hauptwelle 30 in radialer Richtung zu bewegen beginnt) muß die oben angegebenen drei Grad betragen. Da dieser Abschnitt nicht der Abschnitt ist, der dem Reibrührschweißen unterworfen wird, ist kein normales Präzisions-Reibrührschweißen erforderlich.
Wenn sich das rotierende Werkzeug 50 zu einer vorgegebenen Position 50E bewegt hat, wird die Hauptwelle 30 (mit dem rotierenden Werkzeug 50) zurückgezogen und das Werkzeug 50 axial vom Element 70 weggezogen. Die Rückziehposition der Hauptwelle 30 wird in Abhängigkeit von der Bewegung der Hauptwelle 30 beurteilt, sie liegt innerhalb des Außendurchmessers des Elements 70. An der Stelle (dem Endpunkt des Schweißens), von der das rotierende Werkzeug 50 vom Element 70 zurückgezogen wird, verbleibt ein Loch 55, das dem Außendurchmesser des Stifts 51 des rotierenden Werkzeugs 50 entspricht.
Nachdem das Reibrührschweißen beendet ist, wird das Element 70 abgenommen, und mit einer anderen Werkzeugmaschine wird der unerwünschte Abschnitt des Elements 70 an der Linie 74 in den 5 und 6 in einem Kreis außerhalb der kreisförmigen Schweißlinie 79 abgeschnitten (Schritt S21). Dadurch wird das Loch 55 entfernt. Wenn am Schweißabschnitt Grate entstanden sind oder Vertiefungen, wird die Oberseite in der 6 z.B. durch Schneiden oder Schleifen bearbeitet. Im Ergebnis wird das Loch 55 im Schweiß-Endabschnitt entfernt, und die geschweißte Seite wird flach gemacht, so daß ein gutes Erscheinungsbild für das Produkt erhalten werden kann.
Bei diesem Verfahren ist es nicht nötig, das rotierende Werkzeug 50 zu neigen und das rotierende Werkzeug 50 auf einem kreisförmigen Weg zu bewegen. Auch mit einer Werkzeugmaschine, deren Hauptwelle 30 nicht geneigt werden kann, kann so das Reibrührschweißen ausgeführt werden. Aber auch wenn die Hauptwelle 30 geneigt werden kann, ist es nicht erforderlich, ein Programm auszuarbeiten, um den vorgegebenen Winkel θ auf dem kreisförmigen Weg aufrechtzuerhalten. Entsprechend kann mit der vorliegenden Erfindung das Reibrührschweißen unter Verwendung einer vorhandenen Werkzeugmaschine mit geringen Unkosten und leicht ausgeführt werden.
Das Schneiden des Werkstücks nach dem Schweißen kann so erfolgen, wie es erforderlich ist. Zum Beispiel kann das Loch 55 am Endpunkt des Schweißens mit einem Bohrer durchgebohrt werden, wobei das Loch als Loch für eine Schraube oder dergleichen ausgebildet werden kann. Alternativ kann das Loch 55 durch TIG-Schweißen (Wolfram-Inertgasschweißen) vergraben werden, und die geschweißte Seite wird abgeschnitten. Der Schweißstab für das TIG-Schweißen kann aus dem gleichen Material wie das Element 50 sein, so daß die Schweißung am Loch kaum zu sehen ist, auch wenn es keine Beschichtung gibt.
An der Seite zur Hauptwelle 30 hin kann ein optischer Sensor zum Erfassen der Position des Zusammenstoßabschnittes vorgesehen sein, wobei das Ausgangssignal dieses Sensors zum Bewegen der Hauptwelle 30 verwendet wird. Die Bewegungsrichtung der Hauptwelle 30 ist senkrecht zur Bewegungsrichtung aufgrund der Drehung des Tisches 20. Entsprechend kann, auch wenn die Genauigkeit des ersten Elements 70 und des zweiten Elements 76 im Zusammenstoßabschnitt (an der Verbindungslinie 79) gering ist, der axiale Mittelpunkt des rotierenden Werkzeugs 50 in die Mitte des Zusammenstoßabschnitts gelegt werden.
Die Schweißlinie kann kreisförmig sein, eine Ringform (kontinuierlich) haben, eine gekrümmte Linie sein (die gerade Abschnitte enthalten kann), eine nicht-kontinuierliche kreisförmige Linie sein und eine nicht-kontinuierliche frei gekrümmte Linie. Bei einer frei gekrümmten Linie kann der Tisch 20 mit dem Mittelpunkt des kreisförmigen Bogens des Schweißabschnitts als Mittelpunkt gedreht und auf eine lineare Weise bewegt werden. Da die Werkzeugmaschine von der numerisch gesteuerten Art ist, kann das Schweißen ent sprechend den verschiedenen gekrümmten Linien leicht ausgeführt werden. Das Loch 55 am Endpunkt des Schweißens kann bei einer kreisförmigen Linie durch Schweißen oder Löten vergraben werden. Außerdem ist es möglich, ein ringförmiges Schweißen auszuführen, bei dem die Schweißlinie zum Beispiel vier lineare (gerade) Seiten umfaßt. In diesem Fall wird zum Schweißen von jeder der vier Seiten der Tisch linear bewegt. Für das Schweißen der Verbindungsstücke der Seiten oder von kleinen Kreisbogenabschnitten in der Umgebung der Verbindungsstücke wird der Tisch 20 gedreht.
Anstelle des Schweißens an einem Zusammenstoßabschnitt können auch zwei sich überlappende Elemente verschweißt werden. Es kann eine Werkzeugmaschine des Longitudinaltyps verwendet werden.
Wenn die Schweißlinie einen Endpunkt aufweist, der innerhalb der kreisförmigen Schweißlinie liegt, kann zum Beispiel die Innenseite durch einen Senkbohrprozeß entfernt werden.
Das rotierende Werkzeug 50 ist relativ zur Bewegungsrichtung geneigt, und die Drehung für die relative Bewegung wird vom Tisch 20 ausgeführt. Da die Neigung des rotierenden Werkzeugs 50 und die Kreisbewegung des rotierenden Werkzeugs 50 getrennt sind, läßt sich das Schweißen mit geringen Unkosten und leicht ausführen.
Nach dem Ende des Reibrührschweißens kann, während das Element 70 noch am Tisch 20 befestigt ist, mit einer automatischen Austauschvorrichtung zwischen der Hauptwelle 30 und einer Werkzeugaufbewahrungsvorrichtung das rotierende Werkzeug 50 an der Hauptwelle 30 gegen ein rotierendes Schneidwerkzeug ausgetauscht werden. Durch Drehen des Schneidwerkzeugs wird der nicht benötigte Abschnitt des Werkstücks abgeschnitten. Wenn das Reibrührschweißen nach einem solchen Schneiden ausgeführt wird, haben das Öl für das Schneiden und das Öl zum Reinigen nach dem Schneiden einen ungünstigen Effekt auf das Reibrührschweißen. Durch die Resteentfernung kann auch die Kombinationsgenauigkeit für die beiden Element schlecht werden. Wenn jedoch das Schneiden nach dem Reibrührschweißen erfolgt, werden diese Probleme vermieden. Wenn das Schneiden der beiden Elemente vor dem Reibrührschweißen an einer anderen Maschine erfolgt, läßt sich möglicherweise das Schneidöl ausreichend entfernen. Anstelle des Schneidens kann auch das Loch 55 während des Zurückziehens des rotierenden Werkzeugs 50 und durch einen Gewindeschneidprozeß auf einen gewünschten Durchmesser aufgeweitet werden.
Bei einem anderen Verfahren wird das Reibrührschweißen von zwei Elementen mit einem ersten rotierenden Werkzeug ausgeführt, dann wird das rotierende Werkzeug zwischen der Hauptwelle und der Werkzeugaufbewahrungsvorrichtung ausgetauscht, und das Reibrührschweißen an einem zweiten Schweißabschnitt der Elemente wird mit einem zweiten rotierenden Werkzeug ausgeführt.

Claims

Reibrührschweißverfahren, in dem Elemente (70, 76), die an einem Halter (20) befestigt sind und wenigstens teilweise koplanare, in einander gegenüberliegenden Kantenflächen endende Flächen aufweisen, fortlaufend längs einer Schweißlinie (79), die auf den koplanaren Flächen an den einander gegenüberliegenden Kantenflächen verläuft, mittels eines Werkzeugs (50) reibrührgeschweißt werden, das um eine Achse rotiert, an den einander gegenüberliegenden Kantenflächen eingesetzt wird und einen Endabschnitt (51) mit kleinem Durchmesser sowie einen Abschnitt (52) mit großem Durchmesser angrenzend an den Endabschnitt aufweist, wobei beide Abschnitte (51, 52) koaxial zu der Achse sind, und wobei während des Reibrührschweißens die Achse des Werkzeugs (50) relativ zu der Schweißlinie (79) so geneigt ist, daß der Endabschnitt (51) in Richtung der Schweißlinie (79) bezüglich des Abschnitts (52) mit größerem Durchmesser vorgeschoben ist, und der Halter (20) während wenigstens eines Teils der Reibrührschweißung um eine zweite Achse gedreht wird, die senkrecht zu den koplanaren Flächen steht und relativ zu der Achse des Drehwerkzeugs (50) geneigt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Drehung des Halters (20) einen Vorschub des Werkzeugs (5) längs der Schweißlinie bewirkt, während die Neigung der Achse des Werkzeugs (50 relativ zu der Schweißlinie konstant gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Achse des Werkzeugs (50) vertikal oder horizontal ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Werkzeug (50) auf einer Werkzeugantriebswelle einer Werkzeugmaschine (30) mit numerischer Steuerung befestigt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei während der Reibrührschweißung eine lineare Bewegung des Halters (20) relativ zu der Achse des Werkzeugs (50) zusätzlich zu der Drehbewegung des Halters (20) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die lineare und die Drehbewegung des Halters (20) unabhängig oder getrennt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der zu schweißende Bereich mittels eines relativ zu der Achse des Werkzeugs befestigten Sensors erfaßt und die Achse des Werkzeugs (50) und der Halter (20) relativ bewegt werden, um das Werkzeug (50) in Abhängigkeit von dem Sensor-Ausgangssignal zu bewegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Achse des Werkzeugs (50) und die Drehachse des Halters (20) zueinander in einem Winkel von nicht mehr als 10° geneigt sind.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Achse des Werkzeugs (50) und die Drehachse des Halters (20) zueinander in einem Winkel von 1° bis 5° geneigt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Schweißlinie in einer Ebene verläuft, zu der die Drehachse des Halters (20) senkrecht steht.