WO2020064622A1 - VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINER STOFFSCHLÜSSIGEN VERBINDUNG VON WERKSTÜCKEN MITTELS RÜHRREIBSCHWEIßEN - Google Patents

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WO2020064622A1
WO2020064622A1 PCT/EP2019/075511 EP2019075511W WO2020064622A1 WO 2020064622 A1 WO2020064622 A1 WO 2020064622A1 EP 2019075511 W EP2019075511 W EP 2019075511W WO 2020064622 A1 WO2020064622 A1 WO 2020064622A1
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vibrations
holder
pin
shaped tool
workpieces
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PCT/EP2019/075511
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Thomas Mäder
Burkhard Kranz
Martin Hamm
Guntram Wagner
Marco Thomä
Andreas Gester
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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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
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    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/1245—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
    • B23K20/125—Rotary tool drive mechanism

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a cohesive connection of workpieces by means of friction stir welding.
  • two workpieces are positioned with their surfaces to be joined to one another in such a way that they are in touching contact.
  • a rotating pin-shaped tool performs a feed movement between the surfaces of the workpieces to be joined.
  • the integral connection is formed with the energy introduced and pressure forces exerted on the workpieces, as is known from the prior art.
  • vibrations are at least one device in the holder of the pen-shaped tool, the workpieces and / or a clamping device for the workpieces, the holder of a shoulder not connected to the pen-shaped tool and / or one on the the holder of the pin-shaped tool opposite side of the workpieces arranged counter holder in the workpieces with a frequency that corresponds to a natural resonance frequency of the device used for coupling.
  • vibrations with a frequency that corresponds to the natural resonance frequency of the holder of the pen-shaped tool with the pen-shaped tool, in the workpieces, the holder of the pen-shaped tool, one Shoulder of the pen-shaped tool and or the counterholder can be coupled.
  • the vibrations should be able to be detected on the workpieces with a sensor.
  • a vibration sensor is particularly advantageously arranged on at least one workpiece, a clamping device for the workpieces and / or the holder of the pin-shaped tool, with which the amplitude of the vibrations coupled into the joining area of the workpieces is detected.
  • the at least one vibration sensor is connected to an electronic Regeleinrich device with which the frequency with which vibrations are coupled in with the at least one device is regulated to the natural resonance frequency of the holder of the pen-shaped tool with the pen-shaped tool.
  • the at least one device with which the vibrations are coupled in and / or the at least one vibration sensor should also be moved with the feed movement of the pin-shaped tool. As a result, damping effects acting on the injected vibrations can be avoided and / or the measurement accuracy in the amplitude determination can be increased.
  • a piezoelectric, magnetostrictive, electromechanical, hydraulic, pneumatic device and / or a device designed to carry out a heat pulse method can be used for the coupling of vibrations.
  • a facility to carry out a heat pulse method, a pulsed laser with variable pulse frequency can be.
  • Vibrations with a frequency in the range 10 Hz to 100 kHz, with an amplitude longitudinal in the range 1 pm to 1 mm and / or torsional in the range 0.1 mrad to 20 mrad can be coupled in.
  • Vibrations can also be coupled into a shoulder of the pin-shaped tool.
  • a shoulder can be rigidly attached or rotated with the pin-shaped tool.
  • Vibrations can also be coupled in on the side of the workpieces opposite the holder of the pin-shaped tool, for example via a counterholder.
  • Vibrations can advantageously also be coupled in such a way that a vibration node is formed in an area of the holder of the pin-shaped tool.
  • a vibration amplitude that is at least 50% smaller than the maximum vibration amplitude should be maintained in the region of the vibration node.
  • Actuator components that are present for the coupling of vibrations on the holder for the pin-shaped tool or are integrated therein, are regulated.
  • the excitation with a natural resonance frequency of the coupling system is particularly advantageous.
  • the system can swing up effectively.
  • a vibration mode / eigenmode is assigned to each resonance frequency. So one should work with one of the many possible natural resonance frequencies, in which the coupling system with a favorable mode de / Natural waveform vibrates. An inexpensive fashion is one in which the desired vibration occurs at the tip of the pen-shaped tool.
  • the coupling system or the device with which vibrations are to be coupled should be operated at a frequency or natural resonance frequency at which a maximum amplitude on the pin-shaped tool with the lowest possible power when coupling in vibrations is required. This can be achieved with a suitably designed electronic control device which is designed in such a way that it can take into account the natural frequencies of the device for coupling in vibrations or the coupling system.
  • the excitation of the vibration to a suitable resonant vibration mode of the mechanical coupling system consisting of a holder for the shoulder not connected to the pin-shaped tool with the shoulder and, if applicable, actuator components, which are present for the coupling of vibrations to the holder for the shoulder which is not connected to the pin-shaped tool or are integrated therein.
  • the vibration should be excited to a suitable resonant vibration mode of the mechanical coupling system consisting of counter-holder and, if necessary, actuator components that are present or integrated into the counter-holder for the coupling of vibrations.
  • the regulation of the excitation frequency of the coupled vibrations serves to track the energetically most efficient vibration excitation as a result of changes in the vibration properties due to heating, immersion depth and contact pressure. It is also advantageous to decouple the vibration transmission via the tool holder on the machine side, so that only a small proportion of the vibrations can be transferred to the spindle.
  • a more homogeneous microstructure distribution can be achieved in the joint area and oxide components can be removed or avoided there.
  • Figure 1 shows an example with possibilities for coupling vibrations gene in a holder for a pen-shaped tool
  • FIG. 2 shows an example with possibilities for coupling vibrations into a shoulder that is not connected to the pen-shaped tool and does not rotate;
  • FIG. 4 examples in which a joining is carried out by means of a rotating pin-shaped tool and a fixed shoulder and coupled in under different vibrations;
  • FIG. 5 examples in which a joining in which vibrations are coupled into a standing shoulder of a pin-shaped tool with shoulder vibrations
  • Bobbin tools can be coupled.
  • Figure 8 further examples in which a joining by means of vibrations to be joined in two workpieces is coupled in via a counter-holder.
  • Piezo actuators 2a in the vibration converter 2 of the device, which are used for Coupling of vibrations is formed, coupled.
  • the vibration excitation takes place in the longitudinal direction along the axis of rotation 3 of the pin-shaped tool 1.
  • the excitation frequency lies in the range of a mechanical resonance of the arrangement of pin-shaped tool 1, its holder 4 and the vibration converter 2.
  • a vibration mode (eigenmode) is excited with the excitation frequency in which the vibration maxima occur at the front end of the pin-shaped tool 1 and at the rear end of the vibration transducer 2.
  • an almost stationary oscillation node lies in the area 4a of the holder 4 of the pin-shaped tool 1.
  • the position of the oscillation node ensures that the oscillating system is decoupled from the outer regions of the holder 4 an amplitude amplification from the vibration converter 2 in the direction of the pin-shaped tool 1. In the area of the vibration node, the smallest possible vibration amplitude is present.
  • the piezo actuators 2a are supplied with an electrical alternating voltage corresponding to the excitation frequency. It generates this electrical AC voltage with the frequency generator 5. It is conducted with the cable connection 5a to the non-rotating transformer 6 for electrical energy. The electrical AC voltage is inductively from the standing transformer 6 to the rotating with the holder 4 via the transmitter 7 for electrical energy and from this by means of electrical conductors to the piezo actuators 2a.
  • the non-rotating transformer 6 is rotatably supported and positioned by means of the rotary bearing 6a on the holder 4 and secured against rotation with the support 6b. It is also possible to have a version without rotating the non-rotating bearing
  • Transmitter 6 and simultaneous support and positioning on the support 6b.
  • the sensor 2b integrated in the vibration converter 2 detects information about the current vibration amplitude and the position of the resonance frequency in relation to the current excitation frequency with which vibrations are coupled in during operation.
  • sensor 2b is designed as additional piezoceramic, but there are also other sensors possible variants conceivable.
  • the sensor signals obtained are processed by evaluation electronics and transmitted wirelessly between rotating and stationary transmitters 7 and 6. On the frequency generator 5, the sensor data are used to regulate the frequency of the electrical alternating voltage for feeding the actuators 2a of the vibration converter 2.
  • the holder 4 of the pen-shaped tool 1 is equipped with a coupling 4b for the pen-shaped tool 1 and a coupling 4c for the rotary drive of the pen-shaped tool 1.
  • the couplings 4b and 4c can correspond to conventional and partly standardized machine tool standards and thus create universal system compatibility.
  • the holding tion 4 can be flowed through with a coolant and thus cooled.
  • the necessary connections 4d are provided on the drive-side coupling of the holder 4.
  • this exemplary embodiment can also be operated in such a way that vibrations are coupled torsionally about the axis of rotation of the pin-shaped tool 1.
  • This direction of vibration of the pin-shaped tool 1 can be generated directly by a torsional vibration excitation in the vibration converter 2. It is also a longitudinal vibration excitation in the vibration converter 2 and a tool to the pin-shaped tool 1 mechanical translation into a torsional vibration can be realized.
  • a torsional excitation takes place via a standing shoulder or an additional standing shoulder on the pin-shaped tool 1. In this way, the initiation of a sufficiently large vibration amplitude can be ensured.
  • FIG 2 another embodiment for friction stir welding with vibration support is shown.
  • the pin-shaped tool 11 rotates with the holder 14 and can be designed with or without a shoulder.
  • the holder 16 for the non-rotating rigid shoulder 16d is arranged and is rotatably supported by means of the rotary bearing 16a in the holder 14, positioned and secured against rotation by the support 16b.
  • An execution without rotatable mounting of the holder 16 and simultaneous support and positioning via the support 16b is also possible.
  • the vibrations of the shoulder 16d are determined by means of an inverse piezo effect of the piezo actuators 12a in the vibration converter 12 of the device
  • the vibration excitation takes place in the longitudinal direction 13 along the axis of rotation of the pin-shaped tool 11.
  • the excitation frequency is in the range of a mechanical resonance of the arrangement of non-rotating rigid shoulder 16d, its holder 16 and the vibration transducer 12.
  • a waveform Eigenmode excited in which the vibration maxima at the front end of the non-rotating rigid shoulder 16d and at the rear end of the vibration converter 12 occur.
  • the excited waveform there is an almost stationary vibration node in the area 16c of the holder 14 of the non-rotating rigid shoulder 16d.
  • the position of the oscillation node ensures the oscillation decoupling of the oscillating system relative to the outer regions of the holder 16.
  • the specific geometric configuration of the oscillating components of the system amplifies the amplitude of the oscillation wall 12 in the direction of the non-rotating rigid shoulder 16d. The smallest possible vibration amplitude is present in the area of the vibration node.
  • the piezo actuators 12a are supplied with an electrical alternating voltage corresponding to the excitation frequency. It generates this electrical alternating voltage with the frequency generator 15. It is transmitted with the cable connection 15a to the holder 16 and from there by means of electrical conductor tracks to the piezo actuators 12a.
  • the sensor 12b integrated in the vibration converter 12 detects information about the current vibration amplitude and the position of the resonance frequency in relation to the current excitation frequency with which vibrations are coupled in during operation.
  • the sensor 12b integrated in the vibration transducer 12 detects information about the current vibration amplitude and the position of the resonance frequency in relation to the current excitation frequency with which vibrations are coupled in during operation.
  • the holder 14 of the pin-shaped tool 11 is equipped with a coupling 14b for the pin-shaped tool 11 and a coupling 14c for the rotary drive of the pin-shaped tool 11 and can correspond to those of the example from FIG.
  • the exemplary embodiments according to FIGS. 1 and 2 can also be operated in such a way that vibrations are coupled torsionally about the axis of rotation of the pin-shaped tool 1 or 11.
  • This direction of vibration of the pin-shaped tool 1 or the non-rotating shoulder 16 d can be generated directly by a torsional vibration excitation in the vibration transducer 2 or 12.
  • a longitudinal vibration excitation in the vibration transducer 2 or 12 and a mechanical translation into a torsional vibration acting on the pin-shaped tool 1 or on the non-rotating shoulder 16a can also be realized.
  • Preference is given to torsional excitation via a standing shoulder or an additional standing shoulder on the pin-shaped tool 1. In this way, the initiation of a sufficiently large vibration amplitude can be ensured.
  • FIGS. 3 to 8 show examples of possibilities for coupling vibrations. The arrows are different
  • the options shown in FIG. 3 are the coupling of longitudinal vibrations parallel to the axis of rotation of the pin-shaped rotating tool 1 as well as the rotational axis torsionally coupled into the pin-shaped tool 1.
  • the pin-shaped tool 1 has a rotating shoulder
  • vibrations are coupled torsionally into the pin-shaped tool 1 and the co-rotating shoulder of the pin-shaped tool 1.
  • FIG. 4 shows possibilities for coupling vibrations in a pin-shaped tool 1 in which the shoulder does not rotate.
  • the left illustration illustrates the possibility of longitudinal vibration coupling over the shoulder.
  • FIG. 5 shows possibilities in which vibrations are coupled directly into the workpieces 8 via a standing shoulder. On the left, longitudinal vibrations are coupled into the workpieces 8 parallel to the axis of rotation of the pin-shaped tool 1 in the workpieces 8.
  • FIG. 6 shows possibilities of coupling vibrations with a rotating bobbin tool, here on the left as longitudinal vibrations, in the middle as torsional vibrations and on the right the combination of these possibilities.
  • FIG. 7 shows examples in which the coupling of vibrations into the two workpieces 8 to be joined is coupled in from the rear by means of the counter-holder 9 arranged opposite one another by means of the pin-shaped tool 1.
  • longitudinally aligned vibrations are coupled parallel to the axis of rotation of the tool 1 in the two workpieces 8.
  • these are torsional vibrations around the axis of rotation and the right display illustrates the combination of the other two options.
  • FIG. 8 shows possibilities for coupling vibrations at a greater distance from the joining area than is the case with the example according to FIG. 7.
  • This is a Bracket 9 in the example according to FIG. 7 is designed such that the vibrations are coupled in via an inner part which is surrounded by an outer firmly held, preferably sleeve-shaped area.
  • the vibrations are coupled in via an outer region of the counter holder, whereas the inner region of the counter holder 9 is held firmly.
  • the left representations again show a longitudinal oscillation coupling, the middle one a torsional oscillation coupling and the right representation the combination of both possibilities.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)

Abstract

Bei dem Verfahren zum Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung von Werkstücken mittels Rührreibschweißen werden während der Rotation und der Durchführung der Vorschubbewegung mit mindestens einer Einrichtung (2) Schwingungen in die Fügenzone der Werkstücke (8) über die Halterung des stiftförmigen Werkzeugs (1, 11), die Halterung einer nicht mit dem stiftförmigen Werkzeug verbundenen Schulter (10, 16d) und/oder einem an der der Halterung des stiftförmigen Werkzeugs (1, 11) gegenüberliegenden Seite der Werkstücke (8) angeordneten Gegenhalter (9) in die Werkstücke (8) mit einer Frequenz, die einer Eigenresonanzfrequenz der zur Einkoppelung genutzten Einrichtung entspricht, eingekoppelt. Allein oder zusätzlich können mit einer Einrichtung, die zur Durchführung eines Wärmepulsverfahrens ausgebildet ist, Schwingungen mit einer Frequenz, die der Eigenresonanzfrequenz der Halterung des stiftförmigen Werkzeugs (1, 11) mit dem stiftförmigen Werkzeug (1, 1) entspricht, in die Werkstücke (8), die Halterung des stiftförmigen Werkzeugs, einer Schulter (10) des stiftförmigen Werkzeugs und oder den Gegenhalter (9) eingekoppelt werden.

Description

VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EI NER STOFFSCHLUSSIGEN VERBIN DUNG VON
WERKSTÜCKEN M ITTELS RÜHRREI BSCHWEIßEN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung von Werkstücken mittels Rührreibschweißen.
Das Rührreibschweißverfahren hat sich in der jüngeren Vergangenheit in vie len Bereichen etabliert. Dabei wirken sehr hohe Schweißkräfte in vertikaler als auch horizontaler Richtung auf die zu fügenden Werkstücke und damit auf die Schweißeinrichtung inklusive Spanneinrichtung. Die Erzeugung von nicht- schmelzscheißbaren Mischverbünde geht trotz der vergleichsweise geringen Prozesstemperaturen mit der Bildung spröder intermetallischer Phasen ein her. Diese wirken sich nachteilig auf die mechanischen Eigenschaften der stoffschlüssigen Verbindung aus, was insbesondere die statischen und zykli- sehen Verbundfestigkeiten betrifft.
Es ist bekannt diesen Nachteilen durch Einkopplung von Schwingungen oft im Ultraschalbereich entgegen zu treten. Mit diesen Ultraschallwellen kann auch eine Beeinflussung der Fügezone bzw. der zu fügenden Oberflächen der Werkstücke und dabei insbesondere Oxidschichten und andere Ablagerungen beseitigt werden.
Es hat sich aber gezeigt, dass wegen des relativ kleinen Energieeintrages in die Fügezone und der eigentlich nicht ausgebildeten Schmelze des Werkstück werkstoffs in Summe große Energiemengen erforderlich sind, um diese vor teilhaften Effekte zu erreichen. Unter Umständen kann mit eingekoppelten Ultraschallwellen sogar gar kein vorteilhafter Effekt erreicht werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Effektivität beim Rührreibschweißver fahren mit eingekoppelten Schwingungen zu erhöhen bzw. zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiter bildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeich- neten Merkmalen realisiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung von Werkstücken mittels Rührreibschweißen werden zwei Werk stücke mit ihren miteinander zu fügenden Flächen so zueinander positioniert, dass sie in berührenden Kontakt stehen. Ein rotierendes stiftförmiges Werk zeug führt zwischen den zu fügenden Flächen der Werkstücke eine Vorschub bewegung durch. Mit der dabei eingebrachten Energie und auf die Werkstü cke ausgeübte Druckkräfte wird die stoffschlüssige Verbindung ausgebildet, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Während der Rotation und der Durchführung der Vorschubbewegung werden mit mindestens einer Einrichtung Schwingungen in die Halterung des stiftför migen Werkzeugs, die Werkstücke und/oder eine Spannvorrichtung für die Werkstücke, die Halterung einer nicht mit dem stiftförmigen Werkzeug ver bundenen Schulter und/oder einem an der der Halterung des stiftförmigen Werkzeugs gegenüberliegenden Seite der Werkstücke angeordneten Gegen halter in die Werkstücke mit einer Frequenz, die einer Eigenresonanzfrequenz der zur Einkoppelung genutzten Einrichtung entspricht, eingekoppelt. Allein oder zusätzlich dazu können mit einer Einrichtung, die zur Durchführung eines Wärmepulsverfahrens ausgebildet ist, Schwingungen mit einer Fre quenz, die der Eigenresonanzfrequenz der Halterung des stiftförmigen Werk zeugs mit dem stiftförmigen Werkzeug entspricht, in die Werkstücke, die Hal terung des stiftförmigen Werkzeugs, einer Schulter des stiftförmigen Werk zeugs und oder den Gegenhalter eingekoppelt werden. In diesem Fall sollten die Schwingungen mit einem Sensor an den Werkstücken detektiert werden können.
Besonders vorteilhaft ist an mindestens einem Werkstück, einer Spannvor richtung für die Werkstücke und/oder der Halterung des stiftförmigen Werk zeugs ein Schwingungssensor angeordnet, mit dem die Amplitude der in den Fügebereich der Werkstücke eingekoppelten Schwingungen erfasst wird. Der mindestens eine Schwingungssensor ist mit einer elektronischen Regeleinrich tung verbunden, mit der die Frequenz, mit der Schwingungen mit der mindes tens einen Einrichtung eingekoppelt werden, auf die Eigenresonanzfrequenz der Halterung des stiftförmigen Werkzeugs mit dem stiftförmigen Werkzeug geregelt wird.
Die mindestens eine Einrichtung mit der Schwingungen eingekoppelt werden und/oder der mindestens eine Schwingungssensor sollten mit der Vorschub bewegung des stiftförmigen Werkzeugs mit bewegt werden. Dadurch können auf die eingekoppelten Schwingungen wirkende Dämpfungseffekte vermieden und/oder die Messgenauigkeit bei der Amplitudenbestimmung erhöht wer den.
Es können longitudinale entlang der Werkzeugdrehachse und/oder torsionale um die Werkzeugdrehachse Schwingungen eingekoppelt werden, worauf nachfolgend noch eingegangen werden soll.
Es kann/können eine piezoelektrische, magnetostriktive, elektromechanische, hydraulische, pneumatische Einrichtung und/oder eine Einrichtung, die zur Durchführung eines Wärmepulsverfahrens ausgebildet ist, für die Einkopplung von Schwingungen eingesetzt werden. Eine Einrichtung, die zur Durchführung eines Wärmepulsverfahrens ausgebildet ist, kann ein gepulst betriebener La ser mit veränderbarer Pulsfrequenz sein.
Es können Schwingungen mit einer Frequenz im Bereich 10 Hz bis 100 kHz, mit einer Amplitude longitudinal im Bereich 1 pm bis 1 mm und/oder torsional im Bereich 0,1 mrad bis 20 mrad eingekoppelt werden.
Schwingungen können auch in eine Schulter des stiftförmigen Werkzeugs eingekoppelt werden. Dabei kann eine Schulter starr befestigt oder mit dem stiftförmigen Werkzeug mitrotierend sein. Schwingungen können auch auf der der Halterung des stiftförmigen Werkzeugs gegenüberliegende Seite der Werkstücke, beispielsweise über einen Gegenhalter eingekoppelt werden.
Schwingungen können vorteilhaft auch so eingekoppelt werden, dass ein Schwingungsknoten in einem Bereich der Halterung des stiftförmigen Werk zeugs ausgebildet wird. Im Bereich des Schwingungsknotens sollte eine Schwingungsamplitude eingehalten sein, die mindestens 50 % kleiner als die maximale Schwingungsamplitude ist.
Die Anregung der Schwingungen sollte auf eine geeignete resonante Schwin gungsmode des mechanischen Koppelsystems bestehend aus der Halterung für das stiftförmige Werkzeug mit dem stiftförmigen Werkzeug und ggf.
Aktorkomponenten, die für die Einkopplung von Schwingungen an der Halte rung für das stiftförmige Werkzeug vorhanden oder darin integriert sind, ge regelt sein.
Für eine effiziente Einkopplung von Schwingungen in eine Fügezone ist die Anregung mit einer Eigenresonanzfrequenz des Einkopellungssytems beson ders vorteilhaft. Bei einer Resonanzfrequenz der gesamten zur Einkoppelung genutzten Einrichtung kann das System effektiv aufschwingen. Bei einer sol chen Einrichtung gibt es eine Mehrzahl von Resonanzfrequenzen, unabhängig davon was für ein Einkoppelsystem genutzt wird.
Jeder Resonanzfrequenz ist eine Schwingform/Eigenmode zugeordnet. Es soll te also mit einer der vielen möglichen Eigenresonanzfrequenzen gearbeitet werden, bei der das Einkoppelsystem mit einer günstigen Mo- de/Eigenschwingform schwingt. Eine günstige Mode ist eine solche, bei der die gewollte Schwingung an der Spitze des stiftförmigen Werkzeugs auftritt. Das Einkoppelsystem bzw. die Einrichtung mit der Schwingungen eingekoppelt werden, sollte mit einer Frequenz oder Eigenresonanzfrequenz betrieben werden, bei der eine maximale Amplitude am stiftförmigen Werkzeug mit einer möglichst geringen Leistung bei der Einkopplung von Schwingungen er forderlich ist, betrieben werden können. Dies kann mit einer entsprechend ausgebildeten elektronischen Regeleinrichtung erreicht werden, die so ausge bildet ist, dass sie die Eigenfrequenzen der Einrichtung zur Einkopplung von Schwingungen bzw. des Einkoppelsystems berücksichtigen kann.
Im Fall der Einkopplung der Schwingungen über eine nicht mit dem stiftförmi gen Werkzeug verbundene Schulter sollte die Anregung der Schwingung auf eine geeignete resonante Schwingungsmode des mechanischen Koppelsys tems bestehend aus Halterung für die nicht mit dem stiftförmigen Werkzeug verbundenen Schulter mit der Schulter und ggf. Aktorkomponenten, die für die Einkopplung von Schwingungen an der Halterung für die nicht mit dem stiftförmigen Werkzeug verbundene Schulter vorhanden oder darin integriert sind, erfolgen. Bei der Einkopplung der Schwingung über einen Gegenhalter sollte die Anregung der Schwingung auf eine geeignete resonante Schwin gungsmode des mechanischen Koppelsystems bestehend aus Gegenhalter und ggf. Aktorkomponenten, die für die Einkopplung von Schwingungen in den Gegenhalter vorhanden oder darin integriert sind, erfolgen.
Die Regelung der Anregungsfrequenz der eingekoppelten Schwingungen dient dabei zur Nachführung auf die energetische effizienteste Schwingungserre gung infolge von Änderungen der Schwingeigenschaften durch Erwärmung, Eintauchtiefe und Anpresskraft. Zudem ist es von Vorteil die Schwingungs übertragung über die maschinenseitige Werkzeugaufnahme zu entkoppeln, sodass nur ein geringer Anteil der Schwingungen auf die Spindel übergehen kann.
Es sollten Möglichkeiten zur Kühlung des stiftförmigen Werkzeugs und ggf. einer vorhandenen Schulter vorhanden sein. Mit den in Resonanz eingekoppelten Schwingungen können Diffusionsprozes se und die Tribologie bei der Ausbildung der Fügeverbindung in hohem Maß positiv beeinflusst werden. Es kann so auch die für den Werkzeugantrieb er forderliche Energie reduziert bzw. die Lebensdauer der Werkzeuge erhöht werden. Prozesskräfte und Prozesstemperaturen können weiter reduziert werden.
Im ausgebildeten Fügebereich kann eine homogenere Gefügeverteilung er reicht und Oxidbestandteile können dort entfernt bzw. vermieden werden.
Mit der Erfindung können folgende Effekte erreicht werden:
Konturunabhängigkeit durch Schwingungseinleitung in der Wirkstelle des Prozesses;
keine zusätzlichen Einrichtungen durch Integration in Werk zeug/Werkzeughalter;
- Aus- und Einwechselbarkeit des Systems durch standardisierte Kupp lungen am System;
- zielgenaue Positionierbarkeit eines Schwingungsbauches in der Wirk stelle und eines Schwingungsknotens im Bereich der Halterung für das stiftförmige Werkzeug oder für die Schulter oder für den Gegenhalter; kontinuierliche, synchrone und homogene Schwingungseinleitung;
Reduzierung intermetallischer Phasen bei Mischverbunden und da durch Steigerung der Lebensdauer sowie der Festigkeit der Fügever bindung;
- Vermeidung von Oxidlinien und Steigerung der Lebensdauer;
Reduzierung der Prozesskräfte;
Reduzierung der benötigten Leistung bei der Schwingungseinleitung direkt an der Wirkstelle und geregeltem Resonanzbetrieb;
- Schwingungseinleitung unabhängig der Werkstückeinspannung und Geometrie und
- definierte Regelung der Schwingungsparameter durch Amplituden- und Frequenznachführung/-Regelung.
Nachfolgend soll die Erfindung weiter beispielhaft erläutert werden. Dabei zeigen:
Figur 1 ein Beispiel mit Möglichkeiten zur Einkopplung von Schwingun gen in eine Halterung für ein stiftförmiges Werkzeug;
Figur 2 ein Beispiel mit Möglichkeiten zur Einkopplung von Schwingun gen in eine nicht mit dem stiftförmiges Werkzeug verbundene und nicht rotie rende Schulter;
Figur 3 Beispiele bei denen ein Fügen mittels eines rotierenden stift förmigen Werkzeugs und mitrotierenden Schultern und eingekoppelten un terschiedlichen Schwingungen erfolgt;
Figur 4 Beispiele bei denen ein Fügen mittels eines rotierenden stift förmigen Werkzeugs und feststehender Schulter und eingekoppelten unter schiedlichen Schwingungen erfolgt;
Figur 5 Beispiele bei denen ein Fügen, bei dem in eine stehende Schul ter eines stiftförmigen Werkzeugs mit Schulter Schwingungen eingekoppelt werden;
Figur 6 Beispiele, bei denen Schwingungen mittels eines rotierenden
Bobbin-Tools eingekoppelt werden.
Figur 7 Beispiele bei denen ein Fügen mittels in zwei zu fügende Werk stücke Schwingungen über einen Gegenhalter eingekoppelt werden und
Figur 8 weitere Beispiele bei denen ein Fügen mittels in zwei zu fügen de Werkstücke Schwingungen über einen Gegenhalter eingekoppelt werden.
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel zum Rührreibschweißen mit Schwin gungsunterstützung gezeigt. Die Schwingungen des stiftförmigen Werkzeugs 1 mit rotierender Schulter werden mittels inversem Piezoeffekt der
Piezoaktoren 2a im Schwingungswandler 2 der Einrichtung, die zur Einkopplung von Schwingungen ausgebildet ist, eingekoppelt. Die Schwin gungsanregung erfolgt in longitudinaler Richtung entlang der Drehachse 3 des stiftförmigen Werkzeugs 1. Die Anregungsfrequenz liegt in Bereich einer me chanischen Resonanz der Anordnung aus stiftförmigem Werkzeug 1, dessen Halterung 4 und dem Schwingungswandler 2. Mit der Anregungsfrequenz wird eine Schwingform (Eigenmode) angeregt in der die Schwingungsmaxima am vorderen Ende des stiftförmigen Werkzeugs 1 und am hinteren Ende des Schwingungswandlers 2 auftreten. Bei der angeregten Schwingform liegt ein nahezu stillstehender Schwingungsknoten im Bereich 4a der Halterung 4 des stiftförmigen Werkzeugs 1. Die Lage des Schwingungsknotens gewährleistet die Schwingungsentkopplung des schwingenden Systems gegenüber den äu ßeren Bereichen des Halters 4. Durch die bestimmte geometrische Gestaltung der schwingenden Bestandteile des Systems erfolgt eine Amplitudenverstär kung vom Schwingungswandler 2 in Richtung des stiftförmigen Werkzeuges 1. Im Bereich des Schwingungsknotens liegt eine möglichst kleine Schwingungs amplitude vor.
Zur Schwingungsanregung werden die Piezoaktoren 2a mit einer, der Anre gungsfrequenz entsprechenden, elektrischen Wechselspannung gespeist. Er zeugt wird diese elektrische Wechselspannung mit dem Frequenzgenerator 5. Sie wird mit der Kabelverbindung 5a auf den nicht rotierenden Übertrager 6 für elektrische Energie geleitet. Die elektrische Wechselspannung wird induk tiv vom stehenden Übertrager 6 auf den mit dem Halter 4 rotierenden Über trager 7 für elektrische Energie und von diesem mittels elektrischer Leiter bahnen auf die Piezoaktoren 2a übertragen. Der nicht rotierende Übertrager 6 wird mittels der Drehlagerung 6a auf dem Halter 4 drehbar gelagert und posi tioniert und mit der Abstützung 6b gegen verdrehen gesichert. Möglich ist auch eine Ausführung ohne drehbare Lagerung des nicht rotierenden
Übertragers 6 und gleichzeitiger Abstützung und Positionierung über die Ab stützung 6b.
Der im Schwingungswandler 2 integrierte Sensor 2b detektiert während des Betriebs Informationen über die aktuelle Schwingungsamplitude und die Lage der Resonanzfrequenz in Bezug zur aktuellen Anregungsfrequenz mit der Schwingungen eingekoppelt werden. Im Ausführungsbespiel ist der Sensor 2b als zusätzliche Piezokeramik ausgeführt, es sind allerdings auch andere Sen- sorvarianten denkbar. Die gewonnen Sensorsignale werden von einer Auswer teelektronik aufbereitet und kabellos zwischen rotierendem und stehendem Übertrager 7 und 6 übermittelt. Am Frequenzgenerator 5 dienen die Sensor daten zur Regelung der Frequenz der elektrischen Wechselspannung zur Spei sung der Aktoren 2a des Schwingungswandlers 2.
Die Halterung 4 des stiftförmigen Werkzeugs 1 ist mit einer Kupplung 4b zum stiftförmigen Werkzeug 1 und einer Kupplung 4c zum Drehantrieb des stift förmigen Werkzeugs 1 ausgerüstet. Die Kupplungen 4b und 4c können dabei herkömmlichen und teils genormten Standards von Werkzeugmaschinen ent sprechen und so universelle Kompatibilität des Systems schaffen. Die Halte rung 4 kann mit einem Kühlmittel durchströmt und damit gekühlt werden. Die dafür notwendigen Anschlüsse 4d sind an der antriebsseitigen Kupplung der Halterung 4 vorgesehen.
Dieses Ausführungsbeispiel kann aber auch so betrieben werden, dass Schwingungen torsional um die Rotationsachse des stiftförmigen Werkzeugs 1 eingekoppelt werden. Diese Schwingungsrichtung des stiftförmigen Werk zeugs 1 kann unmittelbar durch eine torsionale Schwingungsanregung im Schwingungswandler 2 erzeugt werden. Es ist auch eine longitudinale Schwin gungsanregung im Schwingungswandler 2 und eine zum stiftförmigen Werk zeug 1 wirkende mechanische Übersetzung in eine torsionale Schwingung realisierbar. Vorzugsweise erfolgt eine torsionale Anregung über eine stehen de Schulter oder eine zusätzliche stehende Schulter am stiftförmigen Werk zeug 1. Auf diese Weise kann die Einleitung einer ausreichend großen Schwin gungsamplitude sichergestellt werden.
In Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel zum Rührreibschweißen mit Schwingungsunterstützung gezeigt. Das stiftförmige Werkzeug 11 rotiert mit der Halterung 14 und kann mit oder ohne Schulter ausgeführt sein. Um das stiftförmige Werkzeug 11 ist die Halterung 16 für die nicht rotierende starre Schulter 16d angeordnet und wird mittels der Drehlagerung 16a in der Halte rung 14 drehbar gelagert, positioniert und mit der Abstützung 16b gegen ver drehen gesichert. Möglich ist auch eine Ausführung ohne drehbare Lagerung des Halters 16 und gleichzeitiger Abstützung und Positionierung über die Ab stützung 16b. Die Schwingungen der Schulter 16d werden mittels inversem Piezoeffekt der Piezoaktoren 12a im Schwingungswandler 12 der Einrichtung, die zur
Einkopplung von Schwingungen ausgebildet ist, eingekoppelt. Die Schwin gungsanregung erfolgt in longitudinaler Richtung 13 entlang der Drehachse des stiftförmigen Werkzeugs 11. Die Anregungsfrequenz liegt in Bereich einer mechanischen Resonanz der Anordnung aus nicht rotierender starrer Schul ter 16d, deren Halters 16 und dem Schwingungswandler 12. Mit der Anre gungsfrequenz wird eine Schwingform (Eigenmode) angeregt in der die Schwingungsmaxima am vorderen Ende nicht rotierende starre Schulter 16d und am hinteren Ende des Schwingungswandlers 12 auftreten. Bei der ange regten Schwingform liegt ein nahezu stillstehender Schwingungsknoten im Bereich 16c der Halterung 14 der nicht rotierenden starren Schulter 16d. Die Lage des Schwingungsknotens gewährleistet die Schwingungsentkopplung des schwingenden Systems gegenüber den äußeren Bereichen des Halters 16 Durch die bestimmte geometrische Gestaltung der schwingenden Bestandtei le des Systems erfolgt eine Amplitudenverstärkung vom Schwingungswand ler 12 in Richtung der nicht rotierenden starren Schulter 16d. Im Bereich des Schwingungsknotens liegt eine möglichst kleine Schwingungsamplitude vor.
Zur Schwingungsanregung werden die Piezoaktoren 12a mit einer, der Anre gungsfrequenz entsprechenden, elektrischen Wechselspannung gespeist. Er zeugt wird diese elektrische Wechselspannung mit dem Frequenzgenera tor 15. Sie wird mit der Kabelverbindung 15a auf den Halter 16 und von die sem mittels elektrischer Leiterbahnen auf die Piezoaktoren 12a übertragen.
Der im Schwingungswandler 12 integrierte Sensor 12b detektiert während des Betriebs Informationen über die aktuelle Schwingungsamplitude und die Lage der Resonanzfrequenz in Bezug zur aktuellen Anregungsfrequenz mit der Schwingungen eingekoppelt werden.
Entsprechend des Beispiels aus Figur 1 detektiert der im Schwingungswand ler 12 integrierte Sensor 12b während des Betriebs Informationen über die aktuelle Schwingungsamplitude und die Lage der Resonanzfrequenz in Bezug zur aktuellen Anregungsfrequenz mit der Schwingungen eingekoppelt werden. Die Halterung 14 des stiftförmigen Werkzeugs 11 ist mit einer Kupplung 14b zum stiftförmigen Werkzeug 11 und einer Kupplung 14c zum Drehantrieb des stiftförmigen Werkzeugs 11 ausgerüstet und können denen des Beispiels aus Figur 1 entsprechen.
Die Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren 1 und 2 können aber auch so betrieben werden, dass Schwingungen torsional um die Rotationsachse des stiftförmigen Werkzeugs 1 bzw. 11 eingekoppelt werden. Diese Schwingungs richtung des stiftförmigen Werkzeugs 1 bzw. der nicht rotierenden Schulter 16d kann unmittelbar durch eine torsionale Schwingungsanregung im Schwin gungswandler 2 bzw. 12 erzeugt werden. Es ist auch eine longitudinale Schwingungsanregung im Schwingungswandler 2 bzw. 12 und eine zum stift förmigen Werkzeug 1 bzw. zur nicht rotierenden Schulter 16a wirkende me chanische Übersetzung in eine torsionale Schwingung realisierbar. Vorzugs weise erfolgt eine torsionale Anregung über eine stehende Schulter oder eine zusätzliche stehende Schulter am stiftförmigen Werkzeug 1. Auf diese Weise kann die Einleitung einer ausreichend großen Schwingungsamplitude sicher gestellt werden.
In den Figuren 3 bis 8 sind Beispiele für Möglichkeiten zur Einkopplung von Schwingungen gezeigt. Mit den Pfeilen sind verschiedene
Einkopplungsmöglichkeiten sowie die Drehung des stiftförmigen Werkzeugs 1 verdeutlicht.
Beim den in Figur 3 gezeigten Möglichkeiten handelt es sich bei der linken Darstellung um die Einkopplung von longitudinalen Schwingungen parallel zur Rotationsachse des stiftförmigen rotierenden Werkzeugs 1 sowie um die Ro tationsachse torsional in das stiftförmige Werkzeug 1 eingekoppelte Schwin gungen. Das stiftförmige Werkzeug 1 verfügt über eine sich mitdrehende Schulter
Bei der mittleren Darstellung werden Schwingungen torsional in das stiftför mige Werkzeug 1 und die mitrotierende Schulter des stiftförmigen Werkzeugs 1 eingekoppelt.
Die Möglichkeit der Kombination der in der linken und mittleren Darstellung gezeigten Einkopplungsmöglichkeiten ist in der rechten Darstellung gezeigt.
Figur 4 zeigt Möglichkeiten zur Einkopplung von Schwingungen bei einem stiftförmigen Werkzeug 1, bei dem die Schulter nicht rotiert. Die linke Darstel lung verdeutlicht die Möglichkeit der longitudinalen Schwingungseinkopplung über die Schulter.
Bei der mittleren Darstellung werden über die Schulter torsionale Schwingun gen eingekoppelt. Die rechte Darstellung verdeutlicht die Kombination der beiden anderen Beispiele von Figur 4.
Figur 5 zeigt Möglichkeiten bei denen Schwingungen direkt in die Werkstücke 8 über eine stehende Schulter eingekoppelt werden. Links werden in die Werkstücke 8 longitudinal Schwingungen parallel zur Rotationsachse des stift förmigen Werkzeugs 1 in die Werkstücke 8 eingekoppelt.
In der mittleren Darstellung ist das Einkoppeln torsionaler Schwingungen um die Rotationsachse in die Werkstücke 8 gezeigt. Die rechte Darstellung ver deutlicht die Möglichkeit der Kombination der beiden anderen Beispiele von Figur 5.
Figur 6 zeigt Möglichkeiten der Einkopplung von Schwingungen mit einem rotierenden Bobbin-Tool, hier links als longitudinale Schwingungen, mittig als torsionale Schwingungen und rechts die Kombination dieser Möglichkeiten.
Figur 7 zeigt Beispiele bei denen die Einkopplung von Schwingungen in die zwei zu fügenden Werkstücke 8 von der Rückseite mittels des stiftförmigen Werkzeugs 1 gegenüberliegend angeordnetem Gegenhalter 9 eingekoppelt werden. Bei der linken Darstellung werden longitudinal ausgerichtete Schwin gungen parallel zur Rotationsachse des Werkzeugs 1 in die beiden Werkstücke 8 eingekoppelt. Bei der mittleren Darstellung sind dies torsionale Schwingun gen um die Rotationsachse und die rechte Darstellung verdeutlicht wieder die Kombination der beiden anderen Möglichkeiten.
Figur 8 zeigt Möglichkeiten zur Schwingungseinkopplung in größerem Abstand vom Fügebereich, als dies beim Beispiel nach Figur 7, der Fall ist. Dazu ist ein Gegenhalter 9 beim Beispiel nach Figur 7 so ausgebildet, dass die Schwingun gen über einen inneren Teil eingekoppelt werden, der von einem äußeren fest gehaltenen, bevorzugt hülsenförmig ausgebildeten Bereich umgeben ist. Bei dem in Figur 8 gezeigten Beispiel werden die Schwingungen über einen äußeren Bereich des Gegenhalters eingekoppelt, wohingegen der innere Be reich des Gegenhalters 9 fest gehalten wird.
Bei den Beispielen gemäß den Figuren 7 und 8 zeigen die linken Darstellungen wieder eine longitudinale Schwingungseinkopplung, die mittlere eine torsionale Schwingungseinkopplung und die rechte Darstellung die Kombina tion beider Möglichkeiten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung von
Werkstücken mittels Rührreibschweißen, bei dem zwei Werkstücke (8) mit ihren miteinander zu fügenden Flächen so zu einander positioniert werden, dass sie in berührenden Kontakt stehen und
ein rotierendes stiftförmiges Werkzeug (1, 11) zwischen den zu fügen den Flächen der Werkstücke (8) eine Vorschubbewegung durchführt und durch die dabei eingebrachte Energie und auf die Werkstücke (8) ausgeübte Druckkräfte eine Fügezone und die stoffschlüssige Verbin dung ausgebildet wird; wobei während der Rotation und der Durchführung der Vorschubbewegung mit mindestens einer Einrichtung (2) Schwingungen in die Fügenzone der Werkstücke (8) über die Halterung des stiftförmigen Werkzeugs (1, 11), die Halterung einer nicht mit dem stiftförmigen Werkzeug ver bundenen Schulter (10, 16d) und/oder einem an der der Halterung des stiftförmigen Werkzeugs (1, 11) gegenüberliegenden Seite der Werk stücke (8) angeordneten Gegenhalter (9) in die Werkstücke (8) mit ei ner Frequenz, die einer Eigenresonanzfrequenz der zur Einkoppelung genutzten Einrichtung entspricht, eingekoppelt werden und/oder mit einer Einrichtung, die zur Durchführung eines Wärmepulsverfah rens ausgebildet ist, Schwingungen mit einer Frequenz, die der Eigen resonanzfrequenz der Halterung des stiftförmigen Werkzeugs (1, 11) mit dem stiftförmigen Werkzeug (1, 11) entspricht, in die Werkstücke (8), die Halterung des stiftförmigen Werkzeugs, einer Schulter (10) des stiftförmigen Werkzeugs und oder den Gegenhalter (9) eingekoppelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an mindes tens einem Werkstück (8), einer Spannvorrichtung für die Werkstücke (8), der Halterung des stiftförmigen Werkzeugs (1, 11), einer nicht ro tierenden Schulter (1, 11), der Halterung einer nicht rotierenden Schul ter (10), dem Gegenhalter (9) und/oder in dem zur
Schwingungseinkopplung genutzten Schwingungswandler ein Schwin gungssensor (2b, 12b) angeordnet ist, mit dem die Amplitude der mo mentan in die Fügezone eingekoppelten Schwingungen erfasst und der mindestens eine Schwingungssensor (2b, 12b) mit einer elektronischen Regeleinrichtung verbunden ist, mit der die Frequenz, mit der Schwin gungen mit der mindestens einen Einrichtung eingekoppelt werden, auf eine Eigenresonanzfrequenz dieser Einrichtung geregelt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die mindestens eine Einrichtung mit der Schwin gungen eingekoppelt werden und/oder der mindestens eine Schwin gungssensor (2b, 12b) mit der Vorschubbewegung des stiftförmigen Werkzeugs mit bewegt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass longitudinale und/oder torsionale Schwingungen eingekoppelt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass eine piezoelektrische, magnetostriktive, elektro mechanische, hydraulische, pneumatische Einrichtung und/oder eine Einrichtung, die zur Durchführung eines Wärmepulsverfahrens ausge bildet ist, für die Einkopplung von Schwingungen eingesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass Schwingungen mit einer Frequenz im Bereich 10 Hz bis 100 kHz, mit einer Amplitude longitudinal im Bereich 1 pm bis 1 mm und/oder torsional im Bereich 0,1 mrad bis 20 mrad eingekoppelt werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass Schwingungen in eine Schulter des stiftförmigen Werkzeugs (1, 11) eingekoppelt werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass als eine Einrichtung, die zur Durchführung eines Wärmepulsverfahrens ausgebildet ist, ein gepulst betriebener Laser mit veränderbarer Pulsfrequenz eingesetzt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass Schwingungen an der der Halterung (1, 14) für das stiftförmige Werkzeug (1, 11) gegenüberliegenden Oberflächen der Werkstücke (8) in die Werkstücke (8) eingekoppelt werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass Schwingungen so eingekoppelt werden, dass ein Schwingungsknoten in einem Bereich (4a) der Halterung (1, 14) des stiftförmigen Werkzeugs (1, 11) ausgebildet wird.
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