DE69902164T2

DE69902164T2 - Oszillierende reibungschweissanlage

Info

Publication number: DE69902164T2
Application number: DE69902164T
Authority: DE
Inventors: Frederic Bishofberger; James Heideman; Narasimhamurthy Ranganathan; Winton Scott; Brian Smith; Michael Thessin
Original assignee: RJ Tower Corp
Current assignee: RJ Tower Corp
Priority date: 1998-05-14
Filing date: 1999-05-13
Publication date: 2002-11-14
Anticipated expiration: 2019-05-14
Also published as: WO1999058288A1; CA2321415A1; WO1999058288A8; US6053391A; EP1077787A1; JP2002514512A; EP1077787B1; DE69902164D1; BR9910045A; KR20010052329A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Rührreibschweißwerkzeuge gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 (siehe z. B. EP-A-0 810 056). Genauer betrifft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Stiftprofil für die Spitze eines Rührreibschweißwerkzeuges.
Rührreibschweißen (Friction Stir Welding ("FSW")) ist eine Schweißtechnik, die erst kürzlich entwickelt worden ist. Diese Technik wurde hauptsächlich zum Schweißen von Metallen und Legierungen entwickelt, die bisher unter Verwendung von traditionelleren Schmelztechniken schwieriger zu schweißen waren. Aluminium und Aluminiumlegierungen sind besonders schwer zu schweißen, was ein Schutzgas für das Schweißbad und besondere Wärmequellen erfordert, und sie machen es erforderlich, daß die Oxidschicht vor oder während des Schweißprozesses abgestriffen wird. Zusätzlich unterliegen Aluminium und seine Legierungen Fehlstellen- und Erstarrungsrißdefekten, wenn sie aus einer Flüssigkeit abkühlen. Demzufolge ist zum Herstellen von großen Platten aus Aluminium und Aluminiumlegierungen die Wahl auf die Extrusion für die Herstellung gefallen. Jedoch haben selbst Extrusionstechniken Größenbeschränkungen. FSW ist, als eine mechanische Rührtechnik, eine Festfasenschweißtechnik, die ein einfaches und effizientes Verfahren zum Erzielen von befriedigenden Schweißungen bei Verwendung von Aluminium und seinen Legierungen ist.
Die Rührreibschweißtechnik verwendet ein rotierendes, mit einer Schulter versehenes zylindrisches Werkzeug mit einem vorragenden distalen Stift zur Erzeugung von mechanischer Reibung in dem Metall, das sich mit dem schnell rotierenden zylindrischen Stiftwerkzeug in Kontakt befindet. Diese mechanische Reibung plastifiziert das Metall. Für FSW werden die zu schweißenden Stücke an eine Stützplatte geklemmt, wobei die Stoßflächen sich dicht angrenzend befinden. Der Stift des sich schnell drehenden zylindrischen Werkzeugs wird mit dem Metall in Kontakt gebracht und für Stoßnahtschweißen mit der Mittellinie der Naht zentriert. Dieser Kontakt erzeugt schnell Reibungswärme, die das Metall plastifiziert, und der Stift wird langsam in die Verbindungslinie eingetaucht, bis die Schulter des zylindrischen Werkzeugs die Oberfläche des Metalls berührt. Auf dieser Stufe liegt eine wesentliche Menge von plastifiziertem Metall in einer Säule um den rotierenden Stift unter der Schulter des Zylinders vor. Die Parameter für die Technik, wie z. B. die Stiftrotationsgeschwindigkeit, Größe der Schulter im Verhältnis zum Stiftdurchmesser, Eintauchkraft und Translationsgeschwindigkeit des Stiftes, werden so ausgewählt, daß eine ausreichende Menge von Metall gerührt wird und die Temperatur des Metalls unter der Schmelztemperatur des Metalls bleibt.
Der Stift wird dann relativ zum Werkstück entlang der Linie der Verbindung bewegt. Wenn sich der rotierende Stift bewegt, wird das plastifizierte Metall zur Rückseite des Stiftes extrudiert, während es einem mechanischen Rühr- und Schmiedevorgang unterliegt, der von dem Stiftoberfächenprofil beigebracht wird und von oben durch den Druck begrenzt wird, der von der Schulter des zylindrischen Werkzeuges auf das Material ausgeübt wird. Auf die Vorderseite des Stiftes treffendes Metall wird zerdrückt, erwärmt und plastifiziert, nur um zur Rückseite extrudiert zu werden, wenn der Stift die Verbindungslinie voranschreitet. Somit zerdrückt FSW Metall entlang der Verbindungslinie, wodurch der Oxidfilm aufgebrochen wird, und rührt es das plastifizierte Metall auf der Hinterseite des Stiftes unter der Schulter des zylindrischen Werkzeuges, wo das Metall beginnt, sich abzukühlen, was eine Schweißung bildet. Da das Metall auf einen Punkt unter dem Schmelzpunkt erwärmt wird, ist dies eine Festphasenschweißung.
Rührreibschweißen vermeidet mehrere Nachteile des Schmelzschweißens, wie z. B. Schutzgaslichtbogenschweißen. Schmelzschweißen erfordert es, daß das Metall verflüssigt wird, was ein Schmelzbad bildet, das danach zu einer Schweißwulst abkühlt, womit man Gefahr läuft, daß Fehlstellen und Risse erzeugt werden. Zusätzlich werden Metalldämpfe abgegeben, und im Falle von Legierungen ist es sehr wahrscheinlich, daß die Metallzusammensetzung der Schweißung sich im Vergleich zur nativen Legierung wegen unterschiedlicher Verdampfungsverluste der Legierungsbestandteile ändert. Die Schmelzschweißtechniken können auch zu einer Ausscheidung der Legierungsbestandteile führen. Im Falle von schwierigen Metallen, wie z. B. Aluminium, ist auch eine Abschirmung aus Schutzschweißgas erforderlich. Das Rührreibschweißen erfordert kein Hinzufügen von Füllern oder anderen Verbrauchsmaterialien, wie dies einige Schmelzschweißtechniken machen. Zusätzlich weist FSW im Vergleich mit Schutzgaslichtbogenschweißen auch eine höhere Schweißfestigkeit und Dauerfestigkeit auf.
Das US-Patent 5,460,317 mit dem Titel REIBSCHWEIßEN, das für Thomas et. al am 24. Oktober 1995 erteilt worden ist, offenbart ein Verfahren zum Rührreibschweißen unter Verwendung eines sich drehenden zylindrischen Werkzeugs mit einem Stift bzw. einer oszillierenden abgeflachten Klinge zum Schweißen. Die beschriebenen Stifte sind mit Ausnahme einer Ausführungsform, die einen Stift offenbart, der eine komplexe Oberflächentopographie zur Bildung eines lokalen plastifizierten Gebietes in einer einzigen örtlichen Lage mit dem Zweck, den Stöpsel an seinen Platz lassen, um die "Fleck"- Schweißung zu vervollständigen, im allgemeinen glatt.
Die europäische Veröffentlichung Nummer 0810056 A2, die als der nächstkommende Stand der Technik angesehen wird, offenbart ein Rührschweißwerkzeug zum Miteinanderverschweißen wenigstens zweier Metallwerkstücke an einer Verbindung. Das Werkzeug umfaßt einen Zylinder, der an einem Motorantrieb anbringbar ist, und einen im wesentlichen zylindrischen Stift, der von dem Zylinder vorragt.
Im allgemeinen hat die Leistung des Rührreibschweißens die herkömmlicheren Schmelzschweißtechniken traditionell zugeordnete Leistung überschritten. In einer wissenschaftlichen Veröffentlichung von Midling, Ole T. und Johansen, Helge G., mit dem Titel "Production of vide aluminium profiles by solid state friction stir welding" als eine Präsentation beim Sixth International Aluminium Technology Seminar and Exposition, Seiten 1-10 (Chicago, IL., Mai 1996), erörtern die Autoren das Rührreibschweißen im Vergleich mit traditionelleren Schweißverfahren. Die mechanischen Eigenschaften der Schweißungen werden für eine Zahl von unterschiedlichen Aluminiumlegierungen verglichen, was eine überlegene Leistung hinsichtlich der Schweißfestigkeit sowohl für Biegen als auch Spannung beweist. Die Autoren merken auch an, daß das Profil der Stiftoberfläche zum Steuern des Grades des Mischens und letztendlich der Festigkeit der Schweißung wichtig ist. Die Autoren beschreiben ein Stiftprofil mit zwei Umfangsflossen, die von der Mitte des Stiftes vorragen.
In einem Artikel mit dem Titel "Friction Stir Process Welds Aluminium Alloys" von C. J. Dawes und W. M. Thomas, Welding Journal; Band 75, Nr. 3, S. 41-45 (März 1996) diskutieren die Autoren Rührreibschweißversuche, die an zahlreichen Aluminiumlegierungen, einschließlich Aluminium und Kupfer, Aluminium und Magnesium, und Alumnium, Magnesium und Siliziumlegierungen, durchgeführt worden sind. Sie konnten beweisen, daß Rührreibschweißen Metalle schweißen kann, die andernfalls mit Schmelzschweißtechniken nicht geschweißt werden könnten. Diese Schweißungen weisen hohe Bindefestigkeiten auf und leiden nicht unter Porosität. Zusätzlich ermöglicht ein Festphasenschweißen das Beibehalten der metallurgischen Eigenschaften der Legierungen, da keine Verdampfung von Zusammensetzungskomponenten stattfindet, wie dies beim Schmelzschweißen stattfinden würde. Zusätzlich beschrieben die Autoren die zusätzlichen Vorteile des Schweißens von verschiedenen Materialien und der Möglichkeit, viele unterschiedliche Komponentengestalten zu schweißen, was normalerweise nicht praktikabel bzw. kosteneffizient entweder zu extrudieren, zu gießen oder unter Verwendung von Schmelzschweißtechniken herzustellen wäre.
Rührreibschweißen ist zur Verwendung mit einer Zahl von Verbindungskonfigurationen geeignet, die einschließen: zweiseitigen Stoß, kombinierten Stoß und Überlapp, Einzelüberlappung, Mehrfachüberlappung, dreistückigen T-Stoß, zweistückigen T-Stoß und Randstoß. Von diesen Verbindungen weisen der zweiseitige Stoß; der Stoßbereich des kombinierten Stoßes und Überlapps und der dreistückige T-Stoß Verbindungsflächen auf, die parallel zur Achse des Rührstiftes verlaufen. Die Mischtätigkeit von Seite zu Seite und von oben nach unten wird recht gleichförmig und symmetrisch bleiben, solange die Parameter für das Schweißen konstant gehalten werden und, für Stoßverbindungen, wenn der Stift auf der Mittellinie der Verbindung bleibt.
Für Überlappungsverbindungen werden die Stoßflächen der Verbindung sich quer zur Achse des Rührstiftes befinden und muß das Mischen in den Aufwärts- und Abwärtsrichtungen durchgeführt werden. Gegenwärtig wird bei der Praktizierung von FSW ein Stift mit einem Oberflächenprofil verwendet, das mit dem Gewinde eines Bolzens, noch eher mit dem Ende einer Maschinenschraube, übereinstimmt. Diese Stifte erfahren Schwierigkeiten, wenn versucht wird, eine Überlappungsverbindung zu schweißen. Die anzutreffende Schwierigkeit ist die Grenzflächenverformung, die graphisch in der Fig. 1 durch den Buchstaben "D" gezeigt ist. Man sollte beachten, daß die Verformung auch nichtsymmetrisch von Seite zu Seite ist. Mit der Grenzflächenverformung sind die Stoßflächen der zu schweißenden Stücke in einer Richtung verformt worden, ohne daß ein Schmelzen zwischen den Stücken in diesem Gebiet auftritt. Dieses Gebiet ist auch auf dem Fachgebiet als eine Verdünnungsverbindung bekannt. Diese Verformung führt effektiv zu einer Verdünnung des beeinflußten Stückes, die in der Darstellung durch den Buchstaben "T" angemerkt ist. Die Verdünnung schwächt das Stück wesentlich, insbesondere, wenn eine abziehende Scherkraft auf das Werkstück ausgeübt wird. Ein Umdrehen der Drehrichtung des Rührstiftes korrigiert dies nicht. Stattdessen tritt die Verformung in der entgegengesetzten Richtung auf.
Demgemäß ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein mit einer Schulter versehenes zylindrisches Rührstiftwerkzeug bereitzustellen, das ein adäquates Reibrührschweißen für alle Verbindungskonfigurationen bewerkstelligen kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein komplexes Rührstiftprofil bereitzustellen, das zum Erzielen eines adäquaten Rührreibsschweißens für alle Verbindungskonfigurationen geeignet ist.
Die vorliegende Erfindung offenbart ein Rührschweißwerkzeug gemäß Anspruch 1.
Der Stift ist vorzugsweise ein im wesentlichen zylindrischer Stift, der von der distalen Schulterfläche vorragt und eine sich gemeinsam mit der Zylinderlängsachse erstreckende Längsachse aufweist. Es sind weitere allgemeine Gestalten für den Stift in der vorliegenden Erfindung ins Auge gefaßt. Alternative Gestalten schließen kegelstumpfförmige, umgekehrte kegelstumpfförmige, kugelförmige und birnenförmige Gestalten ein.
Das komplexe Oberflächenprofil umfaßt wenigstens einen im wesentlichen rhomboidisch gestalteten Vorsprung, der radial von der Oberfläche des Stiftes vorragt. Es versteht sich für die Zwecke dieser Offenbarung, daß ein Rhombus als eine geometrische Gestalt als eine Untergruppe der größeren Gruppe von Rhomboidgestalten anzusehen ist. Vorzugsweise gibt es mehrere Vorsprünge, die gleichmäßig um die Oberfläche des Stiftes beabstandet sind. Die Gestalt des Vorsprunges diejenige eines Rhombus aber Rhomboidgestalten, die nicht parallelogrammartige Rhomboidgestalten einschließen, werden von der vorliegenden Erfindung auch vorweggenommen.
Zweckmäßigerweise umfaßt der Vorsprung wenigstens vier rhomboidisch gestaltete Vorsprünge, die gleichmäßig auf dem Stift beabstandet sind. Die Gestalt des Vorsprunges ist vorzugsweise diejenige eines Rhombus, aber Rhomboidgestalten sind auch von der vorliegenden Erfindung ins Auge gefaßt, die nicht parallelogrammförmige Rhomboidgestalten einschließen.
Die vorliegende Erfindung faßt auch ein Rührschweißwerkzeug ins Auge, das einen im wesentlichen zylindrischen Stift aufweist, der von der distalen Schulterfläche vorragt, die eine sich mit der Zylinderlängsachse gemeinsam erstreckende Längsachse aufweist und vorzugsweise wenigstens eine spiralförmig verlaufende erste Nut und wenigstens eine entgegengesetzt spiralförmig verlaufende zweite Nut in der Stiftoberfläche aufweist. Die vorliegende Erfindung faßt auch die Verwendung von mehr als einer Nut ins Auge, die in derselben Richtung spiralförmig verläuft. Die parallelen Nuten können winkelförmig relativ zueinander um die Oberfläche des Stiftes beabstandet sein, was zu den Rhombus- und Rhomboidgestalten führt.
Gemäß dieser Erfindung wird ein Rührschweißwerkzeng bereitgestellt, das zum mechanischen Ineinandergreifen, reibenden Erwärmen und Festphasenschweißen wenigstens zweier Metallwerkstücke an einer Verbindung geeignet ist, wobei das Rührschweißwerkzeug einen Zylinder, der in der Nähe eines Motorantriebs anbringbar ist und eine Längsachse und eine distale Schulter und Schulterfläche aufweist; einen im wesentlichen zylindrischen Stift, der von der distalen Schulterfläche vorragt und eine sich mit der Zylinderlängsachse gemeinsam erstreckende Längsachse aufweist; und durch wenigstens einen im wesentlichen rhomboidisch gestalteten Vorsprung gekennzeichnet ist, der radial von der Oberfläche des Stiftes vorragt.
Zweckmäßigerweise kann das Rührschweißwerkzeug ferner eine spiralförmig verlaufende erste Nut in der Stiftoberfläche und eine entgegengesetzt spiralförmig verlaufende zweite Nut in der Stiftoberfläche aufweisen, wodurch besagter Vorsprung bereitgestellt wird.
Vorzugsweise sind die erste Nut und die zweite Nut über den Umfang 180º relativ zueinander verschoben.
Alternativ sind die erste Nut und die zweite Nut über den Umfang weniger als 180º relativ zueinander verschoben.
Zweckmäßigerweise weisen die erste Nut und die zweite Nut dieselbe Steigung auf.
Alternativ weisen die erste Nut und die zweite Nut eine unterschiedliche Steigung auf.
Zum leichteren Verständnis der Erfindung und damit weitere Merkmale derselben anerkannt werden können, wird die Erfindung nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Rührreibschweißung für eine Überlappungsverbindung ist, die mit einem Rührschweißwerkzeug im Stand der Technik hergestellt ist, wobei das Punktierte das Gebiet mit gemischtem Metallmaterial wiedergibt;
Fig. 2 eine Seitenhöhenansicht eines Teils eines mit einer Schulter versehenen zylindrischen Rührschweißwerkzeuges mit einer Ausführungsform mit einem vorragenden Stift der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 3 eine Seitenhöhenansicht eines Teils des in Fig. 2 gezeigten mit einer Schulter versehenen zylindrischen Rührschweißwerkzeuges ist, das nahezu 90º gedreht worden ist; und
Fig. 4 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Rührreibschweißung ihr eine Überlappungsverbindung ist, die mit einem Rührschweißwerkzeug der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, wobei das Punktierte das Gebiet mit gemischtem Metallmaterial wiedergibt.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 ist dort ein Rührschweißwerkzeug 10 als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung offenbart. Das Rührschweißwerkzeug 10 enthält einen Zylinder 12 und einen distal vorragenden Stift 14. Der Zylinder 12 enthält einen proximalen Teil 16 und eine distale Schulter 18. Das proximale Ende 16 faßt die Verwendung von Befestigungsmechanismen, nicht gezeigt, ins Auge, die den Zylinder 12 an irgendeiner Zahl von geeigneten Drehmotorantrieben anbringen. Vorzugsweise sind die Antriebe an einen Gelenkarm montiert, der eine Druckkraft im allgemeinen in der axialen Richtung des Zylinders 12 liefern kann, und bewegen sie den Zylinder 12 entlang der Linie der Verbindung. Idealerweise ist der Zylinder 12 in der Nähe eines Motorantriebsteils eines vollautomatisierten und vollgelenkigen Roboterarms angebracht. Der Motorantrieb kann das Rührschweißwerkzeug 10 drehen, während der Roboterarm das Rührschweißwerkzeug 10 entlang der zu schweißenden Verbindung translatorisch bewegt.
Die Breite des Zylinders 12 an der distalen Schulter 18 spielt eine wichtige Rolle in dem Rührreibschweißprozeß. Wie erörtert und auf dem technischen Gebiet allgemein bekannt ist, nimmt die Schulter eines Rührschweißwerkzeuges auf mehrere Arten an dem Prozeß teil. Die wichtigeren Beiträge zum Prozeß durch die Schulter bestehen darin, daß ein Begrenzungsdruck auf das plastifizierte Material ausgeübt wird und ein adäquates Wärmeniveau in dem plastifizierten Material aufrechterhalten wird, was dafür sorgt, daß ein ausreichendes Mischen stattfindet. Zusätzlich begrenzt die Schulter das verschobene Material auf das Schweißgebiet und glättet sie das Gebiet der Schweißung, was zu einer vorteilhaften kosmetischen Erscheinung beiträgt. Wie in den Figuren gezeigt, ist die Schulterfläche konturiert, was einen flachen Hohlraum erzeugt, wie es durch die Phantomlinien gezeigt ist. Im allgemeinen ist der Durchmesser der Schulter eines Zylinders, wie z. B. Zylinder 12, das anderthalb bis vierfache des Durchmessers des Stiftes.
Das zylindrische Profil des Stiftes 20 enthält ein komplexes Profil, das mehrere rhombusförmig gestaltete Vorsprünge 20 umfaßt. Jeder Vorsprung kann alternativ von einer spiralförmig verlaufenden ersten Nut 22 und einer entgegengesetzt spiralförmig verlaufenden zweiten Nut 24 definiert sein. Die ersten und zweiten Nuten 22, 24 können ähnlich wie beim Schneiden von neuen Gewinden für eine Schraube in die Oberfläche des Stiftes 14 gestanzt sein. Alternativ kann die Oberfläche des Stiftes 14 einer Prägeprozedur unterzogen werden, um die rhomboidförmig gestalteten Vorsprünge auf seiner Oberfläche als Teil eines Spritzprozesses zu plazieren. Alternativ kann die Ausbildung des rhomboidförmig gestalteten Vorsprunges auch durch Schmiedeherstellverfahren erzielt werden.
Die Vielzahl von Vorsprüngen 20 kann durch die Erzeugung von spiralförmig verlaufenden Nuten, ähnlich wie Gewinde, mit wenigstens einer in einer ersten Richtung spiralförmig verlaufenden Nut und wenigstens einer entgegengesetzt spiralförmig verlaufenden Nut in der entgegengesetzten Richtung ausgebildet werden. Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, befinden sich die ersten und zweiten Nuten 22 und 24, gemessen durch die Winkeldifferenz um den Umfang eines Stiftes auf einer Querebene, die senkrecht zur Längsachse des Stiftes 14 plaziert ist, näherungsweise 180 Grad voneinander. Die auf diese Weise geschnittenen Nuten, bzw. Gewinde, verursachen im wesentlichen gleichförmige rhombusförmig gestaltete Vorsprünge, wie die als Vorsprünge 20 gekennzeichneten. Die für die ersten und zweiten Nuten 22, 24 ausgewählte Steigung wird die Gesamtsymmetrie der rhomboidförmig gestalteten Vorsprünge, wie zum Beispiel Vorsprung 20, bestimmen. Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, ist die Steigung für die ersten und zweiten Nuten 22, 24 recht flach, wodurch im wesentlichen abgeflachte Diamantgestalten für die Vorsprünge 20 verursacht werden.
Alternative rhomboidförmige Gestalten werden durch die vorliegende Erfindung durch Verwendung von ersten und zweiten Nuten antizipiert, die gegeneinander, aber weniger als 180 Grad entgegengesetzt zueinander verlaufen. Eine derartige Anordnung verursacht große und kleine rhomboidförmig gestaltete Vorsprünge, die um die Zylinderoberfläche eines Stiftes, wie zum Beispiel Stift 14, verteilt sind. Zusätzlich antizipiert die vorliegende Erfindung die Verwendung von mehr als einer in einer ersten Richtung spiralförmig verlaufenden Nut und in Kombination mit einer oder mehreren entgegensetzt spiralförmig verlaufenden Nut(en) in einer entgegengesetzten zweiten Richtung. Eine derartige Anordnung, die drei oder mehr Nuten in der Oberfläche des Stiftes verwendet, liefert eine Zahl von unterschiedlichen Rhomboidgestalten der Vorsprünge auf der Oberfläche des Stiftes. Diese alternativen Ausführungsformen sind nicht in den Zeichnungen gezeigt, als reproduzierbar angesehen, während sie unter Bezugnahme auf die in den Fig. 2 und 3 gezeigte bevorzugte Ausführungsform leicht verständlich ist.
Das Rührreibschweißwerkzeug der vorliegenden Erfindung kann aus einer Zähl von unterschiedlichen Materialien hergestellt werden. Die Wahl eines Materials für ein Reibschweißwerkzeug hängt vom Typ des zu schweißenden Metallmaterials, insbesondere der Schmelztemperatur des Materials ab. Eine zusätzliche Überlegung stellt die gewünschte Fahrgeschwindigkeit dar. Andere Faktoren werden durch die Abmessung des Werkzeuges und die erforderliche Tiefe der Schweißung gesteuert, wobei die kleinste Größe für ein Werkzeug durch die Gesamtfestigkeit des Materials des Werkzeugs begrenzt wird. Ein Beispielmaterial zur Verwendung in einem Rührschweißwerkzeug ist H13-Werkzeugstahl, der gehärtet und wärmebehandelt ist.
Im Betrieb wird das Rührschweißwerkzeug 10 zum Zusammenschweißen zweier Metallstücke durch Reibwärme, Plastifizierung, Mischen und Schmieden des plastifizierten Metalls in eine gleichförmige Schweißverbindung durch Drehen des Rührschweißwerkzeugs 10 mit dem Stift 14 zur Erzeugung von mechanischer Reibung in dem in Kontakt mit dem schnell rotierenden Stift 14 befindlichen Metall verwendet. Zu Beginn werden die zu schweißenden Werkstücke an eine Stützplatte mit den Stoßflächen der Schweißverbindung in dichter Angrenzung geklemmt. Die Verbindung kann eine Stoßverbindung, Überlappungsverbindung oder eine Kombination von Überlappung und Stoß sein. Wenn sie eine Stoßverbindung ist, ist die Linie der Schweißverbindung die tatsächliche Verbindung der Stoßflächen der Werkstücke. Wenn sie eine Überlappungsverbindung ist, ist die Linie der Schweißverbindung die von dem Bediener ausgewählte Linie, entlang derer vorangeschritten werden soll. Die richtige Länge des Stiftes sollte auch ausgewählt werden. Für Stoßverbindungen sollte der Stift 14 eine ausreichende Länge aufweisen, die näherungsweise gleich der Gesamtbreite der Werkstücke ist. Für Überlappungsverbindungen sollte der Stift 14 eine ausreichende Länge aufweisen, um die Überlappungsverbindungsoberfläche zu erreichen und sich quer darüber zu erstrecken.
Der Stift 14 des sich schnell drehenden Rührschweißwerkzeuges 10 wird mit dem Metall der mit der Linie der Schweißverbindung zentrierten Werkstücke in Kontakt gebracht. Dieser Kontakt erzeugt schnell Reibungswärme, die das Metall der Werkstücke plastifiziert. Der Stift 14 wird langsam in die Verbindungslinie getaucht, bis die Schulter 18 des Rührschweißwerkzeuges 10 die Oberfläche der Werkstücke berührt. Auf dieser Stufe gibt es eine, wesentliche Menge von plastifiziertem Metall in einer Säule um den sich drehenden Stift 14 unter der Schulter 18 des Rührschweißwerkzeuges 10. Die Parameter für die Technik, wie zum Beispiel Stiftrotationsgeschwindigkeit, Größe der Schulter im Verhältnis zum Stiftdurchmesser, Eintauchtiefe und Rate der Translation bzw. Wanderung des Stiftes, werden so gewählt, daß eine ausreichende Menge von Metall plastifiziert, gerührt und geschmiedet wird, wobei die Temperatur des Werkstückmetalls unter der Schmelztemperatur des Metalls bleibt.
Der Stift 14 wird dann relativ zu den Werkstücken entlang der Linie der Schweißverbindung bewegt, während eine abwärts gerichtete Kraft auf das Rührschweißwerkzeug 10 mit der Schulter 18 in Kontakt mit der Oberfläche der Werkstücke erhalten bleibt. Wenn der rotierende Stift 14 sich entlang der Schweißverbindung bewegt, wird das plastifizierte Metall der Werkstücke zur Rückseite des Stiftes 14 extrudiert, während es einem mechanischen Rühren und Schmieden aufgrund der von den Vorsprüngen 20 auf der Oberfläche des Stiftes 14 ausgeübten Wirkung unterliegt und von oben durch den auf das Metall von der Schulter 18 ausgeübten Druck begrenzt wird. Das auf die Vorderseite des Stiftes 14 treffende Metall wird zerdrückt, erwärmt und plastifiziert, nur um zur Rückseite extrudiert zu werden, wenn der Stift 14 die Schweißverbindungslinie herab voranschreitet. Die Vorsprünge 20 tragen zur Zerdrück-, Erwärm-; Rühr- und Schmiedewirkung des Rührschweißwerkzeuges 10 bei, was ein geeignetes Rühren und Mischen sowohl für das Mischen von Seite zu Seite als auch für das Mischen nach oben und nach unten liefert. Der resultierende Vorteil der vorliegenden Erfindung ist schematisch in Fig. 4 dargestellt, worin die Überlappungsverbindung von Seite zu Seite und oben und unten mit minimaler Verdünnung des einen bzw. des anderen Werkstückes recht gleichförmig ist.
Die vorangehende Beschreibung wird lediglich als für die Erfindung gemäß den Ansprüchen 1 bis 7 illustrativ betrachtet, und da zahlreiche Modifikationen und Änderungen für Fachleute auf dem Gebiet sich leicht ergeben werden, ist es nicht gewünscht, die Erfindung auf die gezeigte und beschriebene exakte Konstruktion und den Betrieb zu begrenzen.
Dementsprechend kann zu allen geeigneten Modifikationen und Äquivalenten gegriffen werden, die innerhalb des Schutzbereiches der vorliegenden Erfindung fallen.

Claims

1. Ein Rührschweißwerkzeug (10), das zum mechanischen Ineinandergreifen, reibenden Erwärmen und Festphasenschweißen wenigstens zweier Metallwerkstücke an einer Verbindung geeignet ist, wobei das Rührschweißwerkzeug (10) umfaßt:

einen Zylinder (12), der in der Nähe eines Motorantriebs anbringbar ist und eine Längsachse und eine distale Schulter (18) und Schulterfläche aufweist;

einen im wesentlichen zylindrischen Stift (14), der von der distalen Schulterfläche vorragt und eine sich mit der Zylinderlängsachse gemeinsam erstreckende Längsachse aufweist;

und gekennzeichnet ist durch wenigstens einen im wesentlichen rhomboidisch gestalteten Vorsprung (20), der radial von der Oberfläche des Stiftes (14) vorragt.

2. Das Rührschweißwerkzeug (10) nach Anspruch 1, bei dem der wenigstens eine Vorsprung wenigstens vier rhombusförmige Vorsprünge (20) aufweist, die gleichmäßig im Abstand auf dem Stift angeordnet sind.

3. Das Rührschweißwerkzeug nach irgendeinem der Ansprüche 1 bzw. 2, ferner umfassend:

eine spiralförmig verlaufende erste Nut (22) in der Stift (14)-Oberfläche; und eine entgegengesetzt sprialförmig verlaufende zweite Nut (24) in der Stift (14)- Oberfläche, wodurch besagter Vorsprung bereitgestellt wird.

4. Das Rührschweißwerkzeug (10) nach Anspruch 3, worin die erste Nut (22) und die zweite Nut (24) über den Umfang um 180º relativ zueinander verschoben sind.

5. Das Rührschweißwerkzeug (10) nach Anspruch 3, worin die erste Nut (22) und die zweite Nut (24) über den Umfang weniger als 180º relativ zueinander verschoben sind.

6. Däs Rührschweißwerkzeug (10) nach Anspruch 3, worin die erste Nut (22) und die zweite Nut (24) dieselbe Steigung aufweisen.

7. Das Rührschweißwerkzeug (10) nach Anspruch 3, worin die erste Nut (22) und die zweite Nut (24) unterschiedliche Steigung aufweisen.