EP2720824A1 - SCHWEIßWERKZEUG MIT SCHULTER, SCHWEIßVERFAHREN SOWIE WERKSTÜCK - Google Patents

SCHWEIßWERKZEUG MIT SCHULTER, SCHWEIßVERFAHREN SOWIE WERKSTÜCK

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Publication number
EP2720824A1
EP2720824A1 EP12742786.2A EP12742786A EP2720824A1 EP 2720824 A1 EP2720824 A1 EP 2720824A1 EP 12742786 A EP12742786 A EP 12742786A EP 2720824 A1 EP2720824 A1 EP 2720824A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
shoulder
welding
welding tool
workpieces
workpiece
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.)
Withdrawn
Application number
EP12742786.2A
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 EP2720824A1 publication Critical patent/EP2720824A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
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    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • 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
    • B23K20/1265—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 the two workpieces. The following steps are performed:
  • the welding tool is pressed with a rotating probe with high force in a connection region between the two workpieces to be joined until a contactlessly enclosing the probe shoulder of the welding tool comes to rest on the surface of the workpieces.
  • the rotating probe remains for a short time at the welding parts, wherein the connection area between the shoulder of the welding tool and the workpieces heats up to just below the melting point of the material of the workpieces.
  • the materials become soft and plasticized, so that a mixing between the materials of the workpieces to be joined in the connection area is possible.
  • the welding tool is moved in the feed direction, such that the probe and the shoulder continue to be pressed with great force onto the workpiece surface.
  • a pressure difference arises between the front region of the welding tool and its rear side due to the rotational movement of the probe, so that plasticized material is transported around the probe, mixes and thus contributes to weld formation.
  • the welding tool thus has the probe and the substantially perpendicular thereto arranged shoulder 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 is used by the turbulence for weld formation, additional materials are not necessary.
  • Next can also be dispensed with a protective gas atmosphere.
  • the object of the invention is to provide a welding tool with which the mentioned problems can be overcome.
  • a welding method for friction stir welding as well as a workpiece produced with the welding tool and / or the welding method are the subject of the subsidiary claims.
  • a welding tool for connecting at least two workpieces to a connecting region by friction stir welding has a shoulder for abrading. disconnect the connection area from the environment.
  • the shoulder is designed as a mold.
  • the shoulder can be adapted to the respective welding situation and connections can be made that were hitherto not possible by friction stir welding. Because the accessibility of the probe to be welded to the connection area is improved by the customized shoulder.
  • the shoulder is designed and configured to form the connection area.
  • connection region is preferably that region of the at least two workpieces which is heated by the frictional energy during the friction stir welding process. That is, it is preferably not only the plasticized joining zone, but also an adjoining area that is at least so far heated that it can be shaped or deformed.
  • the shoulder preferably has a projection on and / or adjacent to a shoulder surface which is to be arranged on the connection region during the friction stir welding.
  • a projection on and / or adjacent to a shoulder surface which is to be arranged on the connection region during the friction stir welding.
  • the projection can then be mitgeformt and, for example, a rounding, a chamfer or a groove are formed.
  • the protrusion is stepped on a protrusion surface to be arranged at the connecting portion during the friction stir welding.
  • the steps of the projecting surface can be connected to one another, for example, vertically or over a slope or via a curve.
  • a plurality of projections are formed on and / or next to the shoulder surface.
  • a multi-sided molding in the connection region of two workpieces to be joined is possible.
  • the projection for forming a chamfer and / or a rounding and / or a groove is formed on the connection region, in particular on a connection region edge.
  • the projection surface, together with the shoulder surface has a negative form of the chamfer or rounding or groove, which are then guided in the feed direction along the workpieces to be joined in the connection region. A reworking of the formed by the connection of the two workpieces Endwerk Kunststoffes can be advantageously avoided.
  • the shoulder has a convexly and / or concavely curved shoulder surface area.
  • the shoulder is designed to form the connection region and / or the at least one workpiece. Due to the applied friction energy softens the workpiece material and is therefore malleable. Therefore, it is easy to form smooth transitions between the two workpieces to be joined by the shoulder pressed onto the connection surface, which is designed as a molding tool, without having to use additional material. Further advantageously, the shoulder is designed to form a weld formed during the friction stir welding at the connection region. Thus, a reworking of the weld can be omitted preferably.
  • a welding process for joining at least two workpieces to a connecting region by means of friction stir welding comprises the following steps:
  • connection region with simultaneous shaping of the connection region and / or of the at least one workpiece and / or a resulting weld seam.
  • a workpiece is produced with the described welding tool and / or with the described welding method.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a first embodiment of a welding tool.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through a second embodiment of a welding tool.
  • FIG 3 shows a longitudinal section through a third embodiment of a welding tool for welding a U-profile.
  • FIG. 4 shows a longitudinal section through a fourth embodiment of a welding tool for producing a hemming seam
  • FIG. 5 shows a cross section through the welding tool from FIG. 4 along the
  • Line V - V; 6 shows two workpieces to be joined with different thicknesses
  • FIG. 7 shows a longitudinal section through a fifth embodiment of the welding tool for connecting the two workpieces from FIG. 6;
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a first embodiment of a welding tool 10 with a shoulder 12 and a probe 14 for connecting two workpieces 18, 20 by means of friction stir welding.
  • the workpieces 18, 20 are secured by holding devices 22 against displacement during processing with the welding tool 10.
  • the probe 14 rotates about an axis A. To connect the workpieces 18, 20, the probe 14 of the welding tool 10 introduces frictional heat into a connecting region 24 of the workpieces 18, 20 through the first workpiece 18.
  • the material of the workpieces 18, 20 softens, is swirled in the region of the joint zone by the rotation of the probe 14 and the workpieces 18, 20 connect with each other.
  • the shoulder 12 surrounds the probe 14 without contact and rests with a shoulder surface 26 in the region of the connection region 24 on the workpieces 18, 20 so as to separate the connection region 24 and a friction stir welding (not shown) from an environment 28 and thus preventing contact with air.
  • the shoulder 12 has a projection 30 arranged on the shoulder surface 26, which extends substantially perpendicular to the shoulder surface 26 along the extension direction of the second workpiece 20.
  • the first workpiece 18 after connection to the second workpiece 20 should have a rounding 31 on a workpiece edge 32 of an end workpiece 33. This is achieved in that between the shoulder surface 26 and the projection 30, a rounded edge 33a is formed, so that the shoulder 12 acts as a mold 34. If now the welding tool 10 is moved in a direction of advancement in the direction perpendicular to the plane of the drawing, the shoulder 12 forms the rounding 31 on the workpiece edge 32 due to the rounded edge 33a.
  • Fig. 2 shows a longitudinal section of a second embodiment of the welding tool 10 with the shoulder 12 and the probe 14.
  • the shoulder here also has the projection 30, which is not disposed on, but adjacent to the shoulder surface 26.
  • a weld seam can be produced at a greater distance from the workpiece edge 32 and at the same time the workpiece edge 32 can be formed.
  • FIG. 3 shows a third embodiment of the welding tool 10, in which the shoulder 12 comprises a convexly curved shoulder surface region 36.
  • the shoulder surface region 36 With the curved shoulder surface region 36, it is possible to weld workpieces 18, 20 together at rounded end regions 38 to form a concave surface 40.
  • the shoulder surface portion 36 may also be concavely curved to form a convex connection portion 24.
  • FIG. 4 and 5 show the connection of the workpieces 18, 20 for forming a hemming seam 42 with the welding tool 10 in a fourth embodiment.
  • 4 is a longitudinal section through the welding tool 10 and
  • FIG. 5 is a cross-section along the line V - V in FIG. 4.
  • two projections 30 are formed on the shoulder surface 26 so as to enclose the end portions 38 of the workpieces 18, 20 to be joined.
  • the probe 14 projects into a gap between the end regions 38 and adds frictional heat to plastify the end portions 38 onto the bonding area 24.
  • the projections 30, the heated and / or plasticized end portions 38 are compressed and it forms the hemming 42nd
  • FIG. 5 shows that the projections 30 are formed with steps 47 on projection surfaces 46 which face the end regions 38.
  • the feed direction is indicated by the arrow.
  • the projections 30 have in the feed direction an inlet region 48, a compression region 50 and an outlet region 52 as the steps 47.
  • the steps 47 are connected to each other via slopes 56.
  • the end regions 38 come into contact with the inlet region 48 during friction stir welding and are plasticized by the rotational movement of the probe 14. In the plasticized state they are contacted by the compression region 50, which compresses the end regions 38 and thus crimps.
  • the outlet region 52 of the projections 30 after being bunged does not make any contact with the end regions 38, so that the hemming seam 42 can solidify without further deformation.
  • the outlet region 52 avoids accumulation of material on the hemming seam 42 so that it remains smooth and burr-free.
  • the shoulder 12 of the welding tool 10 shown in longitudinal section in this fifth embodiment has the projection 30 which is connected to the shoulder surface 26 via a chamfer 60 , With this embodiment, it is possible to produce the chamfer 60 between the workpieces 18, 20 to be joined.
  • the chamfer 60 is produced by the friction stir welding with the welding tool 10 shown in FIG. 7 at a connecting area edge 62 between the workpieces 18, 20.
  • the end workpiece 33 shown in FIG. 8 results.
  • the shoulder 12 of the welding tool 10 is shaped for specific tasks. Thus, compounds can be represented that were previously not possible.
  • the workpiece edge 32 can be shaped, for example, as a rounding 31, as a chamfer 60 or as a groove. Further, for example, an inner corner of the workpieces 18, 20 are integrally formed on an inner clamping block as a holding device 22. In comparison with, for example, a fillet weld, the use of the welding tool 10 in the embodiments shown is simpler and more reliable, and in addition, the workpieces 18, 20 can be welded out to the corners.
  • the trained as a molding tool 34 shoulder 12 can their shape, mass and shape are adapted to the requirements, such as the heat that prevails in the welded area, and the desired seam shape.
  • gap-free flanged seams 42 defined transitions of different sheet thicknesses and small radii can be welded in the friction stir welding process in a simple manner.

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 (18, 20) an einem Verbindungsbereich (24) mittels Rührreibsehweißen, wobei das Schweißwerkzeug (10) eine Schulter (12) zum Abtrennen des Verbindungsbereichs (24) von der Umgebung (28) aufweist und die Schulter (12) als Formwerkzeug (34) ausgebildet ist. Weiter betrifft die Erfindung ein Schweißverfahren unter Verwendung des Schweißwerkzeuges (10) sowie ein Werkstück (33), das mit dem Schweißwerkzeug (10) und/oder dem Schweißverfahren hergestellt worden ist.

Description

SCHWEIßWERKZEUG MIT SCHULTER, 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 auf die beiden Werkstücke aufbringt. Dabei laufen die folgenden Schritte ab:
Im ersten Schritt wird das Schweißwerkzeug mit einer rotierenden Sonde mit hoher Kraft in einen Verbindungsbereich zwischen die beiden zu verbindenden Werkstücke gedrückt, bis eine die Sonde berührungslos umschließende Schulter des Schweißwerkzeuges auf der Oberfläche der Werkstücke zur Anlage kommt.
Im zweiten Schritt verbleibt die sich drehende Sonde kurze Zeit an der Einschweißsteile, wobei sich der Verbindungsbereich zwischen der Schulter des Schweißwerkzeuges und den Werkstücken bis kurz unter den Schmelzpunkt des Werkstoffes der Werkstücke erwärmt. Dabei werden die Werkstoffe weich und plastifizieren, so dass eine Vermischung zwischen den Werkstoffen der zu verbindenden Werkstücke in dem Verbindungsbereich möglich wird.
Im dritten Schritt wird das Schweißwerkzeug in Vorschubrichtung bewegt, derart, dass die Sonde und die Schulter weiterhin mit großer Kraft auf die Werkstückoberfläche gepresst werden. 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 somit die Sonde und die 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.
Nachteilig beim Rührreibschweißen ist, das die Schulter mit den zu verschweißenden Werkstücken permanent in Kontakt sein muss und dadurch die dreidimensionale Bewegungsfreiheit des Schweißwerkzeuges eingeschränkt ist. Beispielsweise können Behälter nicht bis in die Ecken ausgeschweißt werden, ein Schweißen von Kantenstößen und Bördelnahten ist nicht möglich und es entstehen Materialüberstände, die durch Nacharbeiten entfernt werden müssen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schweißwerkzeug zur Verfügung zu stellen, mit dem die genannten Probleme überwunden werden können.
Diese Aufgabe wird mit einem Schweißwerkzeug mit der Merkmalskombination des Patentanspruches 1 gelöst.
Ein Schweißverfahren zum Rührreibschweißen sowie ein mit dem Schweißwerkzeug und/oder dem Schweißverfahren hergestelltes Werkstück sind Gegenstand der Nebenansprüche.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Schweißwerkzeug zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken an einem Verbindungsbereich mittels Rührreibschweißen weist eine Schulter zum Ab- trennen des Verbindungsbereiches von der Umgebung auf. Die Schulter ist als Formwerkzeug ausgebildet.
Somit kann die Schulter an die jeweilige Schweißsituation angepasst werden und es können Verbindungen hergestellt werden, die bislang mittels Rührreibschweißen nicht möglich waren. Denn die Zugänglichkeit der Sonde zu dem zu verschweißenden Verbindungsbereich wird durch die angepasste Schulter verbessert.
Vorzugsweise ist die Schulter zum Formen des Verbindungsbereiches ausgebildet und eingerichtet.
Bei dem Verbindungsbereich handelt es sich vorzugsweise um denjenigen Bereich der wenigstens zwei Werkstücke, der während des Rührreibschweißprozes- ses durch die Reibungsenergie erwärmt wird. Das heißt, es handelt sich vorzugsweise nicht nur um die plastifizierte Fügezone, sondern auch um einen daran angrenzenden Bereich, der zumindest soweit erwärmt ist, dass er geformt oder verformt werden kann.
Vorzugsweise weist die Schulter an und/oder neben einer Schulterfläche, die während des Rührreibschweißens an dem Verbindungsbereich anzuordnen ist, einen Vorsprung auf. So ist es beispielsweise möglich, den Vorsprung an einer Seite einer Werkstückkante anzulegen, während sich die Schulterfläche auf der anderen Seite der Werkstückkante befindet. Je nach Ausbildung des Bereiches zwischen Schulterfläche und Vorsprung kann die Werkstückkante dann mitgeformt werden und beispielsweise eine Rundung, eine Fase bzw. eine Hohlkehle gebildet werden.
Weiter vorzugsweise ist der Vorsprung an einer Vorsprungsfläche, die während des Rührreibschweißens an dem Verbindungsbereich anzuordnen ist, gestuft ausgebildet. Somit ist es dann auch möglich, beispielsweise in Vorschubrichtung durch die Stufung der Vorsprungsfläche die zu verbindenden Werkstücke eng zu- sammen zu pressen und somit beispielsweise zwei Bleche miteinander zu verbör- deln.
Die Stufen der Vorsprungsfläche können dabei beispielsweise senkrecht oder über ein Gefälle oder über eine Rundung miteinander verbunden sein.
Vorteilhaft sind an und/oder neben der Schulterfläche mehrere Vorsprünge gebildet. So ist vorteilhaft auch ein mehrseitiges Formen in dem Verbindungsbereich zweier zu verbindender Werkstücke möglich.
Besonders bevorzugt ist der Vorsprung zum Formen einer Fase und/oder einer Rundung und/oder einer Hohlkehle an dem Verbindungsbereich, insbesondere an einer Verbindungsbereichkante, ausgebildet. Dabei weist beispielsweise die Vorsprungsfläche zusammen mit der Schulterfläche eine Negativform der Fase bzw. Rundung bzw. Hohlkehle auf, die dann in Vorschubsrichtung entlang der zu ver- bindenen Werkstücken in dem Verbindungsbereich geführt werden. Ein Nacharbeiten des durch die Verbindung der beiden Werkstücke gebildeten Endwerkstückes kann dabei vorteilhaft vermieden werden.
Weiter vorteilhaft weist die Schulter einen konvex und/oder konkav gekrümmten Schulterflächenbereich auf. So ist es vorteilhaft auch möglich, zwei Werkstücke mit kleinen konvexen und/oder konkaven Radien vorteilhaft einfach miteinander zu verschweißen.
Besonders bevorzugt ist die Schulter zum Formen des Verbindungsbereiches und/oder des wenigstens einen Werkstückes ausgebildet. Durch die aufgebrachte Reibungsenergie erweicht das Werkstückmaterial und ist dadurch formbar. Es können daher einfach durch die an die Verbindungsoberfläche angepresste Schulter, die als Formwerkzeug ausgebildet ist, fließende Übergänge zwischen den beiden zu verbindenden Werkstücken gebildet werden, ohne zusätzliches Material verwenden zu müssen. Weiter vorteilhaft ist die Schulter zum Formen einer während des Rührreibschweißens an dem Verbindungsbereich entstehenden Schweißnaht ausgebildet. Somit kann ein Nacharbeiten der Schweißnaht vorzugsweise entfallen.
Ein Schweißverfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken an einem Verbindungsbereich mittels Rührreibschweißen weist die folgenden Schritte auf:
a) Bereitstellen des beschriebenen Schweißwerkzeuges;
b) Rührreibschweißen an dem Verbindungsbereich unter gleichzeitigem Formen des Verbindungsbereiches und/oder des wenigstens einen Werkstücks und/oder einer entstehenden Schweißnaht.
Besonders bevorzugt wird ein Werkstück mit dem beschriebenen Schweißwerkzeug und/oder mit dem beschriebenen Schweißverfahren hergestellt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Schweißwerkzeuges;
Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Schweißwerkzeuges;
Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines Schweißwerkzeuges zum Schweißen eines U-Profils;
Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine vierte Ausführungsform eines Schweißwerkzeuges zum Erzeugen einer Bördelnaht;
Fig. 5 einen Querschnitt durch das Schweißwerkzeug aus Fig. 4 entlang der
Linie V - V; Fig. 6 zwei zu verbindende Werkstücke mit unterschiedlicher Stärke;
Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine fünfte Ausführungsform des Schweißwerkzeuges zum Verbinden der beiden Werkstücke aus Fig. 6;
Fig. 8 das nach Verbindung der beiden Werkstücke aus Fig. 6 resultierende
Endwerkstück.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Schweißwerkzeugs 10 mit einer Schulter 12 und einer Sonde 14 zum Verbinden von zwei Werkstücken 18, 20 mittels Rührreibschweißen.
Die Werkstücke 18, 20 werden durch Halteeinrichtungen 22 gegen Verschieben beim Bearbeiten mit dem Schweißwerkzeug 10 gesichert.
Die Sonde 14 rotiert um eine Achse A. Zum Verbinden der Werkstücke 18, 20 bringt die Sonde 14 des Schweißwerkzeuges 10 durch das erste Werkstück 18 Reibungswärme in einen Verbindungsbereich 24 der Werkstücke 18, 20 ein.
Dadurch erweicht der Werkstoff der Werkstücke 18, 20, wird im Bereich der Fügezone durch die Rotation der Sonde 14 verwirbelt und die Werkstücke 18, 20 verbinden sich miteinander.
Die Schulter 12 umschließt die Sonde 14 berührungsfrei und liegt mit einer Schulterfläche 26 im Bereich des Verbindungsbereiches 24 auf den Werkstücken 18, 20 auf, um so den Verbindungsbereich 24 sowie eine durch das Rührreibschweißen entstehende Schweißnaht (nicht gezeigt) von einer Umgebung 28 zu trennen und somit den Kontakt mit Luft zu verhindern. Die Schulter 12 weist einen an der Schulterfläche 26 angeordneten Vorsprung 30 auf, der sich im Wesentlichen senkrecht zu der Schulterfläche 26 entlang der Erstreckungsrichtung des zweiten Werkstückes 20 erstreckt. In der eingekreisten, vergrößerten Darstellung in Fig. 1 ist zu erkennen, dass das erste Werkstück 18 nach Verbindung mit dem zweiten Werkstück 20 eine Rundung 31 an einer Werkstückkante 32 eines Endwerkstückes 33 aufweisen soll. Dies wird dadurch erreicht, dass zwischen der Schulterfläche 26 und dem Vorsprung 30 eine abgerundete Kante 33a ausgebildet ist, so dass die Schulter 12 als Formwerkzeug 34 wirkt. Wird nun das Schweißwerkzeug 10 in eine Vorschubrichtung in Richtung senkrecht zur Zeichenebene bewegt, formt die Schulter 12 aufgrund der abgerundeten Kante 33a die Rundung 31 an der Werkstückkante 32.
Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform des Schweißwerkzeuges 10 mit der Schulter 12 und der Sonde 14. Die Schulter weist hier ebenfalls den Vorsprung 30 auf, der allerdings nicht an, sondern neben der Schulterfläche 26 angeordnet ist. Somit kann eine Schweißnaht in größerem Abstand zu der Werkstückkante 32 erzeugt und gleichzeitig die Werkstückkante 32 geformt werden.
Der Längsschnitt in Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform des Schweißwerkzeugs 10, bei dem die Schulter 12 einen konvex gekrümmten Schulterflächenbereich 36 umfasst. Mit dem gekrümmten Schulterflächenbereich 36 ist es möglich, Werkstücke 18, 20 an gerundeten Endbereichen 38 unter Ausbildung einer konkaven Fläche 40 miteinander zu verschweißen. Alternativ kann der Schulterflächenbereich 36 auch konkav gekrümmt sein, um einen konvexen Verbindungsbereich 24 zu formen.
Fig. 4 und 5 zeigen die Verbindung der Werkstücke 18, 20 zum Bilden einer Bördelnaht 42 mit dem Schweißwerkzeug 10 in einer vierten Ausführungsform. Fig. 4 ist dabei ein Längsschnitt durch das Schweißwerkzeug 10 und Fig. 5 ist ein Querschnitt entlang der Linie V - V in Fig. 4.
In der gezeigten Ausführungsform sind an der Schulterfläche 26 zwei Vorsprünge 30 ausgebildet, um so die zu verbindenen Endbereiche 38 der Werkstücke 18, 20 zu umschließen. Die Sonde 14 ragt in einen Spalt zwischen den Endbereichen 38 und bringt Reibungswärme zum Plastifizieren der Endbereiche 38 auf den Verbindungsbereich 24 auf. Durch die Vorsprünge 30 werden die erwärmten und/oder plastifizierten Endbereiche 38 zusammengedrückt und es bildet sich die Bördelnaht 42.
Fig. 5 zeigt, dass die Vorsprünge 30 an Vorsprungsflächen 46, die den Endbereichen 38 zugewandt sind, mit Stufen 47 ausgebildet sind. Die Vorschubrichtung ist durch den Pfeil angedeutet. Die Vorsprünge 30 weisen in Vorschubrichtung einen Einlaufbereich 48, einen Verdichtungsbereich 50 sowie einen Auslaufbereich 52 als die Stufen 47 auf. Die Stufen 47 sind über Gefälle 56 miteinander verbunden.
Entlang der Vorschubrichtung kommen die Endbereiche 38 beim Rührreibschweißen zunächst mit dem Einlaufbereich 48 in Kontakt und werden durch die Drehbewegung der Sonde 14 plastifiziert. In plastifiziertem Zustand werden sie von dem Verdichtungsbereich 50 kontaktiert, der die Endbereiche 38 zusammendrückt und somit verbördelt. Der Auslaufbereich 52 der Vorsprünge 30 hat nach Verbör- delung keinerlei Kontakt mit den Endbereichen 38, sodass die Bördelnaht 42 sich ohne weitere Verformung verfestigen kann. Der Auslaufbereich 52 vermeidet eine Akkumulation von Werkstoff auf der Bördelnaht 42, so dass diese glatt und gratfrei verbleibt.
Fig. 6 bis 8 zeigen die Verbindung zweier unterschiedlich starker Werkstücke 18, 20 zu einem Endwerkstück 33. Die Schulter 12 des in dieser fünften Ausführungsform im Längsschnitt gezeigten Schweißwerkzeuges 10 weist den Vorsprung 30 auf, der über eine Fase 60 mit der Schulterfläche 26 verbunden ist. Mit dieser Ausführungsform ist es möglich, auch zwischen den zu verbindenen Werkstücken 18, 20 die Fase 60 zu erzeugen. Die Fase 60 entsteht durch das Rührreibschweißen mit dem in Fig. 7 gezeigten Schweißwerkzeug 10 an einer Verbindungsbereichskante 62 zwischen den Werkstücken 18, 20. Es resultiert das in Fig. 8 gezeigte Endwerkstück 33. In den gezeigten Ausführungsformen ist die Schulter 12 des Schweißwerkzeuges 10 für spezifische Aufgaben geformt. Somit lassen sich Verbindungen darstellen, die bislang nicht möglich waren.
Die bevorzugte Fügetechnik im Flugzeugbau ist zur Zeit immer noch das Nieten. Von dieser ausgereiften Technologie sind jedoch kaum weitere Kostenreduktionsmöglichkeiten oder Gewichtseinsparungen zu erwarten. Neue Technologien, wie beispielsweise die Verwendung faserverstärkter Kunststoffe, treten zu den etablierten Methoden und Werkstoffen in Konkurrenz. Im Bereich der metallischen Werkstoffe können nur weiterentwickelte, neue Werkstoffe und weiterentwickelte Fügeverfahren in Kombination zu Fortschritten bei den Produkteigenschaften und zu einer Kostenreduzierung beitragen.
Mit dem in den Ausführungsformen gezeigte Schweißwerkzeug 10 ist ein neues Fügeverfahren möglich. Es können Verbindungen erzeugt werden, die bislang nicht oder nur schwer darstellbar waren, beispielsweise ist nun das Verschweißen von Kantenstößen und von Behältern bis in die Ecken bzw. von Bördelnahten mittels Rührreibschweißen möglich. Weiter kann ein Materialüberstand vermieden bzw. automatisch über die Schulter 12 ein Materialüberstand nachgearbeitet und somit entfernt werden. Zusätzlich können Schweißnahtoberflächen geformt und wichtige Übergänge definiert werden. Unter Verwendung von Rührreibschweiß- werkzeugen war dies bislang nicht möglich.
Durch die besondere Form der Schulter 12 ist die Zugänglichkeit besser, das Schweißverfahren wird einfacher und die Werkstücke 18, 20 sind sicherer einspannbar. Die Werkstückkante 32 kann beispielsweise als Rundung 31 , als Fase 60 oder als Hohlkehle geformt werden. Weiter kann beispielsweise eine innere Ecke der Werkstücke 18, 20 an einen inneren Spannklotz als Halteeinrichtung 22 angeformt werden. Im Vergleich zu beispielsweise einer Kehlnaht ist die Verwendung des Schweißwerkzeuges 10 in den gezeigten Ausführungsformen einfacher und prozesssicherer, zusätzlich können die Werkstücke 18, 20 bis in die Ecken ausgeschweißt werden. Die als Formwerkzeug 34 ausgebildete Schulter 12 kann in ihrer Form, Masse und Gestalt den Erfordernissen angepasst werden, wie beispielsweise an die Wärme, die in dem geschweißten Bereich herrscht, und die gewünschte Nahtform.
Mit dem Schweißwerkzeug 10 können auf einfache Weise Stumpfstöße, spaltfreie Bördelnahten 42, definierte Übergänge unterschiedlicher Blechdicken sowie kleine Radien im Rührreibschweißverfahren geschweißt werden.
Bezugszeichenliste: Schweißwerkzeug
Schulter
Sonde
Kehlnaht
erstes Werkstück
zweites Werkstück
Halteeinrichtung
Verbindungsbereich
Schulterfläche
Umgebung
Vorsprung
Rundung
Werkstückkante
Endwerkstück
a Kante
Formwerkzeug
Schulterflächenbereich
Endbereich
konkave Fläche
Bördelnaht
Vorsprungsfläche
Stufe
Einlaufbereich
Verdichtungsbereich
Auslaufbereich
Gefälle
Fase
Verbindungsbereichkante
Achse

Claims

Patentansprüche
1. Schweißwerkzeug (10) zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken (18, 20) an einem Verbindungsbereich (24) mittels Rührreibschweißen,
das eine Schulter (12) zum Abtrennen des Verbindungsbereichs (24) von der Umgebung (28) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (12) als Formwerkzeug (34) ausgebildet ist.
2. Schweißwerkzeug (10) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (12) an und/oder neben einer Schulterfläche (26), die während des Rührreibschweißens an dem Verbindungsbereich (24) anzuordnen ist, einen Vorsprung (30) aufweist.
3. Schweißwerkzeug (10) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (30) an einer Vorsprungsfläche (46), die während des Rührreibschweißens an dem Verbindungsbereich (24) anzuordnen ist, gestuft ausgebildet ist.
4. Schweißwerkzeug (10) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass Stufen (47) der Vorsprungsfläche (46) senkrecht oder über ein Gefälle (56) oder über eine Rundung miteinander verbunden sind.
5. Schweißwerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass an und/oder neben der Schulterfläche (26) mehrere Vorsprünge (30) gebildet sind.
6. Schweißwerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (30) zum Formen einer Fase (60) und/oder einer Rundung (31) und/oder einer Hohlkehle an dem Verbindungsbereich (24), insbesondere an einer Verbindungsbereichkante (62), ausgebildet ist.
7. Schweißwerkzeug (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (12) einen konvex und/oder konkav gekrümmten Schulterflächenbereich (36) aufweist.
8. Schweißwerkzeug (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (12) zum Formen des Verbindungsbereichs (24) und/oder des wenigstens einen Werkstücks (18, 20) ausgebildet ist.
9. Schweißwerkzeug (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (12) zum Formen einer während des Rührreibschweißens an dem Verbindungsbereich (24) entstehenden Schweißnaht ausgebildet ist.
10. Schweißverfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Werkstücken (18, 20) an einem Verbindungsbereich (24) mittels Rührreibschweißen mit den Schritten: a) Bereitstellen eines Schweißwerkzeugs (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche;
b) Rührreibschweißen an dem Verbindungsbereich (24) unter gleichzeitigem Formen des Verbindungsbereichs (24) und/oder des wenigstens einen Werkstücks (18, 20) und/oder einer entstehenden Schweißnaht.
11. Werkstück (33), hergestellt mit einem Schweißwerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder einem Schweißverfahren nach Anspruch 10.
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