EP2747930A1 - Rührreibschweissvorrichtung sowie verfahren zum fügen von werkstücken mittels eines rührreibschweissverfahrens - Google Patents

Rührreibschweissvorrichtung sowie verfahren zum fügen von werkstücken mittels eines rührreibschweissverfahrens

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Publication number
EP2747930A1
EP2747930A1 EP12737494.0A EP12737494A EP2747930A1 EP 2747930 A1 EP2747930 A1 EP 2747930A1 EP 12737494 A EP12737494 A EP 12737494A EP 2747930 A1 EP2747930 A1 EP 2747930A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sliding element
workpieces
welding pin
joining
welding
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Withdrawn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
EP12737494.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sahin SÜNGER
Franz Xaver Wirth
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.)
Technische Universitat Muenchen Institut fur Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften
Original Assignee
Technische Universitat Muenchen Institut fur Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften
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 Technische Universitat Muenchen Institut fur Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften filed Critical Technische Universitat Muenchen Institut fur Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften
Publication of EP2747930A1 publication Critical patent/EP2747930A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
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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
    • 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
    • B23K20/126—Workpiece support, i.e. backing or clamping

Definitions

  • the invention relates to an apparatus for joining workpieces and to a method for joining workpieces by means of a friction stir welding method.
  • FIG. 1 shows schematically the sequence of a friction stir welding process known from the prior art.
  • Friction stir welding uses a wear resistant tool consisting of a welding pin 3 (pin) and a shoulder 4, contrary to the conventional friction welding process, to produce a material bond.
  • the tool used is contoured so that solid material can be sheared in the contact area and stirred together.
  • the plasticizing process is supported by the influence of the resulting frictional heat.
  • the process temperatures are typically in the range of the recrystallization temperature of the base material, thus the joining partners are not melted.
  • the friction stir tool has three primary functions to fulfill (Mishra & Mahoney 2007, "Friction Stir Welding and Processing" -1st edition, ASM International 2007, ISBN 087170840X), these are:
  • the welding pin completely dips into the joint area and is responsible for the process flow along the joint surface (abutment surface, bonding surface) and for the generation of the material bond.
  • the task of the shoulder 4 is primarily to complete the joining zone 8 from the seam top.
  • the tool or the shoulder surface is pressed over the entire joining process away with a high contact pressure usually at an angle of 2 ° to 4 ° pungingly on the surface of the workpieces.
  • the shoulder 4 Due to the relatively large contact surface, the shoulder 4 is able, on the one hand, to protect the still hot weld deposit from access of air and, on the other hand, to prevent excessive material leakage and thus to facilitate the compaction and consolidation of the sheared material.
  • the shoulder 4 similar to the welding pin 3, contributes to heat generation and material shearing at areas near the surface.
  • No. 6,264,088 B1 discloses a tool concept in which the welding pin can rotate independently of the shoulder.
  • a disadvantage is in particular the required anti-rotation, which must be realized by an additional element, often a bracket. This connects the tool housing with a fixed part of the machine.
  • An automatic tool change as is common in modern processing machines, involves the risk of collision with this additional device. As a rule, therefore, a previous disassembly of the tool attachment is required.
  • Another disadvantage is the fact that the contact pressure of the stationary shoulder must be applied via the drives of the machine.
  • the clamping device comprises at least two clamping elements, which may be formed like a strip.
  • the two clamping elements are each provided with at least one guideway.
  • the two guideways are arranged parallel to each other and have a distance to each other, in which the joining zone (joining region) is located. Between Thus, the welding pin can be sunk into the edge regions of the workpieces to be joined in order to weld these two clamping elements.
  • the device according to the invention further provides a sliding element, which is held and guided by the guideways of the clamping elements.
  • the sliding element is moved according to the invention in a translational movement along the guide zone, wherein only the translational movement between the sliding piece and the workpieces takes place.
  • the sliding element is moved non-rotating.
  • the sliding element is held and guided by the two clamping elements.
  • the clamping elements are designed so that they hold or bias the sliding element against the surface of the two workpieces, so that the welding pin itself does not have to apply any force component for holding or pressing the sliding element.
  • the invention is thus based on the principle of eliminating the spatial dependence of the shoulder and welding pin on the tool side.
  • the shoulder of the tool is replaced by a sliding element, which is integrated into the clamping technology of the workpiece or in additional parts, such as bars.
  • the sliding element and the clamping jaws are for this purpose made so that the sliding element can be moved only along the welding path. Other translational or rotational degrees of freedom are limited by the positive connection between the sliding element and clamping jaws.
  • the welding pin pierces through a through hole or fit, which is arranged in the center of the sliding element, in the base material.
  • the sliding element is permanently carried along.
  • the joining zone is sealed at the top.
  • the sliding element should be made of a wear-resistant solid that is able to withstand the tribological loads.
  • the welding pin can move in the axial direction independently of the sliding element. As a result, endkraterget seams can be realized by the welding pin pulled out during the advancing movement of base material and the missing volume through
  • the invention thus provides the possibility of applying a suitable contact pressure of the sliding element to the joining region in order to recompress the joining region and to smooth the joining region. There are thus no or only minor reworking required.
  • the contact force on the sliding element is applied by the clamping elements, there is a considerable reduction in the force flow to a spindle element of a machine tool, which supports the rotating welding pin.
  • the clamping device according to the invention by means of the clamping elements allows a reduction of the contact pressure of the sliding element against the workpieces by up to 50%. According to the invention it is thus possible to produce burr-free joining areas, which often require no post-processing.
  • FIG. 1 is a schematic representation of the invention of the underlying
  • Fig. 2 is an enlarged view of the Rhakreibsch spavorgangs according to the
  • FIG. 3 is a simplified, perspective view of an embodiment of the device according to the invention
  • Fig. 4 shows an embodiment of a sliding element according to the invention in
  • Fig. 5 is a perspective view, analogous to FIG. 4, a modified
  • FIG. 6 is a representation of a further embodiment of the sliding element according to the invention with flattening and cavity
  • Fig. 7 shows another embodiment of an inventive
  • Fig. 8 shows a further embodiment of an inventive
  • FIG. 9 shows a further embodiment of an inventive
  • Sliding element for use with tubular workpieces.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the individual process steps of the friction stir welding according to the prior art.
  • a friction stir welding tool has a welding pin 3 and is flattened at its free end, so that an annular shoulder 4 is formed.
  • the tool is first immersed in the joint area 8 of the workpieces 1, 2.
  • the tool rotates for a certain period of time in the joining zone 8 and is subsequently moved in a translatory manner, as shown by the arrow, for joining, wherein the tool is rotated about its central axis.
  • FIG. 2 shows an enlarged detail view of the joining region 8.
  • a plasticizing zone 6 caused by the rotation of the welding pin 3 is shown.
  • Fig. 3 shows a schematic structure of the device according to the invention. In this case, plate-shaped workpieces 1 and 2 are shown, which are to be welded together along a joining zone 8 (joining region).
  • the two workpieces 1 and 2 are held and positioned by means of strip-like clamping elements 10 and 11.
  • clamping elements 10 and 1 1 and their fixation on the workpieces 1 and 2 has been omitted for the sake of simple illustration.
  • the two clamping elements 10 and 1 1 each have on their sides facing each other an undercut guide rail 12, in which a sliding element 13 is displaceable.
  • the sliding element 13 has a recess 14, through which a welding pin 3, which is rotatable about its central axis 9, inserted and in the material of the workpieces 1, 2 is einsteinbar, as has already been explained in connection with FIGS. 1 and 2 ,
  • the sliding element 13 By a movement of the welding pin 3 along the joint zone 8, the sliding element 13 is moved translationally along the undercut guide tracks 12.
  • the sliding element 13 has no further movements relative to the workpieces 1 and 2.
  • possible shapes and profiles of the sliding element 13 will be explained with reference to schematic representations. Different combinations of the individual variants of the sliding elements 13 are always possible in order to generate the most suitable solution for the respective welding task.
  • FIG. 4 The basic shape of the sliding element is shown in FIG. 4.
  • This variant consists of a circular disk with a centrally located recess 14 (through hole) for the welding pin 3. It can be incorporated to control the flow of material and a special profiling in the cylindrical surface of the recess 14. It is thus possible, for example, to guide the material flow in the direction of the tool tip by means of a thread profile and thus to improve the sealing effect between the welding pin 3 and the recess 14. An anti-rotation is not present in this basic variant. However, the displaced by the welding pin 3 base material acts a high force in the normal direction and thus a frictional connection to the sliding element 13, which effectively affects the rotation.
  • the circular shape has the advantage that tilting of the sliding element within the guide (guideways 12) can be virtually eliminated during the feed.
  • the sliding element 13 shown in FIG. 5 is based on the basic shape described above and is supplemented by two parallel flattenings 15, which serve as sliding surfaces and positive rotation in the recesses of the clamping elements 10, 11 (clamping bars).
  • the sliding element 13 can, as shown in Fig. 6, in addition to the two lateral flats 15 via an additionally incorporated cavity 16.
  • This space offers the displaced by the welding pin 3 base material and is used during the welding process as a material reservoir.
  • the cavity 16 can be realized in various forms such as a conical or concave recess. However, other geometric variations, in particular by profiling the Kavticiansthesis, possible.
  • angled variants of the sliding element 13 for example for welding tasks on T joints or oblique joints with different opening angles, are possible.
  • the sliding element 13 shown in FIG. 8 may be mentioned for a weld in the T-joint.
  • the variations described above and their combinations can also be realized with the angled sliding elements.
  • the principle of the tool-side spatial separation of the shoulder and welding pin 3 can also be used for friction stir welding on curved components, such as pipes and shafts, by means of a sliding element 13 (FIG. 9).
  • the main body of the sliding element 13 consists of a shell-shaped component, whose recess radius corresponds to the outer radius of the workpieces 1, 2 to be welded.
  • the sliding element 13 is provided with a matching recess 14 for the implementation of the welding pin.
  • welds can be realized both in the longitudinal and in the circumferential direction.
  • the inside of the pushing member 13 can be provided with the same modifications for improving the welding result as the sliding member 13 pushing member 13. Also here, similar to the sliding element, combinations of the various modifications are possible.
  • the sliding element 13 is moved by a translational movement of the welding pin 3 along the guide zone 8.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rührreibschweißvorrichtung zum Fügen von Werkstücken 1, 2 mit einem um seine Mittelachse 9 mittels eines Antriebs drehbaren Schweißstift 3 sowie mit zumindest einer Spannvorrichtung zum Spannen der zu fügenden Werkstücke 1, 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung zumindest zwei Spannelemente 10, 11 umfasst, welche jeweils eine hinterschnittene Führungsbahn 12 aufweisen, wobei die Führungsbahnen 12 parallel zueinander und parallel zu einem Fügebereich 8 angeordnet sind, dass zwischen den Spannelementen 10, 11 ein Schiebeelement 13 angeordnet ist, welches durch die Führungsbahnen 12 gegen die Werkstücke 1, 2 gehaltert ist und längs der Führungsbahnen 12 translatorisch verschiebbar ist, und dass das Schiebeelement 12 mit einer Ausnehmung 14 zur Durchführung des Schweißstifts 3 versehen ist, sowie ein Verfahren zum Rührreibschweißen unter Verwendung der oben genannten Vorrichtung.

Description

Rührreibschweißvorrichtung sowie Verfahren zum Fügen von Werkstücken
mittels eines Rührreibschweißverfahrens
Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf eine Rühreibschweißvorrichtung zum Fügen von Werkstücken sowie auf ein Verfahren zum Fügen von Werkstücken mittels eines Rührreibschweißverfahrens.
Die Grundlagen von Rührreibschweißverfahren sind beispielsweise aus der WO 93/10935 A1 vorbekannt.
Die Fig. 1 zeigt schematisch den Ablauf eines aus dem Stand der Technik bekannten Rührreibschweißprozesses. Das Rührreibschweißen verwendet entgegen den konventionellen Reibschweißverfahren ein verschleißbeständiges Werkzeug, bestehend aus einem Schweißstift 3 (Pin) und einer Schulter 4, um eine stoffschlüssige Verbindung zu erzeugen. Das eingesetzte Werkzeug ist dabei derart konturiert, dass festförmiges Material im Kontaktbereich geschert und miteinander verrührt werden kann. Der Plastifiziervorgang wird durch den Einfluss der entstehenden Reibungswärme unterstützt. Die Prozesstemperaturen befinden sich typischerweise im Bereich der Rekristallisationstemperatur des Grundwerkstoffes, somit werden die Fügepartner nicht aufgeschmolzen. Das Rührreibwerkzeug hat drei primäre Aufgaben zu erfüllen (Mishra & Mahoney 2007, „Friction Stir Welding and Processing"-1. Aufl.; ASM International 2007; ISBN 087170840X), diese sind:
Wärmegenerierung durch Reibung und Scherung;
Stoffschlüssiges Verbinden der Werkstücke (Fügepartner) durch Verrühren des plastifizierten Materials;
Abdichtung der Nahtoberseite durch die Schulter.
Während des Fügeprozesses taucht der Schweißstift vollkommen in den Fügebereich ein und ist für den Prozessablauf entlang der Fügefläche (Stoßfläche, Verbindungsfläche) und für die Generierung des Stoffschlusses verantwortlich.
Die Aufgabe der Schulter 4 besteht in erster Linie darin, die Fügezone 8 von der Nahtoberseite her abzuschließen. Dazu wird das Werkzeug bzw. die Schulterfläche über den gesamten Fügeprozess hinweg mit einer hohen Anpresskraft meist unter einem Anstellwinkel von 2° bis 4° stechend auf die Oberfläche der Werkstücke gedrückt. Durch die relativ große Auflagefläche ist die Schulter 4 in der Lage, einerseits das noch warme Schweißgut vor Luftzutritt zu schützen und andererseits übermäßigen Materialaustritt zu verhindern und somit die Verdichtung und Konsolidierung des gescherten Materials zu ermöglichen. Weiterhin trägt die Schulter 4, ähnlich wie der Schweißstift 3, zur Wärmegenerierung und Materialscherung an oberflächennahen Bereichen bei. In der US 6,264,088 B1 ist ein Werkzeugkonzept offenbart, in welchem der Schweißstift unabhängig von der Schulter rotieren kann.
Durch den Einsatz eines solchen Werkzeuges mit stillstehender Schulter bieten sich dem Anwender diverse Vorteile gegenüber einem konventionellen Werkzeugkonzept. Diese können u.a. folgende sein:
es bildet sich eine saubere, schuppenfreie Nahtoberfäche aus, die in ihrer Erscheinung dem unbeeinflussten Grundwerkstoff ähnelt; der thermische und mechanische Einfluss des Grundmaterials ist entlang der Nahttiefenrichtung nahezu homogen;
es erschließen sich neue Anwendungsbereiche für das Rührreibschweißen, als Beispiel sei hierzu eine Schweißnaht im T-Stoß (Kehlnaht) genannt.
Nachteilig wirkt sich jedoch insbesondere die erforderliche Verdrehsicherung aus, die durch ein Zusatzelement, oftmals ein Bügel, realisiert werden muss. Dieser verbindet das Werkzeuggehäuse mit einem feststehenden Part der Maschine. Ein automatischer Werkzeugwechsel, wie er bei modernen Bearbeitungsmaschinen üblich ist, birgt mit dieser Zusatzeinrichtung die Gefahr einer Kollision. In der Regel ist daher eine vorhergehende Demontage des Werkzeugaufsatzes erforderlich. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass die Anpresskraft der stillstehenden Schulter über die Antriebe der Maschine aufgebracht werden müssen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rührreibschweißvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und ein gutes Arbeitsergebnis liefert. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Rührreibschweißverfahren der oben genannten Art zu schaffen, welches unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik ein qualitativ hochwertiges Arbeitsergebnis liefert.
Erfindungsgemäß werden die Aufgaben durch die Merkmalskombinationen der unabhängigen Ansprüche gelöst, die jeweiligen Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Hinsichtlich der erfindungsgemäßen Rührreibschweißvorrichtung ist somit vorgesehen, dass die beiden Werkstücke mittels zumindest einer Spannvorrichtung zueinander positioniert und gespannt werden. Die Spannvorrichtung umfasst zumindest zwei Spannelemente, welche leistenartig ausgebildet sein können. Die beiden Spannelemente sind jeweils mit zumindest einer Führungsbahn versehen. Die beiden Führungsbahnen sind zueinander parallel angeordnet und weisen zueinander einen Abstand auf, in welchem sich die Fügezone (Fügebereich) befindet. Zwischen den beiden Spannelementen kann somit der Schweißstift in die Randbereiche der zu fügenden Werkstücke eingesenkt werden, um diese zu verschweißen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht weiterhin ein Schiebelement vor, welches durch die Führungsbahnen der Spannelemente gehalten und geführt ist. Das Schiebeelement wird erfindungsgemäß in einer translatorischen Bewegung längs der Führungszone bewegt, wobei lediglich die translatorische Bewegung zwischen dem Schiebestück und den Werkstücken stattfindet. Erfindungsgemäß wird das Schiebeelement nicht-rotierend bewegt. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist somit vorgesehen, dass das Schiebeelement durch die beiden Spannelemente gehalten und geführt wird. Die Spannelemente sind dabei so ausgebildet, dass sie das Schiebeelement gegen die Oberfläche der beiden Werkstücke halten bzw. vorspannen, so dass der Schweißstift selbst keine Kraftkomponente zur Halterung oder zum Anpressen des Schiebeelements aufbringen muss.
Die Erfindung basiert somit auf dem Prinzip, die räumliche Abhängigkeit von Schulter und Schweißstift werkzeugseitig aufzuheben. Hierzu wird die Schulter des Werkzeuges durch ein Schiebeelement ersetzt, welches in die Spanntechnik des Werkstückes oder in zusätzliche Teile, wie etwa Leisten, integriert wird. Das Schiebeelement und die Spannbacken werden hierzu so gefertigt, dass das Schiebeelement einzig entlang der Schweißbahn bewegt werden kann. Andere translatorische bzw. rotatorische Freiheitsgrade werden durch den Formschluss zwischen Schiebeelement und Spannbacken beschränkt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sticht der Schweißstift durch eine Durchgangsbohrung bzw. Passung, die im Zentrum des Schiebeelements angeordnet ist, in das Grundmaterial. Durch den Vorschub des Schweißstifts entlang der Schweißbahn (Fügezone) wird das Schiebeelement permanent mitgeführt. Die Fügezone ist dabei nach oben hin abgedichtet. Das Schiebeelement sollte aus einem möglichst verschleißbeständigen Feststoff gefertigt werden, der in der Lage ist, den tribologischen Belastungen standzuhalten. Diese ergeben sich aus der Reibung zwischen dem rotierenden Schweißstift und der Zylinderfläche einer Ausnehmung des Schiebeelements (Bohrung) sowie aus der vorschubbedingten Reibung zwischen der Grundwerkstoffoberfläche bzw. den Spannbacken-Flächen und dem Schiebeelement.
Durch die Substitution der Werkzeugschulter mit dem Schiebeelement ergeben sich, verglichen mit dem konventionellen Konzept einer stillstehenden Schulter, u.a. die folgenden Vorteile die nachfolgend gelistet sind: deutlich geringere Prozesskräfte in axialer Richtung, da sich der Kraftfluss der Schulter über die Spannvorrichtung schließt;
- geringerer Konstruktions- und Fertigungs- und Montageaufwand der Werkzeuge, da diese nur mehr aus dem Schweißstift bestehen;
der Schweißstift kann sich in axialer Richtung unabhängig von dem Schiebeelement bewegen. Dadurch können endkraterfreie Nähte realisiert werden, indem der Schweißstift noch während der Vorschubbewegung aus Grundwerkstoff herausgezogen und das fehlende Volumen durch
Schweißzusatzmaterial aufgefüllt wird.
Die Erfindung schafft somit die Möglichkeit, einen geeigneten Anpressdruck des Schiebeelements auf den Fügebereich aufzubringen, um den Fügebereich nachzuverdichten und den Fügebereich zu glätten. Es sind somit keine oder nur unwesentliche Nacharbeiten erforderlich.
Da erfindungsgemäß die Anpresskraft auf das Schiebeelement durch die Spannelemente aufgebracht wird, ergibt sich eine erhebliche Verringerung des Kraftflusses auf ein Spindelelement einer Werkzeugmaschine, welches den rotierenden Schweißstift lagert. Versuche haben ergeben, dass die erfindungsgemäße Spannvorrichtung mittels der Spannelemente eine Reduzierung der Anpresskraft des Schiebeelements gegen die Werkstücke um bis zu 50% ermöglicht. Erfindungsgemäß ist es somit möglich, gratlose Fügebereiche zu erzeugen, welche vielfach keine Nachbearbeitung bedürfen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung des der Erfindung zugrundeliegenden
Rührreibschweißverfahrens gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Rührreibschweißvorgangs gemäß dem
Stand der Technik,
Fig. 3 eine vereinfachte, perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schiebeelements in
Form einer kreisrunden Scheibe,
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung, analog Fig. 4, einer abgewandelten
Ausführungsform des Schiebeelements mit Abflachung,
Fig. 6 eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Schiebeelements mit Abflachung und Kavität,
Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Schiebeelements mit Abflachung und Erhebung,
Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Schiebeelements zur Verwendung bei T-Stößen oder Schräg-Stößen, und Fig. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Schiebeelements zur Verwendung bei rohrförmigen Werkstücken.
Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung die einzelnen Verfahrensschritte des Rührreibschweißens gemäß dem Stand der Technik. Ein Rührreibschweißwerkzeug weist einen Schweißstift 3 auf und ist an seinem freien Ende abgeflacht, so dass sich eine ringförmige Schulter 4 ausbildet. Das Werkzeug wird zunächst in den Fügebereich 8 der Werkstücke 1 , 2 eingetaucht. Dabei dreht sich das gesamte Werkzeug incl. des Schweißstifts 3. Das Werkzeug verweilt für einen gewissen Zeitraum in der Fügezone 8 und wird nachfolgend, wie durch den Pfeil dargestellt, zum Fügen translatorisch bewegt, wobei das Werkzeug um seine Mittelachse gedreht wird. Hierdurch gelangen sowohl der Schweißstift 3 als auch die Schulter 4 in Eingriff mit dem plastifizierten Material der Werkstücke 1 , 2. Die Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Detailansicht des Fügebereichs 8. Dabei ist eine durch die Drehung des Schweißstifts 3 hervorgerufene Plastifizierungszone 6 dargestellt. Das Bezugszeichen 5 zeigt den durch die Reibungswärme erwärmten Bereich, während das Bezugszeichen 7 das unbeeinflusste Grundmaterial darstellt. Die Fig. 3 zeigt einen schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei sind plattenförmige Werkstücke 1 und 2 dargestellt, welche längs einer Fügezone 8 (Fügebereich) miteinander zu verschweißen sind.
Die beiden Werkstücke 1 und 2 werden mittels leistenartiger Spannelemente 10 und 11 gehaltert und positioniert. Auf die detaillierte Ausgestaltung der Spannelemente 10 und 1 1 und deren Fixierung an den Werkstücken 1 und 2 wurde aus Gründen der einfachen Darstellung verzichtet.
Die beiden Spannelemente 10 und 1 1 weisen an ihren einander zugewandten Seiten jeweils eine hinterschnittene Führungsbahn 12 auf, in welcher ein Schiebeelement 13 verschiebbar ist.
Die Ausgestaltung des Schiebeelements 13 wird nachfolgend anhand einiger Ausführungsbeispiele im Einzelnen erläutert. Das Schiebeelement 13 weist eine Ausnehmung 14 auf, durch welche ein Schweißstift 3, welcher um seine Mittelachse 9 drehbar ist, eingeführt und in das Material der Werkstücke 1 , 2 einsenkbar ist, so wie dies bereits in Zusammenhang mit Fig. 1 und 2 erläutert wurde.
Durch eine Bewegung des Schweißstifts 3 längs der Fügezone 8 wird das Schiebeelement 13 längs der hinterschnittene Führungsbahnen 12 translatorisch bewegt. Das Schiebeelement 13 weist keine weiteren Bewegungen relativ zu den Werkstücken 1 und 2 auf. Nachfolgend werden anhand schematischer Darstellungen mögliche Formen und Profilierungen des Schiebeelements 13 erläutert. Dabei sind auch stets verschiedene Kombinationen aus den einzelnen Varianten der Schiebeelemente 13 möglich, um für die jeweilige Schweißaufgabe die geeignetste Lösung zu generieren.
Die Grundform des Schiebeelements ist in Fig. 4 gezeigt. Diese Variante besteht aus einer kreisrunden Scheibe mit einer mittig angebrachten Ausnehmung 14 (Durchgangsbohrung) für den Schweißstift 3. Dabei kann zur Steuerung des Materialflusses auch eine spezielle Profilierung in die Zylinderfläche der Ausnehmung 14 eingearbeitet werden. So ist es beispielsweise möglich, durch ein Gewindeprofil den Materialfluss in Richtung Werkzeugspitze zu lenken und somit die Dichtwirkung zwischen Schweißstift 3 und Ausnehmung 14 zu verbessern. Eine Verdrehsicherung ist bei dieser Grundvariante nicht vorhanden. Jedoch wirkt der durch den Schweißstift 3 verdrängte Grundwerkstoff eine hohe Kraft in Normalrichtung und somit auch einen Kraftschluss auf das Schiebeelement 13 aus, was die Rotation effektiv beeinträchtigt. Die kreisrunde Form bietet den Vorteil, dass während des Vorschubes ein Verkanten des Schiebeelements innerhalb der Führung (Führungsbahnen 12) nahezu ausgeschlossen werden kann. Das in Figur 5 gezeigte Schiebeelement 13 basiert auf der vorherig beschriebenen Grundform und wird durch zwei parallele Abflachungen 15, die als Gleitflächen und formschlüssige Verdrehsicherung in den Aussparungen der Spannelemente 10, 11 (Spannleisten) dienen, ergänzt. Das Schiebeelement 13 kann, wie in Fig. 6 dargestellt, neben den zwei seitlichen Abflachungen 15 über eine zusätzlich eingearbeitete Kavität 16. Dieser Freiraum bietet dem vom Schweißstift 3 verdrängten Grundwerkstoff Platz und dient während des Schweißvorgangs als Werkstoffreservoir. Die Kavität 16 kann in verschiedenen Formen wie beispielsweise einer kegelförmigen oder konkaven Ausnehmung realisiert werden. Jedoch sind auch weitere geometrische Variationen, insbesondere durch eine Profilierung der Kavitätsfläche, möglich.
Um die Verdichtung und Konsolidierung des gescherten Materials innerhalb der Fügezone 8 zu unterstützten, befindet sich bei dem in Fig. 7 gezeigtem Schiebeelement 13 eine zusätzliche Erhebung 17 (Verdichtungslippe, vorstehender Bereich), die lokal Druck auf den Grundwerkstoff ausübt und so die Konsolidierung des gescherten Materials begünstigen kann. Durch verschiedene Ausführungen der Form, Lage und Wirklänge der Verdichtungslippe kann die Wirkung den Schweißoperationen und den Grundwerkstoffen flexibel angepasst werden.
Neben den ebenen Ausführungen für Stumpfstoß- bzw. Überlappstoßkonfigurationen, sind erfindungsgemäß auch gewinkelte Varianten des Schiebeelements 13, beispielsweise für Schweißaufgaben an T-Stößen oder Schrägstößen mit verschiedenen Öffnungswinkeln, möglich. Exemplarisch sei hierzu das in Fig. 8 gezeigte Schiebeelement 13 für eine Schweißnaht im T-Stoß genannt. Wie auch schon bei den ebenen Schiebeelementvarianten, sind auch bei den gewinkelten Schiebeelementen die vorangehend beschriebenen Variationen und deren Kombinationen realisierbar.
Das Prinzip der werkzeugseitigen räumlichen Trennung von Schulter und Schweißstift 3 kann mit Hilfe eines Schiebeelements 13 (Fig. 9) auch zum Rührreibschweißen an gekrümmten Bauteilen, wie beispielsweise an Rohren und Wellen, umgesetzt werden. Der Grundkörper des Schiebeelements 13 besteht aus einem schalenförmigen Bauteil, dessen Aussparungsradius dem Außenradius der zu verschweißenden Werkstücke 1 , 2 entspricht. Im Zentrum ist das Schiebeelement 13 mit einer passenden Ausnehmung 14 zur Durchführung des Schweißstifts versehen. Durch den Einsatz dieses Elementes sind Schweißnähte sowohl in Längs- als auch in Umfangsrichtung zu realisieren. Die Innenseite des Schiebeelements 13 kann mit den gleichen Modifikationen zur Verbesserung des Schweißergebnisses, wie beim Schiebeelement 13 für ebene Schweißnähte, versehen werden. Ebenfalls sind hierbei, ähnlich zum Schiebeelement, Kombinationen aus den verschiedenen Modifikationen möglich.
Aus der oben stehenden Beschreibung unterschiedlicher Ausführungsbeispiele der Erfindung ergibt sich, dass das Schiebeelement 13 durch eine translatorische Bewegung des Schweißstifts 3 längs der Führungszone 8 bewegt wird. Es ist erfindungsgemäß jedoch auch möglich, hierzu alternativ oder zur Unterstützung einen separaten Antrieb vorzunehmen. Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, das Schiebeelement 13 mit einer vorbestimmten Anpresskraft gegen die Oberfläche der Werkstücke 1 , 2 vorzuspannen, beispielsweise durch ein zwischengeschaltetes elastisches Element oder durch geeignete Ausgestaltung der Spannelemente 10, 11 zur Aufbringung einer zusätzlichen Vorspannkraft.
Bezugszeichenliste
1 , 2 Werkstück (Fügeteil)
3 Schweißstift
4 Schulter
5 Reibungswärme
6 Plastifizierungszone
7 unbeeinflusstes Grundmaterial
8 Fügezone / Fügebereich
9 Mittelachse
10, 11 Spannelement
12 hinterschnittene Führungsbahn
13 Schiebeelement
14 Ausnehmung
15 Abflachung/Verdrehsicherung
16 Kavität (kegelförmige oder konkave Ausnehmung)
17 Erhebung / vorstehender Bereich

Claims

Patentansprüche
Rührreibschweißvorrichtung zum Fügen von Werkstücken (1 , 2) mit einem um seine Mittelachse (9) mittels eines Antriebs drehbaren Schweißstift (3) sowie mit zumindest einer Spannvorrichtung zum Spannen der zu fügenden Werkstücke (1 , 2), dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung zumindest zwei Spannelemente (10, 11 ) umfasst, welche jeweils eine hinterschnittene Führungsbahn (12) aufweisen, wobei die Führungsbahnen (12) parallel zueinander und parallel zu einem Fügebereich (8) angeordnet sind, dass zwischen den Spannelementen (10, 1 1 ) ein Schiebeelement (13) angeordnet ist, welches durch die Führungsbahnen (12) gegen die Werkstücke (1 , 2) gehaltert ist und längs der Führungsbahnen (12) translatorisch verschiebbar ist, und dass das Schiebeelement (12) mit einer Ausnehmung (14) zur Durchführung des Schweißstifts (3) versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Spannelemente (10, 11 ) zur Aufbringung einer Vorspannkraft auf das Schiebeelement (13) in Richtung der Werkstückoberfläche ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schiebeelement (13) in Form einer Platte oder eines Formstücks ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, die Ausnehmung (14) des Schiebeelements (13) im Wesentlichen zentrisch zu dem Schiebeelement (13) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Schiebeelement (13) als kreisrunde Scheibe ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schiebeelement (13) mit zumindest einer Verdrehsicherung (15) versehen ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schiebeelement (13) an seiner den Werkstücken (1 , 2) zugewandten Seite zumindest teilweise konkav (16) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schiebeelement (13) an seiner den Werkstücken (1 , 2) zugewandten Seite zumindest einen vorstehenden Bereich (17) aufweist.
Verfahren zum Fügen zweier Werkstücke (1 , 2) mittels eines Rührreibschweißverfahrens, bei welchem die Werkstücke (1 , 2) mittels einer Spannvorrichtung (10, 1 1 ) gehaltert werden, bei welchem ein Schweißstift (3) mittels eines Antriebs in Rotation versetzt und in den Fügebereich (8) zwischen die Werkstücke (1 , 2) eingebracht und längs des Fügebereichs (8) translatorisch bewegt wird und bei welchem ein Schiebeelement (13) mittels der Spannvorrichtung (10, 11 ) im Fügebereich (8) gegen die Oberflächen der Werkstücke (1 , 2) vorgespannt wird und zusammen mit dem Schweißstift (3), welcher das Schiebeelement (13) durchgreift, längs des Fügebereichs (8) translatorisch bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die translatorische Bewegung des Schiebelements (13) durch den Schweißstift (3) oder durch einen separaten Antrieb aufgebracht wird.
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