WO2015180926A1 - WERKZEUGANORDNUNG ZUM RÜHRREIBSCHWEIßEN - Google Patents

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

Definitions

  • the invention relates to a tool assembly for friction stir welding according to the preamble of claim 1.
  • friction stir welding workpieces are welded together by the required temperatures for welding by friction of a rotating tool shoulder on the workpiece surface and an introduced i.d.R. can be achieved centrally to the shoulder positioned pin (pin) and mixed by intensive deformation in the thermally softened state.
  • This relatively high processing forces are required.
  • It can be formed as heavy-duty line-shaped welds.
  • the problem is errors that may occur during welding at the weld. These are in particular binding defects in the weld root area (Lack of Penetration).
  • a positionally adapted guide the tool (Adjustable Pin Tool).
  • the contour of the weld seam to be formed is traveled with a measuring device before welding and the distance between the tool and the bearing surface of the clamping system used for the respective workpieces to be joined along the weld seam to be formed is determined.
  • a locally adapted positioning of the tool and the web length can be achieved with an optimal distance between the support surface and the underside of the web.
  • such a design requires complex trained drive spindles with independently controllable tool bar length and significantly more expensive tools.
  • the insert is only on both sides
  • double shoulder tools are used in which two shoulders are arranged with their faces facing each other, both shoulders are respectively connected by the web and the workpiece is located between the end faces of the shoulders.
  • the web must transmit all forces and moments, which leads to a high load, which is additionally increased in its effect by the maximum temperatures occurring in this area.
  • At least two double shoulder tools are provided on the tool arrangement according to the invention for friction stir welding, which are arranged at a distance from one another, preferably in the feed axis direction.
  • at least one double shoulder tool with a rotating drive spindle is driven from one side of workpieces to be welded together.
  • the shoulders of the double shoulder tools are each in touching contact with a surface of the workpieces to be joined together.
  • the shoulders of the double shoulder tools, which are arranged on the at least one drive spindle opposite side of the workpieces are connected at their remote from the workpieces faces with a connecting element.
  • a connecting element may be a traverse (bar, metal profile) in which the shoulders of the double shoulder tools are rotatably mounted, which are arranged on this side of the double shoulder tools.
  • Each double shoulder tool should be driven individually or at least connected to its own drive spindle.
  • the connecting element can also be designed in the form of a transmission or with a transmission.
  • the drive can be done with a single drive spindle, which acts on one of the tools.
  • the torque can then be transmitted for one or more double shoulder tool (s) via the gearbox. It can by a
  • a connecting element may advantageously be designed such that surface areas adjacent to the workpiece-facing end faces of the shoulders of the double-shoulder tools lie against the corresponding surface of the workpieces and form a support for the workpieces. This can be dispensed with an additional support and it can be better compensated for vibrations that occur during machining. In addition, this can be reduced by the lateral forces and moments acting on the tools.
  • Cooling may be present in and / or on a connecting element. With a correspondingly dimensioned connecting element, cooling can be integrated into the connecting element. It can be used a cost-effective water cooling.
  • At least one guide element may be present on a connecting element, which is at least partially in touching contact with the surface of at least one of the workpieces to be joined together. This can reduce unwanted movements and vibrations.
  • the webs between the shoulders of the double shoulder tools can each have a different outer diameter. This results in different speeds, the rotating webs and it change the friction conditions and achievable temperatures in the processed by the webs of the double shoulder tools areas in the Fu- gespalt.
  • the web of a double shoulder tool which is arranged in Vorschubachscardi behind another double shoulder tool, have a smaller outer diameter, as arranged on a front
  • Double shoulder tool With a double shoulder tool whose web has a larger outer diameter, higher degrees of deformation and temperatures can be achieved. Accordingly, a heating by friction and with a subsequently arranged double shoulder tool a higher strain hardening of the material can be achieved by means of a double shoulder tool arranged at the front in the feed axis direction.
  • the forces and moments acting on the tools in particular the circumferential bending of the webs, can be evened out or reduced.
  • additional elements may be formed or attached to a connecting element, which may be carried along with the tool assembly.
  • FIG. 1 shows an example of a tool arrangement according to the invention for two flat workpieces to be joined. For better visibility, the arrangement is shown cut along the joining zone in the area of engagement of the tools.
  • two double shoulder tools 1 and 2 are each connected to a drive spindle 3 and 4 whose direction of rotation is opposite.
  • the upper shoulders of the double shoulder tools 1 and 2 pointing in the direction of the drive spindles 3 and 4 are in touching contact with the surface pointing in this direction.
  • the lower shoulders of the double shoulder tools 1 and 2 are in touching contact with the opposite surface of the workpieces 5 and 6 to be joined.
  • the two double shoulder tools 1 and 2 are connected to the connecting element 7, which in this case is a traverse.
  • These shoulders are rotatably mounted in the connecting element 7, which can be achieved with a sliding but also with a rolling bearing.
  • pin-shaped elevations which are arranged on the facing in the direction of connecting element 7 end face of these shoulders in each case in the axis of rotation, be inserted into correspondingly complementary recordings in the connecting element 7.
  • the storage forms an at least almost play-free recording, which counteracts a bend about the axis of rotation of the double shoulder tools 1 and 2.
  • the connecting element 7 in this case is a simple beam with sufficient resistance moment, which prevents deformation. But it can also be used differently shaped metal profiles, which can also meet this requirement.
  • cooling, guide elements or other additional elements may be present on the connecting element 7.
  • the connecting element 7 can also be designed so that certain areas abut against the lower surface of the workpieces 5 and 6. These may be, for example, the areas which are arranged in Vorschubachsraum front and rear.
  • a transmission or the connecting element 7 may be formed as a transmission. In this case, can be dispensed with a drive spindle 3 or 4.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Werkzeuganordnung zum Rührreibschweißen mit mindestens zwei Doppelschulterwerkzeugen (1, 2), die in einem Abstand zueinander angeordnet sind. Dabei ist mindestens ein Doppelschulterwerkzeug (1, 2) mit einer rotierenden Antriebsspindel (3, 4) von einer Seite von miteinander zu verschweißenden Werkstücken (5, 6) angetrieben. Die Schultern der Doppelschulterwerkzeuge (1, 2) stehen jeweils in berührendem Kontakt mit einer Oberfläche der miteinander zu fügenden Werkstücke. Die Schultern der Doppelschulterwerkzeuge (1, 2), die an der der mindestens einen Antriebsspindel (3, 4) gegenüberliegenden Seite der Werkstücke (5, 6) angeordnet sind, sind mit einem Verbindungselement (7) verbunden.

Description

Werkzeuganordnung zum Rührreibschweißen
Die Erfindung betrifft eine Werkzeuganordnung zum Rührreibschweißen nach dem Oberbegriff des Anspruch 1. Beim Rührreibschweißen werden Werkstücke miteinander verschweißt, indem die zum Schweißen erforderlichen Temperaturen durch Reibung einer rotierenden Werkzeugschulter an der Werkstückoberfläche und eines in das Material eingeführten i.d.R. zentrisch zur Schulter positionierten Stegs (Pin) erreicht werden und durch intensive Umformung im thermisch erweichten Zustand vermischt werden. Dazu sind relativ hohe Bearbeitungskräfte erforderlich. Es können so hochbelastbare linien- förmige Schweißnähte ausgebildet werden. Problematisch sind dabei Fehler, die beim Schweißen an der Schweißnaht auftreten können. Dies sind insbesondere Bindefehler im Schweißnahtwurzelbereich (Lack of Penetration).
Zur Lösung dieses Problems sind verschiedene Lösungsansätze bekannt.
So wird beim klassischen Rührreibschweißen ein positionsangepasstes Nach- führen des Werkzeugs (Adjustable Pin Tool) eingesetzt. Dabei wird vor dem Schweißen die Kontur der auszubildenden Schweißnaht mit einer Messeinrichtung abgefahren und die Entfernung zwischen Werkzeug und Auflagefläche des eingesetzten Spannsystems für die jeweiligen zu fügenden Werkstü- cke entlang der auszubildenden Schweißnaht bestimmt. Damit kann eine lokal angepasste Positionierung des Werkzeugs und der Steglänge mit einem optimalen Abstand zwischen der Auflagefläche und der Unterseite des Stegs erreicht werden. Eine solche Ausführung erfordert aber komplex ausgebildete Antriebsspindeln mit unabhängig davon steuerbarer Werkzeugsteglänge und erheblich kostenintensivere Werkzeuge. Der Einsatz ist nur bei beidseitiger
Zugänglichkeit der Werkstücke möglich, da eine Abstützung der Werkstücke an den der Antriebsspindel gegenüberliegend angeordneten Oberflächen der Werkstücke erforderlich ist.
Bei einer anderen bekannten Möglichkeit werden Doppelschulterwerkzeuge eingesetzt, bei denen zwei Schultern mit ihren Stirnflächen gegenüberstehend angeordnet sind, beide Schultern jeweils durch den Steg verbunden sind und sich das Werkstück zwischen den Stirnflächen der Schultern befindet. An der der Antriebspindel gegenüberliegenden Stirnfläche, also an der Rückseite der Werkstücke kann so ein Wegfließen des Werkstoffs vermieden werden. Der Steg muss bei einer solchen Ausführung aber alle Kräfte und Momente übertragen, was zu einer hohen Belastung führt, die zusätzlich durch die in diesem Bereich auftretenden maximalen Temperaturen in ihrer Wirkung noch gesteigert wird.
Es sind auch Werkzeuge bekannt, bei denen auf der Rück- oder Unterseite der zu fügenden Werkstücke ein Werkzeug in Form eines Behältnisses eingesetzt wird, das keinen Kontakt zu dem Werkzeug hat, das mit der Antriebsspindel verbunden ist und das um den Steg ausgetriebenen Werkstoff auffängt und in den Prozess zurückpresst . Vorteil dieser Anordnung ist, dass der Steg vollständig durch das Werkstück durchdringen kann, was somit ein Lack of Penetration verhindert. Auch bei dieser Ausführung muss der Steg des Werkzeuges alle Kräfte und Momente übertragen. Es ist ein hoher Aufwand für die Führung der Werkzeuge erforderlich.
Außerdem werden Werkzeuge in einer Tandemanordnung eingesetzt, die sich axial gegenüberstehen und unabhängig voneinander betrieben werden, s. [Thomas, W.M., Inalco 98, 7th. Intl. Conf. Cambridge UK, April 1998]. Dadurch kann das Werkstück von Ober- und Unterseite gleichzeitig geschweißt werden, Bindefehler können dabei lediglich in der Mitte der Werkstücke auftreten. Es sind aber generell zwei voneinander unabhängig betriebene Antriebsspindeln erforderlich und es werden hohe Anforderungen an die Führung der Werkzeuge gestellt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten zur Vermeidung von Bindefehlern an den Schweißnähten beim Rührreibschweißen anzugeben, mit denen auch eine vereinfachte Führung der Werkzeuge und eine Reduzierung der auf die Werkzeuge wirkenden Kräfte und Momente erreicht werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Werkzeuganordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
An der erfindungsgemäßen Werkzeuganordnung zum Rührreibschweißen sind mindestens zwei Doppelschulterwerkzeuge vorhanden, die in einem Abstand zueinander, bevorzugt in Vorschubachsrichtung, angeordnet sind. Dabei ist mindestens ein Doppelschulterwerkzeug mit einer rotierenden Antriebsspindel von einer Seite von miteinander zu verschweißenden Werkstücken angetrieben. Die Schultern der Doppelschulterwerkzeuge stehen jeweils in berührendem Kontakt mit einer Oberfläche der miteinander zu fügenden Werkstücke. Die Schultern der Doppelschulterwerkzeuge, die an der der mindestens einen Antriebspindel gegenüberliegenden Seite der Werkstücke angeordnet sind, sind an ihren von den Werkstücken abgewandten Stirnflächen mit einem Verbindungselement verbunden.
In einer einfachen Ausführung kann ein Verbindungselement eine Traverse (Balken, Metallprofil) sein, in der die Schultern der Doppelschulterwerkzeuge drehbar gelagert sind, die an dieser Seite der Doppelschulterwerkzeuge angeordnet sind. Dabei sollte jedes Doppelschulterwerkzeug einzeln angetrieben oder zumindest mit einer eigenen Antriebsspindel verbunden sein. Das Verbindungselement kann aber auch in Form eines Getriebes oder mit einem Getriebe ausgebildet sein. Bei einer solchen Ausführung kann der Antrieb mit einer einzigen Antriebsspindel erfolgen, die an einem der Werkzeuge angreift. Das Drehmoment kann dann für das eine oder weitere Doppelschul- terwerkzeug(e) über das Getriebe übertragen werden. Dabei kann durch eine
Übersetzung eine Drehzahldifferenz an den Doppelschulterwerkzeugen oder es können unterschiedliche Drehrichtungen realisiert werden, was sich vorteilhaft auf die Qualität der auszubildenden Schweißnaht auswirken kann. Als Getriebe können reine Zahnradgetriebe aber auch Kombinationen mit Kette oder Zahnriemen eingesetzt werden.
Ein Verbindungselement kann vorteilhaft so ausgebildet sein, dass Oberflächenbereiche neben den werkstück-zugewandten Stirnflächen der Schultern der Doppelschulterwerkzeuge an der entsprechenden Oberfläche der Werk- stücke anliegen und eine Auflage für die Werkstücke bilden. Dadurch kann auf eine zusätzliche Abstützung verzichtet werden und es können Schwingungen, die bei der Bearbeitung auftreten, besser kompensiert werden. Außerdem können dadurch die auf die Werkzeuge wirkenden Querkräfte und Momente reduziert werden.
In und/oder an einem Verbindungselement kann eine Kühlung vorhanden sein. Bei entsprechend dimensioniertem Verbindungselement kann eine Kühlung in das Verbindungselement integriert sein. Es kann eine kostengünstige Wasserkühlung eingesetzt werden.
An einem Verbindungselement kann mindestens ein Führungselement vorhanden sein, das zumindest teilweise in berührendem Kontakt mit der Oberfläche mindestens eines der miteinander zu fügenden Werkstücke steht. Dadurch können unerwünschte Bewegungen und Schwingungen reduziert wer- den.
Die Stege zwischen den Schultern der Doppelschulterwerkzeuge können jeweils einen unterschiedlichen Außendurchmesser aufweisen. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Geschwindigkeiten, der sich drehenden Stege und es verändern sich die Reibverhältnisse und erreichbaren Temperaturen in den von den Stegen der Doppelschulterwerkzeuge bearbeiteten Bereichen im Fü- gespalt.
So kann der Steg eines Doppelschulterwerkzeugs, das in Vorschubachsrichtung hinter einem anderen Doppelschulterwerkzeug angeordnet ist, einen kleineren Außendurchmesser aufweisen, als an einem davor angeordneten
Doppelschulterwerkzeug. Mit einem Doppelschulterwerkzeug dessen Steg einen größeren Außendurchmesser aufweist, können höhere Umformgrade und Temperaturen erreicht werden. Dementsprechend kann mit einem in Vorschubachsrichtung vorn angeordneten Doppelschulterwerkzeug eine Er- wärmung durch Reibung und mit einem nachfolgend angeordneten Doppelschulterwerkzeug eine höhere Verformungsverfestigung des Werkstoffs erreicht werden.
Mit der Erfindung können die auf die Werkzeuge wirkenden Kräfte und Mo- mente, insbesondere die Umlaufbiegung der Stege vergleichmäßigt bzw. reduziert werden.
Außerdem können weitere Zusatzelemente an einem Verbindungselement ausgebildet oder angebracht sein, die mit der Werkzeuganordnung mitgeführt werden können.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dabei zeigt:
Figur 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Werkzeuganordnung für zwei zu fügende ebene Werkstücke. Zur besseren Sichtbarkeit ist die Anordnung entlang der Fügezone im Bereich des Eingriffs der Werkzeuge geschnit- ten dargestellt.
Bei der in der Figur 1 gezeigten Werkzeuganordnung sind zwei Doppelschulterwerkzeuge 1 und 2 jeweils mit einer Antriebsspindel 3 und 4 verbunden, deren Drehrichtung entgegengesetzt ist. Die oberen in Richtung der Antriebs- spindein 3 und 4 weisenden Schultern der Doppelschulterwerkzeuge 1 und 2 stehen in berührendem Kontakt mit der in diese Richtung weisenden Oberflä- chen der zu fügenden Werkstücke 5 und 6. Die unteren Schultern der Doppelschulterwerkzeuge 1 und 2 stehen in berührendem Kontakt mit der gegenüberliegenden Oberfläche der zu fügenden Werkstücke 5 und 6. An diesen beiden Schultern sind die beiden Doppelschulterwerkzeuge 1 und 2 mit dem Verbindungselement 7 verbunden, das in diesem Fall eine Traverse ist. Diese Schultern sind im Verbindungselement 7 drehbar gelagert, was mit einer Gleit- aber auch mit einer Wälzlagerung erreicht werden kann. Dazu können stiftförmige Erhebungen, die an der in Richtung Verbindungselement 7 weisenden Stirnfläche dieser Schultern jeweils in der Drehachse angeordnet sind, in entsprechend komplementär ausgebildete Aufnahmen im Verbindungselement 7 eingeführt sein. Die Lagerung bildet dabei eine zumindest nahezu spielfreie Aufnahme, die einer Biegung um die Drehachse der Doppelschulterwerkzeuge 1 und 2 entgegenwirkt.
Das Verbindungselement 7 ist in diesem Fall ein einfacher Balken mit ausreichendem Widerstandsmoment, das eine Verformung verhindert. Es können aber auch anders gestaltete Metallprofile eingesetzt werden, die ebenfalls diese Anforderung erfüllen können.
In nicht dargestellter Form können am Verbindungselement 7 eine Kühlung, Führungselemente oder andere Zusatzelemente, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert, vorhanden sein.
Das Verbindungselement 7 kann auch so ausgebildet sein, dass bestimmte Bereiche an der unteren Oberfläche der Werkstücke 5 und 6 anliegen. Dies können beispielsweise die Bereiche sein, die in Vorschubachsrichtung vorn und hinten angeordnet sind.
In ebenfalls nicht dargestellter Form kann in das Verbindungselement 7 auch ein Getriebe integriert oder das Verbindungselement 7 als Getriebe ausgebildet sein. In diesem Fall kann auf eine Antriebspindel 3 oder 4 verzichtet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Werkzeuganordnung zum Rührreibschweißen mit mindestens zwei Doppelschulterwerkzeugen, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind und bei der mindestens ein Doppelschulterwerkzeug (1, 2) mit einer rotierenden Antriebsspindel (3, 4) von einer Seite der von miteinander zu verschweißenden Werkstücken(5,6) angetrieben ist, und die Schultern der Doppelschulterwerkzeuge (1, 2) jeweils in berührendem Kontakt mit einer Oberfläche der miteinander zu fügenden Werkstücke stehen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schultern der Doppelschulterwerkzeuge (1, 2), die an der der mindestens einen Antriebsspindel (3, 4) gegenüberliegenden Seite der Werkstücke (5,6) angeordnet sind, mit einem Verbindungselement (7) verbunden sind.
2. Werkzeuganordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (7) eine Traverse ist, in der die Schultern der Doppelschulterwerkzeuge (1, 2) drehbar gelagert sind.
3. Werkzeuganordnung nach Anspruchl, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (7) in Form eines Getriebes oder mit einem Getriebe ausgebildet ist.
4. Werkzeuganordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelschulterwerkzeuge (1, 2) in Vorschubachsrichtung in einem Abstand zueinander angeordnet sind.
5. Werkzeuganordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Getriebe eine Drehzahldifferenz und/oder eine Drehrichtungsumkehr der miteinander verbundenen Doppelschulterwerkzeuge (1, 2) bewirkt.
6. Werkzeuganordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungselement (7) so ausgebildet ist, dass Oberflächenbereiche neben den Stirnflächen der Schultern der Doppelschulterwerkzeuge (1, 2) an der entsprechenden Oberfläche der Werkstücke (5,6) anliegen und eine Auflage für die Werkstücke bilden.
7. Werkzeuganordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in und/oder an einem Verbindungselement (7) eine Kühlung vorhanden ist.
8. Werkzeuganordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Verbindungselement (7) mindestens ein Führungselement vorhanden ist, das zumindest teilweise in berührendem Kontakt mit der Oberfläche mindestens eines der miteinander zu fügenden Werkstücke (5,6) steht.
9. Werkzeuganordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege der Doppelschulterwerkzeuge (1, 2) zwischen den Schultern jeweils einen unterschiedlichen Außendurchmesser aufweisen.
10. Werkzeuganordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg eines Doppelschulterwerkzeugs (2), das in Vorschubachsrichtung hinter einem anderen Doppelschulterwerkzeug (1) angeordnet ist, einen kleineren Außendurchmesser aufweist, als ein davor angeordnetes Doppelschulterwerkzeug (1).
11. Werkzeuganordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Werkstücken (5,6) zugewandte Seite des Verbindungselements (7) zumindest an seiner in Vorschubrichtung liegenden Kante (9) eine Abschrägung (8) aufweist.
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