WO2021047706A1 - VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR ERHÖHUNG DER SCHNELLIGKEIT UND DER ERHÖHUNG DER STANDFESTIGKEIT DES SCHWEIßPINS BEIM RÜHRREIBSCHWEIßEN. - Google Patents

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR ERHÖHUNG DER SCHNELLIGKEIT UND DER ERHÖHUNG DER STANDFESTIGKEIT DES SCHWEIßPINS BEIM RÜHRREIBSCHWEIßEN. Download PDF

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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
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Definitions

  • the application relates to a device and a method for increasing the speed and increasing the stability of the welding pin during friction stir welding.
  • friction stir welding frictional heat is generated in the joining area of the materials to be joined by means of the friction between a rotating tool that is simultaneously moved in translation and applied with pressure.
  • the tool is moved along the joining area and stirs the practiced material inside the seam of the one to be joined abutting materials, whereby the applied pressure compresses the practiced material.
  • the tool is pulled out of the connection area and the weld seam created in this way can be loaded immediately.
  • friction pins may break due to local, material changes within welded assemblies, for example due to fluctuations in hardness in cast materials.
  • a tool drive (1) carries a retaining flange (2) for a conical tool bell (3) with a union nut (4) an annular retaining ring ( 12) encloses a pin shaft (6) with one attached to the diameter of the retaining ring (12),
  • Tool shoe (7) having a smoothing and compacting surface (11) in the area of the pin tip (10) for smoothing the weld seam
  • the pin shaft having the width of the tool shoe (7) and the pin tip (10)
  • a tool drive (1) carries a conical tool bell (3), with a lifting device (18) of a roller arm (17) in the Area of the abutting edge (19) of the joining partner (5) is provided, the tool shoe (7) having a smoothing and compacting surface (11) for smoothing the weld seam, a friction ring surface (9) having a screw conveyor (8) for encloses the output of the material transport of the pin tip (10), which runs in the turn opposite to the turn of the pin tip (10) and that the friction ring surface (9) heats the joining partners (5) by friction and thus increases the speed of the welding process, whereby a slight burr is thrown up on the left and right side, which is however leveled by means of the rollers (16) and that the distance between the tear-off edge (13) of the smoothing and compacting fl ambae - area (11) of the pin shaft (6) is optimized in the course and a computer program with a program code
  • Fiq 1 a side view of the tool shoe according to the invention
  • Fiq. 2 an oblique view of the holder for the welding shoe
  • Fiq. 3 a detail view from the area of the pin shaft
  • Fiq. 4 a top view of the track in the area of the roller rollers
  • Fiq. 5 shows an overall view of the pin shaft;
  • FIG. 6 shows a plan view of the welding process
  • the tool shoe (7) is attached to the tool bell via a union nut (4)
  • FIG. 4 shows a top view of the track in the area of the roller rollers (16) above the two joining partners (5).
  • Fig. 6 shows a plan view of the welding process.
  • the curve (15) shows the heat zone of the actual welding process, the dashed center line (19) in FIG. 6 showing the joint edge of the joint partners (5) to be welded
  • the two rolling rollers (16) smooth the unevenness or weld seam edges (20).
  • the boundary lines of the welding shoe (7) are marked with (7) from above.
  • the smoothing surface (11) with its tear-off edge (13) surrounds half the surface (9), which is referred to as the friction surface for the joint partner - heating.
  • the pin shaft (6) with its pin tip (10) can be seen as the center of the welding process.
  • the control of the welding process with its extensive regulation options requires a special computer program.
  • Tool drive Retaining flange for tool bell (cone) Tool bell (cone) Union nut for tool shoe, joining partner, pin shaft, tool shoe, screw conveyor for abrasive material transport (also referred to as expulsion thread.) Friction ring - surface for joining partner - heating pin tip, smoothing and compacting surface Retaining ring for welding shoe tear-off edge radius pin shoe heat distribution curve rolling roller (or ball) rolling roller arm lifting device for rolling roller arm abutment edge of the joining partners burrs, unevenness, weld seam edge weld seam

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Vorrichtung und Verfahren zur Erhöhung der Schnelligkeit und der Erhöhung der Standfestigkeit des Schweißpins beim Rührreibschweißen mit den folgenden Vorrichtungs-Merkmalen: a) ein Werkzeug-Antrieb (1) trägt einen Halteflansch (2) für eine kegelförmige Werkzeugglocke (3) mit einer Überwurfmutter (4) b) ein ringförmiger Haltering (12) umschließt einen Pinschaft (6) mit einem am, Durchmesser des Halterings (12) befestigten Werkzeugschuh (7), wobei der Werkzeugschuh (7) im Bereich der Pinspitze (10) eine Glätt- und Verdichtungs-Fläche (11) zum Glätten der Schweißnaht aufweist, wobei der Pinschaft die Breite des Werkzeugschuhs (7) aufweist, c) die Pinspitze (10) weist eine Reibringfläche (9) auf die eine Förderschnecke (8) für den Abtrieb des Materialtransports der Pinspitze (10) umschließt, die in der Windung entgegengesetzt verläuft zu der Windung der Pinspitze (10).

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Erhöhung der Schnelligkeit und der
Erhöhung der Standfestigkeit des Schweißpins beim Rührreibschweißen.
Die Anmeldung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erhöhung der Schnelligke8t und der Erhöhung der Standfestigkeit des Schweißpins beim Rührreibschweißen.
Beim Rührreibschweißen wird im Fügebereich der zu verbindenden Materialien mittels der Reibung zwischen einem rotierenden, gleichzeitig translatorisch bewegten, und mit Druck aufgebrachten, Werkzeug Reibungswärme erzeugt, Das Werkzeug wird entlang des Fügebereichs bewegt und verrührt das praktizierte Material im inneren der Naht der zu verbindenden, aneinander anstoßenden Materialien, wobei der aufgebrachte Druck das praktizierte Material zusammenpresst. Am Ende der erzeugten Schweißnaht wird das Werkzeug aus dem Verbindungsbereich herausgezogen und die so entstandene Schweißnaht ist unmittelbar belastbar.
Zum Stand der Technik wird auf die, von der Anmelderin stammende, DE 202018 001 178 U1 verwiesen.
Hierbei handelt es sich um eine Vorrichtung zur Vermeidung einer Unterbrechung des Schweiß - Prozesses beim Rünrreibschweißen, insbesondere eines Bruchs des Reibstifs, mit den folgenden Merkmahlen; a) mindestens drei im Winkel von 120 Grad zueinander ausgerichtete streifenförmige Sensoren (8) an den Längsseiten einer keilförmmigen Werkzeugglocke (7), wobei die Werkzeugglocke (7) einen Schweißpin (19) mittels eines Werkzeug - Aufnahmekegels (28) und einen Schweißschuh (11) führt und die Sensoren (8) zur Bestimmung von Kraft, Druck und Weg ausgebildet sind, b) einer Kegel - Taxierung im unteren Bereich des Werkzeug - Aufnahme - Kegels (28) die der Aufnahme eines Sensors (22) zur Erfassung der Axialkraft, des Drehmoments und des Biegemoments an dem Schweißpin ( 19) dient, c) einer Piezo - Vertikalverstellung für den Schweißpin (19) d) einer Anordnung eines Laser Messsensors (10) im Bereich des Schweißschuhs (11) dessen Richtwirkung ein Rundloch (27) im Durchtrittsbereich der Pinspitze (12) überstreicht, wobei ein Luft- Schallsensor (3) gegenüber angeordnet ist und ein Schweißschuh - Temperatursensor vorgesehen ist, e) einem Sensor - Signalverstärker (23) mit einer Rotor - Antenne zum Empfang, zur Verstärkung und zur Weiterleitung aller erfassten Messwerte, wobei diese Messwerte von einer statischen Antenne (16) an eine Maschinensteuerung weitergeleitet werden, f) einem induktiven Stromversorgungs- System zur Versorgung des Mess - Systems aus einer sich bewegenden sekundären Wicklung (24) und einer stehenden primären Wicklung (25).
Bei dem Betrieb von Anlagen zum Rührreibschweißen können jedoch aufgrund von lokalen, stofflichen Veränderungen innerhalb von Schweißbaugruppen, beispielsweise durch Härteschwankungen bei Gusswerkstoffen, Brüche von Reibstiften auftreten.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, den wirtschaftlichen Betrieb einer Anlage zum Rührreibschweißen nicht nur zu sichern, sondern deren Schweiß - Geschwindigkeit zu erhöhen und die Lebensdauer des Reibwerkzeugs zu erhöhen.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Vorrichtung nach Anspruch 1
Vorrichtung zur Erhöhung der Schnelligkeit und der Erhöhung der Standfestigkeit des Schweißpins beim Rührreibschweißen, mit den folgenden Merkmalen: ein Werkzeug - Antrieb (1) trägt einen Halteflansch (2) für eine kegelförmige Werkzeugglocke (3) mit einer Überwurfmutter (4 ) ein ringförmiger Haltering (12) umschließt einen Pinschaft (6) mit einen am Durchmesser des Halterings (12) befestigten,
Werkzeugschuh (7), wobei der Werkzeugschuh (7) im Bereich der Pinspitze (10) eine Glätt - und Verdichtungs - Fläche (11) zum Glätten der Schweißnaht aufweist, wobei der Pinschaft die Breite des Werkzeugschuhs (7) aufweist und die Pinspitze (10) weist eine Reibringfläche (9) auf die eine Förderschnecke (8) für den Abtrieb des Materialtransports der Pinspitze (10) umschließt, die in der Windung entgegengesetzt verläuft zu der Windung der Pinspitze (10) und dass seitwärts eine Hubvorrichtung (18) für die Möglichkeit des Einschwenkens eines Walzenrollen - Arms (17) in den Bereich der Stoßkante (1) der Fügepartner (5) vorgesehen ist und dass die Glatt - und Verdichtungs - Fläche (11) an den Pinschaft (6) mit dem Halb - Radius (15) anschließt und dass die Förder-schnecke (8) von der Glätt- und Verdichtungsfläche(l) aus ihren Anfang nimmt und dem Verfahren nach Anspruch 5
Verfahren zur Erhöhung der Schnelligkeit und der Erhöhung der Standfestigkeit des Schweißpins beim Rührreibschweißen, mit dem folgenden Merkmalen: ein Werkzeug -Antrieb (1) trägt eine kegelförmige Werkzeugglocke (3), wobei eine Hubvorrichtung (18) eines Walzenrollen - Arms (17) in den Bereich der Stoßkante (19) der Fügepartner (5) vorgesehen ist, wobei der Werkzeugschuh (7) eine Glätt - und Verdichtungs - Fläche (11) zum Glätten der Schweißnaht aufweist, eine Reibringfläche (9) auf weist die eine Förderschnecke (8) für den Abtrieb des Materialtransports der Pinspitze (10) umschließt, die in der Windung entgegengesetzt verläuft zu der Windung der Pinspitze (10) und dass die Reibringfläche (9) die Fügepartner (5) durch Reibung erwärmt und somit die Geschwindigkeit des Schweißvorgangs erhöht, wobei ein leichter Grat auf der linken und rechten Seite aufgeworfen wird, der jedoch mittels der Walzrollen (16) geebnet wird und dass der Abstand die Abrisskante (13) der Glätt - und Verdichtungsfläche - Fläche (11) von dem Pinschaft (6) im Verlauf optimiert wird und ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung der Verfahrensschritte , wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird und einen Maschinenlesbarer Träger mit dem Programmcode eines Computerprogramms zur Durchführung des Verfahrens nach, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird. gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das zugrundeliegende Verfahren werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen im Einzelnen
Fiq 1: eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Werkzeugschuhs Fiq. 2: eine Schräg - Ansicht der Halterung für den Schweißschuh Fiq 3: eine Detail - Ansicht aus dem Bereich des Pinschafts Fiq.4: eine Draufsicht auf die Laufspur im Bereich der Walzenrollen Fiq. 5 eine Gesamtansicht des Pinschafts Fiq.6 eine Draufsicht auf den Vorgang des Schweißens
Die Fiq. 1 zeigt eine direkte Seitenansicht des Werkzeugschuhs (7). Der Halteflansch
(2) für die kegelförmige Werkzeugglocke (3) wird von oben mittels eines Werkzeug - Antriebs (1) angetrieben.
Der Werkzeugschuh (7) wird über eine Überwurfmutter ( 4 ) an der Werkzeugglocke
(3) befestigt. Es können auch Radialschrauben hierzu verwendet werden.
Der Werkzeugschuh (7) ist mit seinem Pinschaft (6) im direkten Eingriff im zu verschweißenden Fügepartner (5) gezeigt.
Auf der linken Seite, am Halteflansch (2) für die Werkzeugglocke (3) befestigt, ist eine Hubvorrichtung (18) für einen Walzrollenarm (17) ( oder entsprechende Kugeln ) der die Führung zweier, parallele laufender Walzrollen (16) übernimmt, befestigt von denen eine (18) in der Seitenansicht zu sehen ist. Die Hubvorrichtung wird mit Piezos geregelt, wobei die Höhen - oder Andruckregelung der Rollen unabhängig von der eigentlichen Prozesskraftregelung dein muss. So kann sich der Druck der Walzenrollen dem entstandenen Grat anpassen, denn ein zu hoher Druck würde die Walzen in den Fügepartner einprägen, da die Walzen innerhalb der Wärmezone (15) die Fügepartner drücken ( siehe Fig.6 )
Die Fiq.2 zeigt eine Schräg - Ansicht der Halterung für den Schweißschuh.
Der durch den ringförmigen Haltering (12) des Schweißschuhs führende Pinschaft (6) trägt den Werkzeugschuh (7) mit seiner Glätt - und Verdichtungsfläche (11).
Der in die Pinspitze (10) auslaufende Pinschaft (6) trägt ebenfallls vor dem Erreichen der Pinspitze (10) eine entgegen dem Uhrzeigersinn gewendelte Förderschnecke (8), die das Drainage-Material stets in die Prozesszone fördert, wobei die Förderschnecke (8) im unteren Bereich von einer ringförmigen Reibringfläche (9) auf der Höhe der Glätt - und Verdichtungsfläche (11) umgeben ist die zur Erwärmung des Fügepartners, bzw. der Fügepartner (5), dient. Man könnte hier auch von einer zweiten, bzw. drehenden Restschulter sprechen. Durch das Fördern des Drainage- Materials über die Förderschnecke (8) nach unten wird der Ringspalt zwischen Radius-Pinschuh (14) und Pinschaft ( 6) nach oben abgedichtet. .Drainage-Material ist die Bezeichnung für das Abriebmaterial, dass sich beim Schweißprozess aus den Fügepartnern (5) heraus löst und sich am Pin (6) ablagert.
Die Fiq. 3 zeigt eine Detail - Ansicht aus dem Bereich des Pinschafts.
Her ist die ganz in einen Fügepartner (5) eintauchende Pinspitze (10) zu erkennen wobei die schräg auf den Fügepartner (5), üblicherweise unter einem Winkel von 1,5 bis 5 Grad, auftreffende Glatt - und Verdichtungsfläche (11) im Werkzeugschuh (7) ihre Wirkung der Glättung und Verdichtung auf den Fügepartner (5) ausübt und im Pinschaft (6) die Förderschnecke (8) für den Abriebmaterialtransport und die Reibringfläche (9) zur Erwärmung des Fügepartners in ihrer Funktion zu sehen sind. Der Haltering (12), der durch den Maschinen - Umbau gestrichelt gezeichnet ist, ist aus der Fiq.2 bekannt.
Auf der linken Seite des Werkzeugschuhs (7) ist, ebenso wie die Überwurfmutter (4), der ,aus der Fiq. 1 bekannte Walzenrollenarm (17) mit einer Walzenrolle (16) im Querschnitt zu sehen, wobei Grat und Unebenheiten, auch die Schweißnahtkante, unter der Ziffer (20) in der Spur der Walzenrolle (16) skizziert sind Durch die geringe Gleitfläche (11) am Schuh ergiibt sich der Vorteil eines geringen Anpressdruck des Werkzeugs und eine schnellere Schweißgeschwindigkeit. Der Anpressdruck ist werkstoffspezifisch und daher fix. Aufgrund der geringen Kontaktfläche ist der Anpressdruck aber erheblich, das bedeutet aber bei gegebener Maschinenkraft kann schneller geschweißt werden. Es entsteht zwar hierdurch ein leichter Grat, der jedoch mit den Walzrollen leicht geglättet wird ( im Übergangsbereich zwischen der Schweißnaht und dem Grundwerkstoff entlang der Flanken des Schweißschuhs.
Fiq.4: zeigt eine Draufsicht auf die Laufspur im Bereich der Walzenrollen (16) oberhalb der beiden Fügepartner (5).
Auf der linken Seite sind von oben her, der zweiteilige Walzenrollenarm (17) mit der Schweißnahtkante (20) und der Nahtfläche (21) zu sehen, wobei die Glättfläche (11) mit ihrem Radius (14) zu sehen ist, die den Pinschaft umfasst. Die Fiq.5:zeiat eine Gesamtansicht des Pinschafts
Der zentral senkrecht dargestellte Pinschaft (6) läßt verdeckt gestrichelt den Werkzeugschuh (7) mit seiner im unteren Bereich gelagerten Glatt - und Verdichtungsfläche (11), der Reibringfläche (9) und der Förderschnecke (8) zu erkennen. Die Pinspitze (10) ist ebenfalls zu sehen.
Aus dieser Konfiguration folgt eine schnellere Schweißgeschwindigkeit, eine längere Standzeit des Werkzeugs. Unter Anderem durch die reduzierte Eigenerwärmung des Werkzeugs durch die Förderschnecke (8) welche die innere Reibung verringert.
Die Fiq 6 zeigt eine Draufsicht auf den Vorgang des Schweißens.
Die Kurve (15) zeigt die Wärmezone des eigentlichen Schweißvorgangs, wobei die gestrichelte Mittellinie (19) der Fiq.6 die Stoßkante der zu verschweißenden Fügepartner (5) anzeigt
Die beiden Walzrollen (16) glätten die Unebenheiten bzw. Schweißnahtkanten (20). Mit (7) sind von oben die Begrenzungslinien des Schweißschuhs (7) gekennzeichnet. Die Glättfläche (11) mit ihrer Abrisskante (13) umrundet hälftig die Fläche (9), die als Reibungsfläche für die Fügepartner - Erwärmung bezeichnet wird.
Der Pinschaft (6) mit seiner Pinspitze (10) sind als Zentrum des Schweißvorgangs zu erkennen. Die Steuerung des Schweißprozesses mit seinen umfassenden Regulierungsmöglichkeiten erfordert ein spezielles Computerprogramm .
Bezuqszeichenliste Werkzeug - Antrieb Halteflansch für Werkzeug - Glocke ( Kegel ) Werkzeugglocke ( Kegel) Überwurfmutter für Werkzeugschuh Fügepartner Pinschaft Werkzeugschuh Förderschnecke für Abriebmaterial -Transport ( auch als Austriebs - Gewinde bezeichnet.) Reibring - Fläche zur Fügepartner - Erwärmung Pinspitze Glätt - und Verdichtungs - Fläche Haltering für Schweißschuh Abrisskante Radius Pinschuh Wärme - Verteil - Kurve Walzrolle ( oder Kugel ) Walzrollen - Arm Hubvorrichtung für Walzrollenarm Stoßkante der Fügepartner Grat, Unebenheiten, Schweißnahtkante Schweißnaht .Nahtfläche

Claims

Patentansprüche
Anspruch 1
Vorrichtung zur Erhöhung der Schnelligkeit und der Erhöhung der Standfestigkeit des Schweißpins beim Rührreibschweißen, mit den folgenden Merkmalen: a) ein Werkzeug - Antrieb (1) trägt einen Halteflansch (2) für eine kegelförmige Werkzeugglocke (3) mit einer Überwurfmutter (4 ) b) ein ringförmiger Haltering (12) umschließt einen Pinschaft (6) mit einem am Durchmesser des Halterings (12) befestigten, Werkzeugschuh (7), wobei der Werkzeugschuh (7) im Bereich der Pinspitze (10) eine Glatt - und Verdichtungs - Fläche (11) zum Glätten der Schweißnaht aufweist, wobei der Pinschaft die Breite des Werkzeugschuhs (7) aufweist, c) die Pinspitze (10) weist eine Reibringfläche (9) auf die eine Förderschnecke (8) für den Abtrieb des Materialtransports der Pinspitze (10) umschließt, die in der Windung entgegengesetzt verläuft zu der Windung der Pinspitze (10).
Anspruch 2:
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass seitwärts eine Hubvorrichtung (18) für die Möglichkeit des Einschwenkens eines Walzenrollen - Arms (17) in den Bereich der Stoßkante (1) der Fügepartner (5) vorgesehen ist,
Anspruch 3:
Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass die Glätt - und Verdichtungs - Fläche (11) an den Pinschaft (6) mit dem Halb - Radius (15) anschlließt.
Anspruch 4:
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderschnecke (8) von der Glätt - und Verdichtungsfläche (1) aus ihren Anfang nimmt. Anspruch 5:
Verfahren zur Erhöhung der Schnelligkeit und der Erhöhung der Standfestigkeit des Schweißpins beim Rührreibschweißen, mit dem folgenden Merkmalen ein Werkzeug -Antrieb (1) trägt eine kegelförmige Werkzeugglocke (3), wobei eine Hubvorrichtung (18) eines Walzenrollen - Arms (17) in den Bereich der Stoßkante (19) der Fügepartner (5) vorgesehen ist, wobei der Werkzeugschuh (7) eine Glatt - und Verdichtungs - Fläche (11) zum Glätten der Schweißnaht aufweist, eine Reibringfläche (9) auf weist die eine Förderschnecke (8) für den Abtrieb des Materialtransports der Pinspitze (10) umschließt, die in der Windung entgegengesetzt verläuft zu der Windung der Pinspitze (10).
Anspruch 6;
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibringfläche (9) die Fügepartner (5) durch Reibung erwärmt und somit die Geschwindigkeit des Schweißvorgangs erhöht, wobei ein leichter Grat auf der linken und rechten Seite aufgeworfen wird, der jedoch mittels der Walzrollen (16) geebnet wird.
Anspruch 7;
Verfahren für Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet. dass der Abstand die Abrisskante (13) der Glätt - und Verdichtungsfläche - Fläche (11) von dem Pinschaft (6) im Verlauf optimiert wird.
Anspruch 8 :
Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung der Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird.
Anspruch 9 ;
Maschinenlesbarer Träger mit dem Programmcode eines Computerprogramms zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird.
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