EP2720823A2 - Schweisswerkzeug mit drehender sonde, schweissverfahren sowie werkstück - Google Patents

Schweisswerkzeug mit drehender sonde, schweissverfahren sowie werkstück

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Publication number
EP2720823A2
EP2720823A2 EP12740292.3A EP12740292A EP2720823A2 EP 2720823 A2 EP2720823 A2 EP 2720823A2 EP 12740292 A EP12740292 A EP 12740292A EP 2720823 A2 EP2720823 A2 EP 2720823A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
shoulder
probe
welding tool
welding
axis
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP12740292.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Silvanus
Erich Forster
Eric TAUSCHER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
EADS Deutschland GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by EADS Deutschland GmbH filed Critical EADS Deutschland GmbH
Publication of EP2720823A2 publication Critical patent/EP2720823A2/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C65/00—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor
    • B29C65/02—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure
    • B29C65/06—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using friction, e.g. spin welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/1245—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding characterised by the apparatus
    • B23K20/1255—Tools therefor, e.g. characterised by the shape of the probe
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/1245—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding characterised by the apparatus
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    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/1265—Non-butt welded joints, e.g. overlap-joints, T-joints or spot welds

Definitions

  • the invention relates to a welding tool for connecting at least two workpieces to a connecting region by means of friction stir welding.
  • friction stir welding in contrast to friction welding, the friction energy is not generated by rotating one of the two workpieces to be joined relative to the other workpiece, but instead uses a wear-resistant welding tool that applies rotational energy to both workpieces at the same time. The following steps are performed:
  • the welding tool is pressed with a rotating probe with high force between the two workpieces to be joined until a probe enclosing shoulder of the welding tool comes to rest on the surface of the workpieces.
  • the rotating probe remains at the point of immersion for a short time, with the area between the shoulder of the welding tool and the workpieces heating to just below the melting point of the workpieces.
  • the material of the workpieces is softened and plasticized, so that a mixing between the materials of the workpieces to be joined in the connection region is possible.
  • the welding tool is moved in the feed direction, such that the shoulder continues to be pressed with great force onto the workpiece surface and the probe thus into the connection region. It arises during the feed movement, a pressure difference between the front of the
  • the welding tool accordingly has the probe and a shoulder disposed substantially perpendicular thereto with a larger diameter than the probe itself.
  • the shoulder serves to isolate the ambient air from the weld, while the probe is responsible for the swirling of the material. Since the material by the swirling for weld formation. is used, additional materials are not necessary.
  • Next can also be dispensed with a protective gas atmosphere.
  • the object of the invention is therefore to achieve a change in length of the probe with a simple tool structure, which is less susceptible to wear.
  • a welding tool for joining at least two workpieces by means of friction stir welding at a connection portion has a probe arranged along an axis of the welding tool for applying frictional heat to the workpieces and a shoulder enclosing the probe for separating the connection portion from the environment.
  • the shoulder is designed to be movable substantially parallel to the axis.
  • the shoulder has an elastic region. Then it can be advantageous simply by force parallel to the axis effecting a pushing back of the shoulder, so that the probe further protrudes from the shoulder. When the force is released, the shoulder expands again, so that the probe again enters the shoulder and thus advantageously allows shorter penetration depths.
  • the elastic region is formed by a spring arrangement. This is particularly easy to achieve by using heat-resistant materials. elasticity of the shoulder can be achieved. Alternatively, elastic materials can also be provided as cushions at a suitable point on the shoulder in order to be able to displace them parallel to the axis by the action of force.
  • the elastic region is formed on a shoulder end region, which is to be used in operation at least one of the workpieces.
  • a stable overall shoulder structure can be achieved, wherein only the lower region, namely the shoulder end region, has the elastic region and thus makes the shoulder movable parallel to the axis.
  • the probe has a projection in the direction of the axis for overhanging the shoulder end region.
  • This supernatant can also be referred to as the probe end region or probe tip.
  • a maximum possible path of movement of the shoulder substantially corresponds to the projection of the probe over the shoulder end region.
  • the maximum possible movement path between 0 to 10 mm, in particular between 2 to 4 mm, lie.
  • the probe is removably attached to a probe holder so that it preferably can be easily removed from the probe holder and replaced with a new probe.
  • the probe holder is rotatably mounted about the axis, so that rotates automatically upon rotation of the probe holder, the probe itself.
  • a rotatable mounting of the probe itself can thus be omitted preferably.
  • the shoulder is integrally formed with the probe holder. In such an arrangement, the shoulder can rotate simultaneously with the probe about the same axis at the same angular velocity.
  • the shoulder may be rotatably supported or fixedly disposed about the axis apart from the probe support.
  • a different angular velocity between the probe and the shoulder can be achieved, or the shoulder can firmly enclose the probe without rotation.
  • the probe holder is formed conically in longitudinal section along the axis. Then, the shoulder already extending along the probe support in the direction of the axis can be brought closer to the probe at the shoulder end region, whereby preferably a better sealing against the ambient air can be achieved.
  • the shoulder in longitudinal section along the axis is conical and / or substantially L-shaped.
  • a welding method for joining at least two workpieces with welding depths varying along a connecting region by friction stir welding using a welding tool described above comprises the following steps:
  • a workpiece is preferably made with the welding tool described above and / or with the welding method described above.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a first embodiment of a welding tool according to the invention for friction stir welding with probe and shoulder.
  • FIG. 2 shows the welding tool from FIG. 1 during welding of a workpiece with a thick workpiece
  • FIG. 3 shows the welding tool from FIG. 1 during welding of a workpiece with a thin workpiece
  • FIG. 4 shows a second embodiment of a welding tool according to the invention from FIG. 1.
  • Fig. 1 shows a longitudinal section through a first embodiment of a
  • the probe 12 is attached to a probe holder 16 which is rotatably mounted about an axis A in the arrow direction.
  • the probe holder 16 is cylindrically shaped and the probe 12 tapers towards a probe end region 18 which projects through a shoulder opening 20 into an environment 22. The probe 12 is thus protruding beyond a projection I via a shoulder end region 24.
  • the shoulder 14 is arranged separately from the probe holder 16 and is movable in the direction of the arrow along the axis A.
  • the shoulder 14 is substantially cylindrical in shape about the axis A and has an L-shape in a longitudinal section, with beams 26 of the L-shape aligned in the longitudinal direction of the probe 12 being aligned with the probe 12.
  • FIGS. 2 and 3 show a welding process for connecting two workpieces 28, 30 to a connecting region 32 by means of friction stir welding using the welding tool 10.
  • the first workpiece 28 has a greater thickness than the first workpiece 28 in Fig. 3.
  • the first workpiece 28 in Fig. 2 for example, has a thickness of 4 mm
  • the probe 12 in FIG. 2 must dive deeper into the first workpiece 28 than in FIG. 3. This is achieved by shoulder 14 along the axis A is movable and thus the probe 12 can continue to emerge from the shoulder 14. It is thus also possible to weld workpieces 28, 30 together, which have welding depths 34 that change over the connecting region 32.
  • FIG. 4 shows a second embodiment of a welding tool 10.
  • the probe holder 16 and the shoulder 14 are tapered and taper towards the Schulterend Scheme 24.
  • the shoulder 14 and the probe holder 16 are mounted separately from each other, wherein the probe holder 16 is rotatable about the axis A. This is achieved by a spindle 36 to which the probe holder 16 is attached.
  • the shoulder 14 has an elastic region 37 in that the shoulder end region 24 is divided into two shoulder end regions 37a, 37b and a spring arrangement 38 is provided in the intermediate space between the shoulder end regions 37a, 37b. If a force F aligned substantially parallel to the axis A is applied to this spring arrangement 38, the spring arrangement 38 is compressed and the space between the first shoulder end portion 37a and the second shoulder end portion 37b is changed. In this case, the supernatant I of the probe 12 also changes over the shoulder 14. Essentially, the supernatant I corresponds to the maximum possible movement path of the second shoulder end portion 37b predetermined by the spring arrangement 38.
  • the probe 12 when welding with varying impact thickness, the probe 12 had either to be changed, with the welding process had to be interrupted before it could be continued with the modified or adapted probe 12.
  • a so-called retractable probe 12 was used. which could be moved vertically within the probe holder 16 in order to achieve a change in length of the probe 12.
  • a change in length of the probe 12 can now be achieved in that the probe 12 is not moved within the probe holder 16, but that the shoulder 14 is designed to be movable and / or elastic, in particular at the shoulder end region 24.
  • a deformation or deflection is effected via an introduction of force.
  • the free probe length 12 and thus the welding depth 34 correlate with the connection region 32.
  • the shoulder 14 may be rigid and non-rotating or may be formed with the probe 12 for co-rotation.
  • the probe 12 is preferably arranged on a spindle 36 which is rotatably mounted.
  • the probe 12 is not adjustable along the axis A, but the shoulder 14.
  • the projection I of the probe 12 via the shoulder 14 is controlled by the adjustment of the shoulder 14 along the axis A.
  • the adjustment of the shoulder 14 along the axis A is technically much easier to implement than an adjustment of the probe 12 and thus a simpler, more robust and cheaper probe projection is achieved. No additional control is required, the supernatant I is regulated only by the introduction of a force.
  • variable weld depth 34 of the probe 12 different web and flange thicknesses can be interconnected.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schweißwerkzeug (10) zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken (28, 30) an einem Verbindungsbereich (32) mittels Rührreibschweißen. Das Schweißwerkzeug (10) weist eine entlang einer Achse (A) des Schweißwerkzeuges (10) angeordnete Sonde (12) zum Aufbringen von Reibungswärme auf die Werkstücke (28, 30) sowie eine die Sonde (12) umschließende Schulter (14) zum Abtrennen des Verbindungsbereiches (32) von einer Umgebung (22) auf. Die Schulter (14) ist im Wesentlichen parallel zu der Achse (A) beweglich ausgebildet. Weiter betrifft die Erfindung ein Schweißverfahren sowie ein Werkstück (33), das mit dem Schweißwerkzeug (10) bzw. dem Schweißverfahren hergestellt worden ist.

Description

SCHWEIßWERKZEUG MIT DREHENDER SONDE, SCHWEIßVERFAHREN SOWIE WERKSTÜCK
Die Erfindung betrifft ein Schweißwerkzeug zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken an einem Verbindungsbereich mittels Rührreibschweißen.
Beim Rührreibschweißen wird im Gegensatz zum Reibschweißen die Reibenergie nicht durch Rotation eines der beiden zu verbindenden Werkstücke relativ zu dem anderen Werkstück erzeugt, sondern es wird ein verschleißfestes Schweißwerkzeug verwendet, das Rotationsenergie gleichzeitig auf beide Werkstücke aufbringt. Dabei laufen die folgenden Schritte ab:
Im ersten Schritt wird das Schweißwerkzeug mit einer rotierenden Sonde mit hoher Kraft zwischen die beiden zu verbindenden Werkstücke gedrückt, bis eine die Sonde umschließende Schulter des Schweißwerkzeuges auf der Oberfläche der Werkstücke zur Anlage kommt.
Im zweiten Schritt verbleibt die sich drehende Sonde kurze Zeit an der Eintauchstelle, wobei sich der Bereich zwischen der Schulter des Schweißwerkzeuges und den Werkstücken bis kurz unter den Schmelzpunkt der Werkstücke erwärmt. Dabei wird der Werkstoff der Werkstücke weich und plastifiziert, so dass eine Vermischung zwischen den Materialien der zu verbindenden Werkstücke in dem Verbindungsbereich möglich wird.
Im dritten Schritt wird das Schweißwerkzeug in Vorschubrichtung bewegt, derart, dass die Schulter weiterhin mit großer Kraft auf die Werkstückoberfläche und die Sonde somit in den Verbindungsbereich gepresst wird. Es entsteht bei der Vorschubbewegung ein Druckunterschied zwischen dem Vorderbereich des
Schweißwerkzeuges und seiner Rückseite durch die Drehbewegung der Sonde, so dass plastifizierter Werkstoff um die Sonde herum transportiert wird, sich vermischt und somit zur Schweißnahtbildung beiträgt.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Am Ende der Schweißnaht wird das Schweißwerkzeug aus dem Verbindungsbereich herausgezogen.
Das Schweißwerkzeug weist demgemäß die Sonde und eine im Wesentlichen senkrecht dazu angeordnete Schulter mit einem größeren Durchmesser als die Sonde selbst auf. Die Schulter dient dazu, die Umgebungsluft von der Schweißnaht zu isolieren, während die Sonde für die Verwirbelung des Werkstoffes zuständig ist. Da der Werkstoff durch die Verwirbelung zur Schweißnahtbildung . herangezogen wird, sind Zusatzwerkstoffe nicht nötig. Weiter kann auch auf eine Schutzgasatmosphäre verzichtet werden.
Nachteil ist jedoch, dass durch Austritt der Sonde ein Endkrater am Ende der Schweißnaht entsteht. Weiter war es bislang auch problematisch, sich verändernde Einschweißtiefen zwischen zwei zu verbindenden Werkstücken zu schweißen, da hierzu immer eine neue Sonde mit einer unterschiedlichen Länge an dem Schweißwerkzeug montiert werden musste.
Bislang wurde zur Lösung der oben genannten Probleme vorgeschlagen, eine automatisch zurückziehbare Sonde zu verwenden, die innerhalb einer Sonden- halterung des Schweißwerkzeuges vertikal verfahren werden kann. Der
Schweißwerkzeugaufbau wird dadurch jedoch kompliziert und verschleißanfällig.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, mit einem einfachen Werkzeugaufbau, der wenig verschleißanfällig ist, eine Längenänderung der Sonde zu erreichen.
Diese Aufgabe wird mit einem Schweißwerkzeug mit der Merkmalskombination des Anspruches 1 gelöst. Ein Schweißverfahren sowie ein Werkstück, das mit dem Schweißwerkzeug und/oder dem Schweißverfahren hergestellt ist, sind Gegenstand der Nebenansprüche.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Schweißwerkzeug zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken mittels Rührreibschweißen an einem Verbindungsbereich weist eine entlang einer Achse des Schweißwerkzeugs angeordnete Sonde zum Aufbringen von Reibungswärme auf die Werkstücke und eine die Sonde umschließende Schulter zum Abtrennen des Verbindungsbereichs von der Umgebung auf. Die Schulter ist im Wesentlichen parallel zu der Achse beweglich ausgebildet.
Dadurch dass die Schulter beweglich ausgebildet ist, ist es möglich, die Sonde, die von der Schulter umschlossen ist, mit verschiedenen Weglängen aus der Schulter hervorzubringen. Es ist damit möglich, unterschiedliche Einschweißtiefen unter Verwendung ein und derselben Sonde zu erreichen. Ferner können mit diesem Schweißwerkzeug Werkstücke mit sich verändernder oder unterschiedlicher Stoßdicke ohne Unterbrechung des Schweißprozesses einfach miteinander verbunden werden.
Vorzugsweise weist die Schulter einen elastischen Bereich auf. Dann kann vorteilhaft einfach durch Kraftein Wirkung parallel zu der Achse ein Zurückschieben der Schulter bewirkt werden, so dass die Sonde weiter aus der Schulter hervortritt. Bei Nachlassen der Kraft dehnt sich die Schulter wieder aus, so dass die Sonde wieder weiter in die Schulter eintritt und somit vorteilhaft kürzere Einschweißtiefen ermöglicht.
Besonders bevorzugt ist der elastische Bereich durch eine Federanordnung gebildet. So kann besonders einfach durch Verwendung hitzebeständiger Materia- lien eine Elastizität der Schulter erzielt werden. Alternativ können auch elastische Materialien als Kissen an einer geeigneten Stelle der Schulter vorgesehen werden, um diese durch Krafteinwirkung parallel zu der Achse verschieben zu können.
Vorzugsweise ist der elastische Bereich an einem Schulterendbereich ausgebildet, der im Betrieb wenigstens einem der Werkstücke zuzuwenden ist. Damit kann ein stabiler Gesamt-Schulteraufbau erreicht werden, wobei lediglich der untere Bereich, nämlich der Schulterendbereich, den elastischen Bereich aufweist und somit die Schulter parallel zur Achse beweglich macht.
Vorteilhaft weist die Sonde in Richtung der Achse einen Überstand zum Überstehen über den Schulterendbereich auf. Dieser Überstand kann auch als Sonden- endbereich oder Sondenspitze bezeichnet werden.
Besonders bevorzugt entspricht ein maximal möglicher Bewegungsweg der Schulter im Wesentlichen dem Überstand der Sonde über den Schulterendbereich. So ist es vorteilhaft möglich, die Sonde komplett in die Schulter einzufahren und somit durch die Bewegung zu reinigen. Beispielsweise kann der maximal mögliche Bewegungsweg zwischen 0 bis 10 mm, insbesondere zwischen 2 bis 4 mm, liegen.
Weiter vorteilhaft ist die Sonde entfernbar an einer Sondenhalterung angeordnet, so dass sie vorzugsweise einfach von der Sondenhalterung entfernt werden kann und durch eine neue Sonde ersetzt werden kann.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Sondenhalterung um die Achse drehbar gelagert, so dass sich bei Drehung der Sondenhalterung auch automatisch die Sonde selbst mitdreht. Eine drehbare Lagerung der Sonde selbst kann so vorzugsweise entfallen. Vorteilhaft ist die Schulter integral mit der Sondenhalterung ausgebildet. In derartiger Anordnung kann die Schulter gleichzeitig mit der Sonde um dieselbe Achse mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit drehen.
Alternativ kann die Schulter getrennt von der Sondenhalterung um die Achse drehbar gelagert oder fest angeordnet sein. So kann beispielsweise auch eine unterschiedliche Winkelgeschwindigkeit zwischen Sonde und Schulter erreicht werden, oder die Schulter kann fest und ohne Rotation die Sonde umschließen.
Vorzugsweise ist die Sondenhalterung im Längsschnitt entlang der Achse kegelförmig ausgebildet. Dann kann die Schulter, die sich bereits entlang der Sondenhalterung in Richtung der Achse erstreckt, an dem Schulterendbereich dichter an die Sonde herangebracht werden, wodurch vorzugsweise ein besseres Abdichten gegenüber der Umgebungsluft erzielt werden kann.
Daher ist es von Vorteil, wenn auch die Schulter im Längsschnitt entlang der Achse kegelförmig und/oder im Wesentlichen L-förmig ausgebildet ist.
Ein Schweißverfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken mit entlang eines Verbindungsbereichs sich verändernder Einschweißtiefe durch Rührreibschweißen unter Verwendung eines oben beschriebenen Schweißwerkzeuges weist die folgenden Schritte auf:
a) Inkontaktbringen der Schulter mit wenigstens einem Werkstück;
b) Aufbringen einer im Wesentlichen parallel zur Achse ausgerichteten Kraft auf die Schulter, bis die Sonde vollständig in einen Verbindungsbereich der wenigstens zwei Werkstücke eingedrungen ist;
c) Verändern der Kraft zum Verändern der Einschweißtiefe der Sonde in dem Verbindungsbereich bei kontinuierlichem Kontakt der Schulter mit dem Verbindungsbereich. Mit diesem Verfahren können auch Werkstücke mit sich verändernder oder unterschiedlicher Stoßdicke ohne Unterbrechung des Schweißprozesses einfach miteinander verbunden werden.
Vorzugsweise folgt nach dem Schweißen ein Entfernen der Schulter von dem wenigstens einen Werkstück und Verstellen der Schulter parallel zur Achse, damit die Sonde so einfach gereinigt werden kann.
Ein Werkstück wird vorzugsweise mit dem oben beschriebenen Schweißwerkzeug und/oder mit dem oben beschriebenen Schweißverfahren hergestellt.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schweißwerkzeugs zum Rührreibschweißen mit Sonde und Schulter;
Fig. 2 das Schweißwerkzeug aus Fig. 1 beim Verschweißen eines Werkstückes mit einem dicken Werkstück;
Fig. 3 das Schweißwerkzeug aus Fig. 1 beim Verschweißen eines Werkstückes mit einem dünnen Werkstück; und
Fig. 4 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schweißwerkzeuges aus Fig. 1.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines
Schweißwerkzeugs 10 mit einer Sonde 12 und einer Schulter 14.
Die Sonde 12 ist an einer Sondenhalterung 16 befestigt, die um eine Achse A in Pfeilrichtung drehbar gelagert ist. In der gezeigten Ausführungsform ist die Sondenhalterung 16 zylinderförmig ausgestaltet und die Sonde 12 verjüngt sich zu einem Sondenendbereich 18 hin, der durch eine Schulteröffnung 20 in eine Umgebung 22 hervortritt. Die Sonde 12 steht damit um einen Überstand I über einen Schulterendbereich 24 hervor.
Die Schulter 14 ist getrennt von der Sondenhalterung 16 angeordnet und in der gezeigten Pfeilrichtung entlang der Achse A beweglich.
Die Schulter 14 ist im Wesentlichen zylinderförmig um die Achse A ausgebildet und weist im Längsschnitt eine L-Form auf, wobei zu der Sonde 12 hin ausgerichtete Balken 26 der L-Form im Längsschnitt der Verjüngung der Sonde 12 an- gepasst sind.
Fig. 2 und Fig. 3 zeigen einen Schweißvorgang zum Verbinden zweier Werkstücke 28, 30 an einem Verbindungsbereich 32 mittels Rührreibschweißen unter Verwendung des Schweißwerkzeugs 10.
In Fig. 2 weist das erste Werkstück 28 eine größere Dicke auf als das erste Werkstück 28 in Fig. 3. Das erste Werkstück 28 in Fig. 2 weist beispielsweise eine Dicke von 4 mm auf, während das erste Werkstück 28 in Fig. 3 beispielsweise eine Dicke von 2 mm aufweist. Demgemäß muss zur Verbindung der Werkstücke 28, 30 zum Erreichen eines T-förmigen Endwerkstückes 33 die Sonde 12 in Fig. 2 tiefer in das erste Werkstück 28 eintauchen als in Fig. 3. Dies wird dadurch erzielt, dass die Schulter 14 entlang der Achse A beweglich ist und somit die Sonde 12 weiter aus der Schulter 14 hervortreten kann. So ist es auch möglich, Werkstücke 28, 30 miteinander zu verschweißen, die sich über den Verbindungsbereich 32 ändernde Einschweißtiefen 34 aufweisen.
Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Schweißwerkzeuges 10. Hierbei sind die Sondenhalterung 16 sowie die Schulter 14 kegelförmig ausgebildet und verjüngen sich zum Schulterendbereich 24 hin. Bei gleichzeitiger L- förmiger Ausbildung der Schulter 14 im Schulterendbereich 24 ist es nun möglich, die Schulter 14 besonders nah an die Sonde 12 heranzuführen und somit eine besonders gute Isolierung der entstehenden Schweißnaht von der Umgebung 22 zu bewirken.
In der gezeigten Ausführungsform sind die Schulter 14 sowie die Sondenhalterung 16 getrennt voneinander gelagert, wobei die Sondenhalterung 16 um die Achse A drehbar ist. Dies wird durch eine Spindel 36 erreicht, an der die Sondenhalterung 16 befestigt ist.
Am Schulterendbereich 24 weist die Schulter 14 dadurch einen elastischen Bereich 37 auf, dass der Schulterendbereich 24 in zwei Schulterendteilbereiche 37a, 37b zerteilt ist und im Zwischenraum zwischen den Schulterendteilbereichen 37a, 37b eine Federanordnung 38 vorgesehen ist. Wird nun auf diese Federanordnung 38 eine im Wesentlichen parallel zur Achse A ausgerichtete Kraft F aufgebracht, wird die Federanordnung 38 zusammengedrückt und der Zwischenraum zwischen dem ersten Schulterendteilbereich 37a und dem zweiten Schulterendteilbereich 37b verändert. Dabei ändert sich auch der Überstand I der Sonde 12 über die Schulter 14. Im Wesentlichen entspricht der Überstand I dem durch die Federanordnung 38 vorgegebenen maximal möglichen Bewegungsweg des zweiten Schulterendteilbereichs 37b.
Durch das Schweißwerkzeug 10 können über Rührreibschweißen unterschiedliche Stoßdicken zusammengefügt werden.
Bislang musste beim Schweißen mit sich veränderter Stoßdicke die Sonde 12 entweder gewechselt werden, wobei der Schweißprozess unterbrochen werden musste, bevor er mit der veränderten bzw. angepassten Sonde 12 weitergeführt werden konnte. Alternativ wurde eine sogenannte zurückziehbare Sonde 12 ver- wendet, die innerhalb der Sondenhalterung 16 vertikal verfahren werden konnte, um eine Längenänderung der Sonde 12 zu erreichen.
Mit dem Schweißwerkzeug 10 kann nun eine Längenänderung der Sonde 12 dadurch erreicht werden, dass nicht die Sonde 12 innerhalb der Sondenhalterung 16 verfahren wird, sondern dass die Schulter 14 insbesondere an dem Schulterendbereich 24 beweglich und/oder elastisch ausgelegt ist. Dadurch wird über eine Krafteinleitung eine Deformation oder Auslenkung bewirkt. Mit dem Maß dieser Auslenkung bzw. Deformation korreliert die freie Sondenlänge 12 und damit die Einschweißtiefe 34 in den Verbindungsbereich 32.
Daher ist während des Schweißens an ein und demselben Bauteil oder Werkstück 28, 30 kein Schweißwerkzeugwechsel nötig und es wird ein wesentlich einfacherer Schweißwerkzeugaufbau erreicht, um damit unterschiedliche Sondenlängen 12 in dem Schweißwerkzeug 10 zur Verfügung zu stellen.
Die Schulter 14 kann dabei starr und nicht rotierend oder zum Mitrotieren mit der Sonde 12 ausgebildet sein. Die Sonde 12 ist vorzugsweise an einer Spindel 36 angeordnet, die drehbar gelagert ist. Die Sonde 12 ist dabei nicht entl ng der Achse A verstellbar, jedoch die Schulter 14. Der Überstand I der Sonde 12 über die Schulter 14 wird durch die Verstellung der Schulter 14 entlang der Achse A gesteuert.
Vorteilhaft ist die Verstellung der Schulter 14 entlang der Achse A wesentlich einfacher technisch umsetzbar als eine Verstellung der Sonde 12 und es wird somit ein einfacherer, robusterer und billigerer Sondenüberstand erreicht. Es ist keine zusätzliche Regelung erforderlich, der Überstand I wird lediglich über Einleitung einer Kraft geregelt.
Weiter vorteilhaft ergibt sich am Ende des Schweißverfährens ein Putzeffekt durch wiederholte Verstellung der Schulter 14 entlang der Achse A, wodurch ein Festfressen des Schweißwerkzeuges 10, der Sonde 12 oder der Sondenhalte- rung 16 vermieden werden kann. Besonders vorteilhaft ist dabei eine Ausführung der Sondenhalterung 16 und der Balken 26 mit kegelförmigem Längsschnitt.
Über die veränderbare Einschweißtiefe 34 der Sonde 12 können unterschiedliche Steg- und Flanschdicken miteinander verbunden werden.
Bezugszeichenliste: 0 Schweißwerkzeug
2 Sonde
4 Schulter
16 Sondenhalterung
18 Sondenendbereich
0 Schulteröffnung
2 Umgebung
4 Schulterendbereich
26 Balken
28 erstes Werkstück
30 zweites Werkstück
32 Verbindungsbereich
33 Endwerkstück
34 Einschweißtiefe
36 Spindel
37 elastischer Bereich
37aerster Schulterendteilbereich
37bzweiter Schulterendteilbereich
38 Federanordnung
A Achse
I Überstand
F Kraft

Claims

Patentansprüche
1 . Schweißwerkzeug (10) zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken (28, 30) an einem Verbindungsbereich (32) mittels Rührreibschweißen, mit einer entlang einer Achse (A) des Schweißwerkzeugs (10) angeordneten Sonde (12) zum Aufbringen von Reibungswärme auf die Werkstücke (28, 30) und mit einer die Sonde (12) umschließenden Schulter (14) zum Abtrennen des Verbindungsbereichs (32) von der Umgebung (22),
dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (14) im Wesentlichen parallel zu der Achse (A) beweglich ausgebildet ist.
2. Schweißwerkzeug (10) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (14) einen elastischen Bereich (37) aufweist.
3. Schweißwerkzeug (10) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der elastische Bereich (37) durch eine Federanordnung (38) gebildet ist.
4. Schweißwerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der elastische Bereich (37) an einem Schulterendbereich (24) ausgebildet ist, der im Betrieb wenigstens einem der Werkstücke (28, 30) zuzuwenden ist.
5. Schweißwerkzeug (10) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (12) in Richtung der Achse (A) einen Überstand (I) zum Überstehen über den Schulterendbereich (24) aufweist.
6. Schweißwerkzeug (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximal möglicher Bewegungsweg der Schulter (14) im Wesentlichen dem Überstand (I) entspricht.
7. Schweißwerkzeug (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (12) entfernbar an einer Sondenhalterung (16) angeordnet ist.
8. Schweißwerkzeug (10) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sondenhalterung (16) um die Achse (A) drehbar gelagert ist.
9. Schweißwerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (14) integral mit der Sondenhalterung (16) ausgebildet ist.
10. Schweißwerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (14) getrennt von der Sondenhalterung (16) um die Achse (A) drehbar gelagert oder fest angeordnet ist.
1 1. Schweißwerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sondenhalterung (16) im Längsschnitt entlang der Achse (A) kegelförmig ausgebildet ist.
12. Schweißwerkzeug (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (14) im Längsschnitt entlang der Achse (A) kegelförmig und/oder im Wesentlichen L-förmig ausgebildet ist.
13. Schweißverfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken (28, 30) mit entlang eines Verbindungsbereichs (32) sich verändernder Einschweißtiefe (34) durch Rührreibschweißen unter Verwendung eines Schweißwerkzeugs (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, mit den Schritten: a) Inkontaktbringen der Schulter (14) mit wenigstens einem Werkstück (28, 30); b) Aufbringen einer im Wesentlichen parallel zur Achse (A) ausgerichteten Kraft (F) auf die Schulter (14), bis die Sonde (12) vollständig in einen Verbindungsbereich (32) der wenigstens zwei Werkstücke (28, 30) eingedrungen ist;
c) Verändern der Kraft (F) zum Verändern der Einschweißtiefe (34) der Sonde (12) in dem Verbindungsbereich (32) bei kontinuierlichem Kontakt der Schulter (14) mit dem Verbindungsbereich (32).
14. Schweißverfahren nach Anspruch 13,
gekennzeichnet durch Entfernen der Schulter (14) von dem wenigstens einen Werkstück (28, 30) und Verstellen der Schulter (14) parallel zur Achse (A) zum Reinigen der Sonde (12).
15. Werkstück (33), hergestellt mit einem Schweißwerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und/oder mit einem Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14.
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