WO2023097347A1 - VERFAHREN ZUM VERBINDEN VON BAUTEILEN DURCH RÜHRREIBSCHWEIßEN SOWIE VORRICHTUNG ZUR DURCHFÜHRUNG EINES SOLCHEN VERFAHRENS - Google Patents

VERFAHREN ZUM VERBINDEN VON BAUTEILEN DURCH RÜHRREIBSCHWEIßEN SOWIE VORRICHTUNG ZUR DURCHFÜHRUNG EINES SOLCHEN VERFAHRENS Download PDF

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shoulder
friction stir
stir welding
torque
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Gunter Figner
Lucas OPPENEIGER
Christian Pfeiffer
Ozan CALISKANOGLU
Thomas Weinberger
Roland Rathner
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Stirtec Gmbh
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    • B23K20/2336—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating taking account of the properties of the materials to be welded without ferrous layer both layers being aluminium

Definitions

  • the invention relates to a method for connecting components by friction stir welding, in which a friction stir welding tool with a pin and a shoulder rotates about an axis of rotation and is moved along a feed direction in order to connect the components.
  • the invention further relates to a device for carrying out a friction stir welding method using a friction stir welding tool with a pin and a shoulder.
  • the object of the invention is to specify a method of the type mentioned at the outset, with which components can be connected in a high-quality manner by friction stir welding, even at higher speeds.
  • a device for carrying out a corresponding method is also to be specified.
  • the first object is achieved according to the invention by a method of the type mentioned at the beginning, in which a friction stir welding tool with a shoulder that can be moved relative to the pin is used and a rotational speed of the pin about the rotational axis is at least 1.15 times, preferably at least 1.5 times. times, in particular 2 times to 12 times, the rotational speed of the shoulder corresponds to the axis of rotation, the feed rate being at least 1.0 m/min, preferably 2.0 m/min to 15 m/min.
  • the forging force is usually understood to mean that force with which the friction stir welding tool is pressed axially or parallel to the axis of rotation against the components to be welded. Such a forging force or axial force is typically applied and maintained throughout the welding process.
  • the feed rate is 1.5 m/min to 10 m/min.
  • the rotational speed of the pin about the axis of rotation corresponds to 2 to 12 times, in particular 3 to 8 times, preferably about 4 times, the speed of rotation of the shoulder about the axis of rotation.
  • favorable temperatures can be achieved both in the area of the pin or a seam underside and in the area of the shoulder or an upper side of the seam, even at high feed speeds of, for example, 2 m/min to 10 m/min, whereby welding defects can be avoided.
  • a ratio of the rotational speed of the shoulder to the rotational speed of the pin is preferably selected as a function of the feed rate.
  • a ratio of the rotational speed of the pin (symbol: np) to the rotational speed of the shoulder (symbol: ns) satisfies the following conditions depending on the feed rate (symbol: v): np ⁇ >
  • a range of a preferred ratio of the rotational speed of the pin to the rotational speed of the shoulder thus generally increases approximately quadratically with the feed rate.
  • a ratio of the rotational speed of the pin (np) to the rotational speed of the shoulder (ns) is particularly preferably selected in a range of the feed speed (v) from 4 m/min to 10 m/min such that there is a more than quadratic relationship between the feed speed and the ratio of the speed of the pin to the speed of the shoulder.
  • a ratio of the rotational speed of the pin (np) to the rotational speed of the shoulder (ns) for a feed speed (v) of 4 m/min to 10 m/min satisfies the following condition, depending on the feed speed (v):
  • Ci , D, Ei , C 2 and E 2 have the following values:
  • Ci 0.6 (min/m) 2 15 ;
  • a friction stir welding tool which has a pin made of a material with a hardness of at least 70 HRC.
  • abrasive wear on the pin can be significantly reduced.
  • aluminum alloys in particular with an alloy component of silicon of more than 2% it has been shown that high abrasive wear acts on the pin, which can be significantly reduced by selecting a pin made of a material with a corresponding hardness.
  • a friction stir welding tool which has a pin made of a material with a flexural strength of at least 1,700 N/mm 2 . It has been shown that with an increased feed rate, a bending stress on the pin is also higher and by choosing a material with a corresponding bending strength, breaking of the pin can be avoided.
  • a friction stir welding tool which has a pin made of a material with a fracture toughness of at least 8.3 MNm -3/2 .
  • Corresponding characteristic values can be achieved with a wide variety of materials. It is particularly favorable if a friction stir welding tool is used which has a pin made of a solid hard metal, a highly abrasive alloy and/or a ceramic, in particular cubic boron nitride or polycrystalline cubic boron nitride. It is particularly favorable if the pin has mechanically and chemically favorable properties in an area close to the surface. It can therefore be advantageous if a friction stir welding tool is used which has a pin which has a coating, in particular a CVD coating and/or a PVD coating.
  • a friction stir welding tool which has a shoulder which has a hardness of at least 50 HRC.
  • the shoulder can be formed, for example, by a hard metal, a ceramic or the like.
  • the method according to the invention can be used to avoid an undesired increase in the fluidity of the material in the stirring zone, so that an unfavorable reduction in the coefficient of friction can be avoided.
  • the rotational speed of the pin and rotational speed of the shoulder it is possible to maintain a high coefficient of friction, which would otherwise only be achievable at low rotational speeds, even at higher rotational speeds of the pin, as a result of which a high torque can be maintained even with a correspondingly high rotational speed of the pin.
  • a higher feed rate can also be implemented, which is why a high welding speed with consistently high quality is achieved with such a method.
  • the method can thus be regulated, for example, in such a way that the rotational speed of the pin and/or shoulder can be increased until the torque of the pin and/or of the shoulder is detected, which indicates slippage of the friction stir welding tool or a drop in the coefficient of friction, after which the rotational speed of the shoulder is reduced in particular until the torque of the pin and/or the torque of the shoulder increases again or reaches a target value.
  • the feed rate or the contact pressure can also be varied, so that these parameters are changed in an automated manner, in particular, by means of a regulation in which the measured torque of the pin and/or shoulder are controlled variables, which are compared with setpoint values. A deviation of the measured torques from the respective target values thus causes a change in one or more of these parameters.
  • the method according to the invention can also be controlled in such a way that by adjusting the rotational speed of the shoulder and/or of the pin, a drop in the coefficient of friction is reliably avoided.
  • the coefficient of friction can thus be recorded indirectly via the torques. It is therefore advantageous if a torque with which the shoulder is driven and a torque with which the pin is driven are recorded, preferably continuously during the procedure. Sensors, in particular strain gauges, torque sensors or the like, can be provided for this purpose.
  • the torque can also be detected via an electric current from a motor or a spindle that drives the pin or the shoulder.
  • the torque with which the shoulder is driven and/or the torque with which the pin is driven is continuously recorded and compared with a target value and the rotational speed of the shoulder is reduced, when an amount of torque with which the shoulder is driven and/or an amount of torque with which the pin is driven is less than 90%, preferably less than 80%, in particular less than 70% of the desired value.
  • an automated response to a drop in the coefficient of friction in the stirring zone can be achieved by reducing the speed of the shoulder in order to prevent the friction stir welding tool from slipping undesirably in the stirring zone. The process thus ensures a maximum possible speed, depending on the local conditions in the stirring zone.
  • different target values can be provided for the torque with which the pin is driven and the torque with which the shoulder is driven.
  • a rotational speed can of course also be increased based on one or more target values for the torque of the pin and the torque of the shoulder.
  • the torque with which the shoulder is driven and/or the torque with which the pin is driven is continuously recorded and compared with a target value and the rotational speed of the shoulder is increased when an amount of the torque with which the shoulder is driven and/or an amount of the torque with which the pin is driven is more than 110%, preferably more than 120%, in particular more than 130%, of the target value.
  • both the rotational speed of the pin and the rotational speed of the shoulder can be reduced.
  • the rotational speed of the pin is not changed or is changed to a lesser extent than the rotational speed of the shoulder.
  • a reduction in the coefficient of friction in the stirring zone is preferably avoided by varying the speed of the shoulder or a temperature in the stirring zone is set essentially via the speed of the shoulder, so that the pin is used essentially for stirring the components in the stirring zone can.
  • the measured torques can also be used to regulate the feed rate, with the feed rate being included in the control as an independent variable and the torque of the pin and/or the torque of the shoulder as dependent variables. It can be provided that a feed rate is increased while the rotational speed of the pin and shoulder remains the same as long as an amount of torque with which the shoulder is driven and/or an amount of torque with which the pin is driven by less than 30%, in particular less than 20%, preferably less than 10%, deviates from a target value.
  • the target value usually corresponds to a torque value at which a high quality of the weld seam can be achieved and can be determined, for example, within the framework of experiments or by calculation.
  • the measured torque can also be used to determine the condition of the friction stir welding tool.
  • consumption of the coating due to a change in the coefficient of friction can cause a change in the torque under otherwise identical environmental conditions.
  • a larger gap between pin and shoulder due to increasing wear can also cause a higher torque if pin and shoulder have different speeds, especially since a larger gap can collect more material in the gap, in particular aluminum from components to be connected, which means a higher Causes friction between pin and shoulder. It can therefore be advantageous if tool wear is inferred from the measured torque and/or from a measured change in torque and the friction stir welding tool is replaced when a predefined wear is exceeded.
  • the further object is achieved by a device of the type mentioned in which the pin of the friction stir welding tool is rotatable relative to the shoulder about an axis of rotation of the friction stir welding tool, wherein the device is set up to the friction stir welding tool with a Feed speed of at least 1.0 m/min, preferably 1.5 m/min to 15 m/min, to move along a feed direction and to drive the pin at a rotational speed about the axis of rotation, which is at least 1.15 times, preferably at least corresponds to 1.5 times, in particular 2 to 12 times, the speed of rotation of the shoulder about the axis of rotation.
  • Pin and shoulder are thus separate components that can be driven at different speeds around the axis of rotation.
  • the pin and shoulder are approximately cylindrical and arranged coaxially and are moved synchronously along the feed direction.
  • pin and shoulder are usually pressed axially or along the axis of rotation onto the components to be connected with approximately the same force, although in principle it can also be provided that pin and shoulder are pressed onto the components to be welded with different forces or different pressures.
  • a different speed of pin and shoulder can be achieved in different ways. Provision is preferably made for the pin and shoulder to be connected via a gear, in particular a planetary gear.
  • the planetary gear can have a fixed or variable transmission between pin and shoulder, which can be connected to different outputs of the planetary gear, in order to be able to adapt a transmission ratio to a feed rate.
  • the device is set up to drive the pin and shoulder of the friction stir welding tool independently of one another at different speeds. This can be done, for example, by means of a gear or with separate drives.
  • a separate spindle is provided for the pin and a separate spindle for the shoulder in order to drive the pin and shoulder independently of one another.
  • the two spindles can then be driven by different motors Be driven device, usually a control device is provided in order to be able to define a transmission ratio between a rotational speed of the pin and a rotational speed of the shoulder accordingly, preferably depending on the feed rate according to the above mathematical conditions.
  • the device is usually set up to regulate the rotational speed of the shoulder and/or to regulate the rotational speed of the pin as a function of the measured torques.
  • the device for changing or regulating the feed rate and/or the contact pressure with which the friction stir welding tool is pressed axially onto the components to be welded is set up as a function of the measured torques.
  • a data processing device is preferably provided with which a rotation speed of the pin, a rotation speed of the shoulder, a feed speed and/or the contact pressure can be changed and which is connected to the sensors with which the torques are recorded.
  • the friction stir welding tool 1 shows a section through a friction stir welding tool 1 when carrying out a method according to the invention.
  • the friction stir welding tool 1 has a shoulder 3 and a pin 2 which projects axially beyond the shoulder 3 and which are separate components 4 and can therefore be moved relative to one another.
  • the shoulder 3 is formed by a hollow component 4 in which the pin 2 is arranged coaxially with the shoulder 3 .
  • the friction stir welding tool 1 is pressed axially or parallel to the axis of rotation 6 downwards onto the components 4 to be welded and moved along a feed direction 5, with the pin 2 and shoulder 3 rotating around the axis of rotation 6 at the same time in order to weld the components 4 by friction stir welding connect to.
  • Pin 2 and shoulder 3 can be moved relative to each other and can therefore be moved around the axis of rotation at different rotational speeds, so that even at high feed speeds, a high heat input through the friction stir welding tool 1 in the area of the pin 2 and at the same time a reduced heat input in the area of the shoulder 3 can be achieved .
  • components 4 made of an aluminum alloy with a silicon content of more than 2% can be welded at different feed speeds (symbol: v) of the friction stir welding tool 1 along the direction of feed 5 and different ratios of the rotational speed of the shoulder 3 (symbol: ns) to the rotational speed of the pin 2 (symbol : np) are implemented according to the following table:
  • the ratio of the speeds increases approximately quadratically with the feed speed or in a range of the feed speed between 4 m/min and 7 m/min even more than quadratically.
  • the pin 2 of the friction stir welding tool 1 can consist, for example, of a solid carbide, a highly abrasive alloy and/or a ceramic, in particular cubic boron nitride or polycrystalline cubic boron nitride, and usually has a flexural strength of at least 1,700 N/mm 2 and a fracture toughness of at least 8.3 MNm -3/2 and a hardness of at least 70 HRC.
  • the shoulder 3 can consist of a hard metal or the like, for example, and usually has a lower hardness than the pin 2 .
  • a torque with which the shoulder 3 is driven and/or a torque with which the pin 2 is driven is continuously recorded and compared with a target value or two separate target values and the rotational speed of the shoulder 3 is reduced if an amount of torque with which shoulder 3 is driven and/or an amount of torque with which pin 2 is driven is less than 90%, preferably less than 80%, in particular less than 70% of respective target value.
  • an amount of torque with which shoulder 3 is driven and/or an amount of torque with which pin 2 is driven is less than 90%, preferably less than 80%, in particular less than 70% of respective target value.
  • the feed rate can also be varied, in particular increased, and the feed rate can be regulated based on an effect on the torque of the pin 2 and/or on the torque of the shoulder 3 take place.
  • an energy input into an area of the weld seam to be formed or into a stirring zone can be varied by changing the feed speed.
  • a higher feed rate can lead to a reduction in the energy input, especially since the duration of the action of the friction stir welding tool on a point along the weld seam is reduced.
  • a lower feed rate can cause an increase in energy input, which can lead to greater fluidity in the area of the stirring zone and thus to a reduced coefficient of friction.
  • the torque can be used to infer the coefficient of friction and thus the conditions in the stirring zone, and these conditions can be influenced by changing the rotational speed of pin 2, rotational speed of shoulder 3, feed speed and contact pressure, which is why by changing one or more of these parameter conditions in the weld can be changed to achieve a high quality weld while maintaining high welding speed.
  • 2 to 4 show micrographs of weld seams on components 4 made of an aluminum alloy with more than 2% silicon content, which were formed by friction stir welding processes.
  • 2 and 3 show cross-sections of seams that were created using conventional methods.
  • the weld seam shown in FIG. 2 was created, for example, with a feed rate of 2.5 m/min and a rotational speed of pin 2 and shoulder 3 of 3,000 rpm.
  • the weld seam has defects 7 or connection defects in a region of a seam underside, which are due to the temperature in the region of the pin 2 being too low.
  • the weld seam shown in FIG. 3 was produced with a feed rate of 3 m/min and a rotation speed of pin 2 and shoulder 3 of 5,300 rpm. Although the temperature in the area of pin 2 or the underside of the seam was sufficient, the temperature in the area of shoulder 3, i.e. an upper side of the seam, was too high, which is why defect 7 occurred on the upper side of the seam.
  • 4 shows a cross-section of a weld seam produced using a method according to the invention. This weld was made with a feed rate of 3 m/min, a rotation speed of the pin 2 of 7,000 rpm and a rotation speed of the shoulder 3 of about 2,000 rpm. Accordingly, appropriate temperatures could be reached both in the area of the pin 2 and in the area of the shoulder 3, which is why the weld seam is formed without welding defects.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilen (4) durch Rührreibschweißen, wobei ein Rührreibschweißwerkzeug (1) mit einem Pin und einer Schulter (3) um eine Rotationsachse (6) rotiert und entlang einer Vorschubrichtung (5) verfahren wird, um die Bauteile (4) zu verbinden. Um eine qualitativ hochwertige Schweißnaht bei gleichzeitig hoher Schweißgeschwindigkeit zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Rührreibschweißwerkzeug (1) mit einer relativ zum Pin bewegbaren Schulter (3) eingesetzt wird und eine Rotationsgeschwindigkeit des Pins um die Rotationsachse (6) zumindest dem 1,15-fachen, vorzugsweise zumindest dem 1,5-fachen, insbesondere dem 2-fachen bis 12-fachen, der Rotationsgeschwindigkeit der Schulter (3) um die Rotationsachse (6) entspricht, wobei die Vorschubgeschwindigkeit zumindest 1,0 m/min, vorzugsweise 2,0 m/min bis 15 m/min, beträgt. Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines Rührreibschweißverfahrens mit einem Rührreibschweißwerkzeug (1) mit einem Pin und einer Schulter (3).

Description

Verfahren zum Verbinden von Bauteilen durch Rührreibschweißen sowie Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilen durch Rührreibschweißen, wobei ein Rührreibschweißwerkzeug mit einem Pin und einer Schulter um eine Rotationsachse rotiert und entlang einer Vorschubrichtung verfahren wird, um die Bauteile zu verbinden.
Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines Rührreibschweißverfahrens mit einem Rührreibschweißwerkzeug mit einem Pin und einer Schulter.
Verfahren und Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik wohlbekannt, sodass das Rührreibschweißen mittlerweile zu einem in der Industrie weit verbreiteten Schweißprozess zählt. Nachteilig bei gegenwärtig umgesetzten Rührreibschweißverfahren ist, dass nur vergleichsweise geringe
Schweißgeschwindigkeiten erreicht werden. So hat sich gezeigt, dass ein Erhöhen einer Vorschubgeschwindigkeit ab etwa 1,0 m/min zu Schweißfehlern führt, weswegen eine industriell gewünschte Reduktion von Taktzeiten gegenwärtig prozessbedingt mit Rührreibschweißverfahren des Standes der Technik nicht möglich ist.
Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem Bauteile durch Rührreibschweißen auch mit höheren Geschwindigkeiten auf qualitativ hochwertige Weise verbunden werden können.
Weiter soll eine Vorrichtung zur Durchführung eines entsprechenden Verfahrens angegeben werden.
Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem ein Rührreibschweißwerkzeug mit einer relativ zum Pin bewegbaren Schulter eingesetzt wird und eine Rotationsgeschwindigkeit des Pins um die Rotationsachse zumindest dem 1,15-fachen, vorzugsweise zumindest dem 1,5-fachen, insbesondere dem 2-fachen bis 12-fachen, der Rotationsgeschwindigkeit der Schulter um die Rotationsachse entspricht, wobei die Vorschubgeschwindigkeit zumindest 1,0 m/min, vorzugsweise 2,0 m/min bis 15 m/min, beträgt.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass Schweißfehler bei höheren Vorschubgeschwindigkeiten deshalb entstehen, weil zur Erreichung ähnlicher Prozesstemperaturen wie bei geringeren Vorschubgeschwindigkeiten mehr Wärme pro Zeiteinheit durch das Werkzeug erzeugt werden muss, jedoch ein Erhöhen der Drehzahl des Rührreibschweißwerkzeuges insbesondere im Bereich der Schulter zu Problemen führt, zumal dann im Schulterbereich ein Überhitzen erfolgt und zur Vermeidung eines unerwünschten Eintauchens des Werkzeuges in die zu verbindenden Bauteile ein Schmiededruck verringert werden müsste. Zur Erreichung einer erforderlichen Prozesstemperatur im Bereich des Pins wäre daher eine Drehzahl des Rührreibschweißwerkzeuges erforderlich, die zu unzulässig hohen Temperaturen im Bereich der Schulter und einem hohen Temperaturgradienten im Bereich einer Fügezone führen würde. Eine Asymmetrie einer Temperaturverteilung über eine Blechdicke der zu verschweißenden Bauteile, welche dazu führt, dass es im Bereich des Pins bzw. im Bereich einer Pinspitze tendenziell zu kalt und an einer Nahtoberseite tendenziell zu heiß ist, tritt auch bei niedrigen Vorschubgeschwindigkeiten auf, jedoch wird der Temperaturunterschied hier durch die Wärmeleitung in den zu verschweißenden Bauteilen bzw. in der Schweißnaht gut bis vollständig ausgeglichen.
Bei höheren Vorschubgeschwindigkeiten erfolgt ein derartiger Ausgleich nicht mehr, sondern steigt mit zunehmender Vorschubgeschwindigkeit ein Temperaturunterschied, der allein durch ein Erhöhen der Drehzahl des Rührreibschweißwerkzeuges nicht ausgeglichen werden kann, ohne dass Fehler in der Schweißnaht auftreten, weswegen eine maximale Vorschubgeschwindigkeit gegenwärtig bei konventionellen Rührreibschweißverfahren begrenzt ist.
Bei Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird somit diese Asymmetrie im Bereich der Temperaturverteilung auf einfache Weise vermieden, indem der Pin mit einer höheren Geschwindigkeit als die Schulter rotiert. Eine geringere Wärmeerzeugung im Bereich des Pins aufgrund eines geringeren Umfangs des Pins und einer kleineren Stirnfläche im Vergleich zur Schulterfläche wird somit durch eine höhere Umfangsgeschwindigkeit des Pins kompensiert. Durch die geringere Umfangsgeschwindigkeit der Schulter wird eine Gefahr einer Überhitzung an der Nahtoberseite reduziert bzw. vermieden und kann durch die reduzierte Temperatur im Bereich der Schulter die Schmiedekraft erhöht werden, ohne dass das Werkzeug in das Werkstück bzw. die zu verbindenden Bauteile eintaucht.
Als Schmiedekraft wird üblicherweise jene Kraft verstanden, mit welcher das Rührreibschweißwerkzeug axial bzw. parallel zur Rotationsachse gegen die zu verschweißenden Bauteile gepresst wird. Eine derartige Schmiedekraft bzw. Axialkraft wird in der Regel während des gesamten Schweißverfahrens aufgebracht und aufrechterhalten.
Bevorzugt ist bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass die Vorschubgeschwindigkeit 1 ,5 m/min bis 10 m/min beträgt. Dadurch können besonders niedrige Taktzeiten gleichermaßen wie eine hohe Qualität der Schweißnaht erreicht werden.
Weiter ist bevorzugt vorgesehen, dass die Rotationsgeschwindigkeit des Pins um die Rotationsachse dem 2-fachen bis 12-fachen, insbesondere dem 3-fachen bis 8-fachen, vorzugsweise etwa dem 4-fachen, der Rotationsgeschwindigkeit der Schulter um die Rotationsachse entspricht. Auf diese Weise können sowohl im Bereich des Pins bzw. einer Nahtunterseite als auch im Bereich der Schulter bzw. einer Nahtoberseite günstige Temperaturen auch bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten von beispielsweise 2 m/min bis 10 m/min erreicht werden, wodurch Schweißfehler vermieden werden können.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass ein Verhältnis von Rotationsgeschwindigkeit der Schulter zur Rotationsgeschwindigkeit des Pins bevorzugt abhängig von der Vorschubgeschwindigkeit gewählt wird. Diesbezüglich hat es sich besonders bewährt, wenn ein Verhältnis von Rotationsgeschwindigkeit des Pins (Formelzeichen: np) zur Rotationsgeschwindigkeit der Schulter (Formelzeichen: ns) folgender Bedingungen in Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit (Formelzeichen: v) genügt: np ■>
Ax ■ v2 + Bi < — < A2 ■ v2 + B2 ns wobei die Kostanten Ai , Bi , A2 und B2 folgende Werte aufweisen: Ai = 0,17 (min/m)2;
Ä2= 0,25 (min/m)2;
Bi = 1 ;
B2 = 1 ,8.
Ein Bereich eines bevorzugten Verhältnisses von Rotationsgeschwindigkeit des Pins zur Rotationsgeschwindigkeit der Schulter steigt somit im Allgemeinen etwa quadratisch mit der Vorschubgeschwindigkeit.
Darüber hinaus hat sich überraschender Weise gezeigt, dass ein Verhältnis von Rotationsgeschwindigkeit des Pins (np) zur Rotationsgeschwindigkeit der Schulter (ns) besonders bevorzugt in einem Bereich der Vorschubgeschwindigkeit (v) von 4 m/min bis 10 m/min derart gewählt wird, dass sich ein mehr als quadratischer Zusammenhang zwischen der Vorschubgeschwindigkeit und dem Verhältnis von Geschwindigkeit des Pins zur Geschwindigkeit der Schulter ergibt. Diesbezüglich ist es besonders günstig, wenn ein Verhältnis von Rotationsgeschwindigkeit des Pins (np) zu Rotationsgeschwindigkeit der Schulter (ns) für eine Vorschubgeschwindigkeit (v) von 4 m/min bis 10 m/min folgender Bedingung in Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit (v) genügt:
Ci ■ (v - D)2,15 + Ei < — < C2 ■ (v - D)2,15 + E2 ns wobei die Kostanten Ci , D, Ei , C2 und E2 folgende Werte aufweisen:
Ci = 0,6 (min/m)2 15;
C2= 0,6 (min/m)2’15;
D = 4 m/min;
Ei = 3 bis 5, insbesondere 4;
E2 = 6 bis 8, insbesondere 7.
Dieser überraschend gefundene Zusammenhang, in welchem die Vorschubgeschwindigkeit mehr als quadratisch eingeht, könnte physikalisch dadurch begründet sein, dass die Wärmeerzeugung quadratisch mit der Geschwindigkeit ansteigt und darüber hinaus auch eine Temperatur unmittelbar vor dem Rührreibschweißwerkzeug umso geringer ist, je höher die Vorschubgeschwindigkeit ist. Insbesondere für den Bereich der Vorschubgeschwindigkeit von 4 m/min bis 10 m/min kann somit bei entsprechender Wahl des Geschwindigkeitsverhältnisses eine besonders hohe Qualität bei gleichzeitig geringer Taktzeit erreicht werden. Bevorzugt ist vorgesehen, dass zumindest eines der Bauteile vorzugsweise beide Bauteile, aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung, insbesondere aus einer Aluminium-Legierung mit einem Siliciumanteil von mehr als 2 %, bestehen.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Pins 6.000 U/min bis 8.000 U/min beträgt. Dadurch ist es möglich, Bauteile durch Rührreibschweißen in qualitativ hochwertiger Weise zu verbinden, wobei Vorschubgeschwindigkeiten von beispielsweise 10 m/min möglich sind.
Weiter hat es sich bewährt, dass ein Rührreibschweißwerkzeug eingesetzt wird, welches einen Pin aufweist, der aus einem Material mit einer Härte von zumindest 70 HRC besteht. Dadurch kann insbesondere ein abrasiver Verschleiß am Pin erheblich reduziert werden. So hat sich insbesondere bei Aluminiumlegierungen mit einem Legierungsbestandteil von Silicium von mehr als 2 % gezeigt, dass ein hoher abrasiver Verschleiß auf den Pin wirkt, welcher durch Wahl eines Pins aus einem Material mit entsprechender Härte wesentlich reduziert werden kann.
Darüber hinaus ist es günstig, wenn ein Rührreibschweißwerkzeug eingesetzt wird, welches einen Pin aufweist, der aus einem Material mit einer Biegefestigkeit von zumindest 1.700 N/mm2 besteht. So hat sich gezeigt, dass bei erhöhter Vorschubgeschwindigkeit auch eine Biegebeanspruchung auf den Pin höher ist und durch Wahl eines Materials mit entsprechender Biegefestigkeit ein Brechen des Pins vermieden werden kann.
Um ein unerwünschtes Brechen des Pins besonders zuverlässig auch bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten zu vermeiden, ist es besonders günstig, wenn ein Rührreibschweißwerkzeug eingesetzt wird, welches einen Pin aufweist, der aus einem Material mit einer Bruchzähigkeit von zumindest 8,3 MNm-3/2 besteht.
Entsprechende Kennwerte können mit unterschiedlichsten Materialien erreicht werden. Besonders günstig ist es, wenn ein Rührreibschweißwerkzeug eingesetzt wird, welches einen Pin aufweist, der aus einem Vollhartmetall, einer hochabrasiven Legierung und/oder einer Keramik, insbesondere kubischem Bornitrid oder polykristallinem kubischen Bornitrid, besteht. Besonders günstig ist es, wenn der Pin in einem oberflächennahen Bereich mechanisch und chemisch günstige Eigenschaften aufweist. Es kann daher vorteilhaft sein, wenn ein Rührreibschweißwerkzeug eingesetzt wird, welches einen Pin aufweist, der eine Beschichtung, insbesondere eine CVD-Beschichtung und/oder eine PVD-Beschichtung, aufweist.
Es hat sich bewährt, dass ein Rührreibschweißwerkzeug eingesetzt wird, welches eine Schulter aufweist, die eine geringere Härte als der Pin des Rührreibschweißwerkzeuges aufweist. So tritt im Bereich der Schulter eine Kombination von abrasivem und adhäsivem Verschleiß auf, weswegen ein Werkstoff mit geringerer Härte im Bereich der Schulter ausreichend sein kann.
Günstig ist es, wenn ein Rührreibschweißwerkzeug eingesetzt wird, welches eine Schulter aufweist, die eine Härte von zumindest 50 HRC aufweist. Die Schulter kann beispielsweise durch ein Hartmetall, eine Keramik oder dergleichen gebildet sein.
Vorteilhaft ist es, wenn eine Drehzahl des Pins während des Verfahrens geändert wird, wobei jedoch ein Drehmoment, mit welchem der Pin angetrieben wird, und/oder ein Drehmoment, mit welchem die Schulter angetrieben wird, im Wesentlichen konstant bleiben. Beim herkömmlichen Rührreibschweißen muss bei zunehmender Vorschubgeschwindigkeit eine Drehzahl des Werkzeuges erhöht werden, um bei kürzerer Verweildauer an einem Punkt der Schweißnaht eine gleich große Energiemenge einbringen zu können. Dabei hat sich gezeigt, dass durch die höhere Rotationsgeschwindigkeit des Werkzeuges eine Fluidität des Materials in der Rührzone erhöht wird, sodass ein Reibwert reduziert wird bzw. das Werkzeug mehr „rutscht“. Entsprechend sinkt beim klassischen Rührreibschweißen bei zunehmender Rotationsgeschwindigkeit, gleichbleibender Vorschubgeschwindigkeit und gleichbleibendem Anpressdruck des Werkzeuges an die zu verschweißenden Bauteile ein Drehmoment aufgrund eines abnehmenden Reibwertes, wodurch eine weitere Erhöhung der Drehzahl erforderlich ist, um eine erforderliche Energiemenge einbringen zu können, zumal die eingebrachte Leistung durch ein Produkt aus Drehmoment und Drehzahl definiert ist. Dies erhöht wiederum die Fluidität in der Rührzone und reduziert den Reibwert weiter, weswegen beim klassischen Rührreibschweißen die Rotationsgeschwindigkeit und somit auch die Vorschubgeschwindigkeit nur in engen Grenzen erhöht werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann aufgrund der relativ zur Drehzahl des Pins geringeren Drehzahl der Schulter dazu genutzt werden, eine unerwünschte Erhöhung der Fluidität des Materials in der Rührzone zu vermeiden, sodass eine ungünstige Reibwertreduktion vermieden werden kann. Dadurch ist es bei entsprechender Wahl von Rotationsgeschwindigkeit des Pins und Rotationsgeschwindigkeit der Schulter möglich, einen andernfalls nur bei geringen Rotationsgeschwindigkeiten erzielbaren hohen Reibwert auch bei höheren Rotationsgeschwindigkeiten des Pins aufrechtzuerhalten, wodurch auch bei entsprechend hoher Rotationsgeschwindigkeit des Pins ein hohes Drehmoment aufrechterhalten werden kann. Dadurch kann auch eine höhere Vorschubgeschwindigkeit umgesetzt werden, weswegen mit einem solchen Verfahren eine hohe Schweißgeschwindigkeit bei gleichbleibend hoher Qualität erreicht wird.
Entsprechend ist es vorteilhaft, wenn eine Drehzahl des Pins während des Verfahrens geändert wird, wobei jedoch ein Drehmoment, mit welchem der Pin angetrieben wird, und/oder ein Drehmoment, mit welchem die Schulter angetrieben wird, im Wesentlichen konstant bleiben.
Das Verfahren kann somit beispielsweise derart geregelt werden, dass bei gleichbleibender Anpresskraft, mit welcher das Rührreibschweißwerkzeug axial gegen die zu verbindenden Bauteile gepresst wird, und gleichbleibender Vorschubgeschwindigkeit Rotationsgeschwindigkeit von Pin und/oder Schulter erhöht werden, bis ein Abfall des Drehmomentes des Pins und/oder der Schulter erkannt wird, welcher auf ein Rutschen des Rührreibschweißwerkzeuges bzw. einen Abfall des Reibwertes hinweist, wonach insbesondere die Rotationsgeschwindigkeit der Schulter reduziert wird, bis das Drehmoment des Pins und/oder das Drehmoment der Schulter wieder ansteigt bzw. einen Sollwert erreicht.
Alternativ oder ergänzend kann auch die Vorschubgeschwindigkeit oder der Anpressdruck variiert werden, sodass diese Parameter insbesondere automatisiert durch eine Regelung geändert werden, in welcher Regelung gemessenes Drehmoment von Pin und/oder Schulter Regelgrößen sind, welche mit Sollwerten verglichen werden. Eine Abweichung der gemessenen Drehmomente von den jeweiligen Sollwerten bewirkt somit eine Änderung von einem oder mehreren dieser Parameter.
Basierend auf der Erkenntnis, dass durch eine gegenüber der Rotationsgeschwindigkeit des Pins reduzierte Rotationsgeschwindigkeit der Schulter eine Reibwertreduktion zwischen Rührreibschweißwerkzeug und den Bauteilen reduziert werden kann, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch in der Weise geregelt werden, dass durch ein Anpassen der Rotationsgeschwindigkeit der Schulter und/oder des Pins ein Absinken des Reibwertes zuverlässig vermieden wird. Der Reibwert kann somit mittelbar über die Drehmomente erfasst werden. Es ist daher vorteilhaft, wenn ein Drehmoment, mit welchem die Schulter angetrieben wird, und ein Drehmoment, mit welchem der Pin angetrieben wird, erfasst werden, vorzugsweise kontinuierlich während des Verfahrens. Hierzu können Sensoren, insbesondere Dehnmessstreifen, Drehmomentaufnehmer oder dergleichen, vorgesehen sein. Grundsätzlich kann das Drehmoment auch über einen elektrischen Strom eines Motors bzw. einer Spindel, welche den Pin oder die Schulter antreibt, erfasst werden.
Basierend auf entsprechend gemessenen Drehmomenten ist weiter bevorzugt vorgesehen, dass das Drehmoment, mit welchem die Schulter angetrieben wird, und/oder das Drehmoment, mit welchem der Pin angetrieben wird, kontinuierlich erfasst sowie mit einem Sollwert verglichen wird und die Rotationsgeschwindigkeit der Schulter reduziert wird, wenn ein Betrag des Drehmomentes, mit welchem die Schulter angetrieben wird, und/oder ein Betrag des Drehmomentes, mit welchem der Pin angetrieben wird, weniger als 90 %, vorzugweise weniger als 80 %, insbesondere weniger als 70 %, des Sollwertes beträgt. Auf diese Weise kann automatisiert auf einen Reibwertabfall in der Rührzone mit einer Reduktion der Drehzahl der Schulter reagiert werden, um ein unerwünschtes Rutschen des Rührreibschweißwerkzeuges in der Rührzone zu vermeiden. Das Verfahren gewährleistet somit abhängig von den lokalen Bedingungen in der Rührzone eine maximal mögliche Geschwindigkeit.
Es versteht sich, dass unterschiedliche Sollwerte für das Drehmoment, mit welchem der Pin angetrieben wird, und das Drehmoment, mit welchem die Schulter angetrieben wird, vorgesehen sein können. Basierend auf einem oder mehreren Sollwerten für das Drehmoment des Pins und das Drehmoment der Schulter kann natürlich auch eine Rotationsgeschwindigkeit erhöht werden. In dem Zusammenhang ist bevorzugt vorgesehen, dass das Drehmoment, mit welchem die Schulter angetrieben wird, und/oder das Drehmoment, mit welchem der Pin angetrieben wird, kontinuierlich erfasst sowie mit einem Sollwert verglichen wird und die Rotationsgeschwindigkeit der Schulter erhöht wird, wenn ein Betrag des Drehmomentes, mit welchem die Schulter angetrieben wird, und/oder ein Betrag des Drehmomentes, mit welchem der Pin angetrieben wird, mehr als 110 %, vorzugweise mehr als 120 %, insbesondere mehr als 130 %, des Sollwertes beträgt. Eine Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit der Schulter erhöht eine Fluidität in der Rührzone und führt somit zu einer Reduktion des Reibwertes, weswegen das Drehmoment bei steigender Drehzahl absinkt. Auch hier können natürlich unterschiedliche Sollwerte für das Drehmoment, mit welchem der Pin angetrieben wird, und das Drehmoment, mit welchem die Schulter angetrieben wird, vorgesehen sein.
Um ein über einen Abfall des Drehmomentes erfasstes Rutschen des Rührreibschweißwerkzeuges in der Rührzone zu reduzieren oder zu vermeiden, kann grundsätzlich sowohl die Rotationsgeschwindigkeit des Pins als auch die Rotationsgeschwindigkeit der Schulter reduziert werden. Um auch bei hoher Vorschubgeschwindigkeit eine gute Verrührung und damit eine hohe Schweißnahtqualität zu erreichen, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Rotationsgeschwindigkeit des Pins nicht oder in einem geringeren Ausmaß als die Rotationsgeschwindigkeit der Schulter geändert wird. Anders ausgedrückt wird bevorzugt eine Reduktion des Reibwertes in der Rührzone durch eine Variation der Drehzahl der Schulter vermieden bzw. eine Temperatur in der Rührzone im Wesentlichen über die Drehzahl der Schulter eingestellt, sodass der Pin im Wesentlichen für das Verrühren der Bauteile in der Rührzone eingesetzt werden kann.
Die gemessenen Drehmomente können auch dazu genutzt werden, die Vorschubgeschwindigkeit zu regeln, wobei die Vorschubgeschwindigkeit als unabhängige Größe und das Drehmoment des Pins und/oder das Drehmoment der Schulter als abhängige Größen in die Regelung eingehen. Dabei kann vorgesehen sein, dass eine Vorschubgeschwindigkeit bei gleichbleibender Rotationsgeschwindigkeit von Pin und Schulter erhöht wird, solange ein Betrag des Drehmomentes, mit welchem die Schulter angetrieben wird, und/oder ein Betrag des Drehmomentes, mit welchem der Pin angetrieben wird, um weniger als 30 %, insbesondere weniger als 20 %, vorzugsweise weniger als 10 %, von einem Sollwert abweicht.
Der Sollwert entspricht üblicherweise einem Wert des Drehmomentes, bei welchem eine hohe Qualität der Schweißnaht erreicht werden kann und kann beispielsweise im Rahmen von Experimenten oder rechnerisch ermittelt werden.
Somit kann über die Änderung der Vorschubgeschwindigkeit zur Regelung der gemessenen Drehmomente auf einen oder mehrere definierte Sollwerte, welche somit üblicherweise als von der Vorschubgeschwindigkeit abhängige Regelgröße in die Regelung eingehen, sichergestellt werden, dass auch bei hoher Vorschubgeschwindigkeit günstige Bedingungen im Bereich der zu bildenden Schweißnaht bzw. in der Rührzone gewährleistet sind.
Das gemessene Drehmoment kann auch dazu genutzt werden, den Zustand des Rührreibschweißwerkzeuges zu bestimmen. Einerseits kann bei einem beschichteten Rührreibschweißwerkzeuges ein Verbrauch der Beschichtung durch eine Reibwertänderung eine Änderung des Drehmomentes bei sonst gleichen Umgebungsbedingungen bewirken.
Andererseits kann ein durch zunehmenden Verschleiß größerer Spalt zwischen Pin und Schulter ebenfalls ein höheres Drehmoment bewirken, wenn Pin und Schulter unterschiedliche Drehzahlen aufweisen, zumal sich bei einem größeren Spalt mehr Material, insbesondere Aluminium von zu verbindenden Bauteilen, im Spalt ansammeln kann, welches eine höhere Reibung zwischen Pin und Schulter verursacht. Es kann daher günstig sein, wenn anhand des gemessenen Drehmomentes und/oder anhand einer gemessenen Drehmomentänderung auf einen Werkzeugverschleiß geschlossen und das Rührreibschweißwerkzeug bei Überschreiten eines vordefinierten Verschleißes getauscht wird.
Die weitere Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei welcher der Pin des Rührreibschweißwerkzeuges relativ zur Schulter um eine Rotationsachse des Rührreibschweißwerkzeuges rotierbar ist, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, das Rührreibschweißwerkzeug mit einer Vorschubgeschwindigkeit von zumindest 1 ,0 m/min, vorzugsweise 1,5 m/min bis 15 m/min, entlang einer Vorschubrichtung zu bewegen und den Pin mit einer Rotationsgeschwindigkeit um die Rotationsachse anzutreiben, welche zumindest dem 1,15-fachen, vorzugsweise zumindest dem 1 ,5-fachen, insbesondere dem 2-fachen bis 12-fachen, der Rotationsgeschwindigkeit der Schulter um die Rotationsachse entspricht.
Dies ermöglicht die Herstellung von Schweißnähten durch Rührreibschweißen mit hoher Geschwindigkeit und gleichzeitig hoher Qualität. Üblicherweise wird die Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt. Pin und Schulter sind somit gesonderte Bauteile, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten um die Rotationsachse angetrieben werden können. In der Regel sind Pin und Schulter etwa zylindrisch ausgebildet und koaxial angeordnet und werden synchron entlang der Vorschubrichtung bewegt. Weiter werden Pin und Schulter üblicherweise mit etwa gleicher Kraft axial bzw. entlang der Rotationsachse auf die zu verbindenden Bauteile gepresst, wenngleich grundsätzlich auch vorgesehen sein kann, dass Pin und Schulter mit unterschiedlichen Kräften bzw. unterschiedlichen Drücken auf die zu verschweißenden Bauteile gepresst werden.
Konstruktiv kann eine unterschiedliche Geschwindigkeit von Pin und Schulter auf unterschiedlichste Weisen erreicht werden. Bevorzugt ist vorgesehen, dass Pin und Schulter über ein Getriebe, insbesondere ein Planetengetriebe, verbunden sind. Das Planetengetriebe kann eine starre oder variable Übersetzung zwischen Pin und Schulter, welche mit unterschiedlichen Ausgängen des Planetengetriebes verbunden sein können, aufweisen, um ein Übersetzungsverhältnis an eine Vorschubgeschwindigkeit anpassen zu können.
Darüber hinaus kann auch vorgesehen sein, dass die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, Pin und Schulter des Rührreibschweißwerkzeuges unabhängig voneinander mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten anzutreiben. Dies kann beispielsweise mittels eines Getriebes als auch mit gesonderten Antrieben erfolgen.
Besonders günstig ist es, wenn eine gesonderte Spindel für den Pin und eine gesonderte Spindel für die Schulter vorgesehen sind, um Pin und Schulter unabhängig voneinander anzutreiben. Die beiden Spindeln können dann durch unterschiedliche Motoren der Vorrichtung angetrieben sein, wobei üblicherweise eine Steuerungseinrichtung vorgesehen ist, um ein Übersetzungsverhältnis zwischen einer Rotationsgeschwindigkeit des Pins und einer Rotationsgeschwindigkeit der Schulter entsprechend definieren zu können, vorzugsweise abhängig von der Vorschubgeschwindigkeit gemäß den oben angegebenen mathematischen Bedingungen.
Wie ausgeführt kann es günstig sein, das Verfahren abhängig von Drehmomenten, mit welchen der Pin und/oder die Schulter angetrieben werden, zu regeln, wobei Drehzahl von Pin, Drehzahl der Schulter, Anpresskraft des Werkzeuges an die zu verschweißenden Bauteile und/oder eine Vorschubkraft geändert werden können, um Drehmomente innerhalb vordefinierter Grenzen um einen Sollwert zu erreichen. Es ist daher günstig, wenn Sensoren vorgesehen sind, mit welchen ein Drehmoment, mit welchem die Schulter angetrieben wird, und ein Drehmoment, mit welchem der Pin angetrieben wird, erfassbar sind.
Üblicherweise ist die Vorrichtung zur Regelung der Rotationsgeschwindigkeit der Schulter und/oder zur Regelung der Rotationsgeschwindigkeit des Pins in Abhängigkeit der gemessenen Drehmomente eingerichtet.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zur Veränderung bzw. Regelung der Vorschubgeschwindigkeit und/oder der Anpresskraft, mit welcher das Rührreibschweißwerkzeug axial an die zu verschweißenden Bauteile gepresst wird, in Abhängigkeit der gemessenen Drehmomente eingerichtet ist.
Hierzu ist bevorzugt eine Datenverarbeitungseinrichtung vorgesehen, mit welcher eine Rotationsgeschwindigkeit des Pins, eine Rotationsgeschwindigkeit der Schulter, eine Vorschubgeschwindigkeit und/oder die Anpresskraft geändert werden können und welche mit den Sensoren, mit welchen die Drehmomente erfasst werden, verbunden ist.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich anhand des nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung, auf welche dabei Bezug genommen wird, zeigt: Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch ein Rührreibschweißwerkzeug bei Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 bis 4 Schliffbilder von Schnitten durch Schweißnähte.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Rührreibschweißwerkzeug 1 bei Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Wie ersichtlich weist das Rührreibschweißwerkzeug 1 eine Schulter 3 und einen die Schulter 3 axial überragenden Pin 2 auf, welche separate Bauteile 4 und somit relativ zueinander bewegbar sind. Die Schulter 3 wird dabei durch ein hohles Bauteil 4 gebildet, in welchem der Pin 2 koaxial zur Schulter 3 angeordnet ist.
Das Rührreibschweißwerkzeug 1 wird wie beim Rührreibschweißen üblich axial bzw. parallel zur Rotationsachse 6 nach unten auf die zu verschweißenden Bauteile 4 gepresst und entlang einer Vorschubrichtung 5 bewegt, wobei Pin 2 und Schulter 3 gleichzeitig um die Rotationsachse 6 rotieren, um die Bauteile 4 durch Rührreibschweißen zu verbinden.
Pin 2 und Schulter 3 sind relativ zueinander bewegbar und können somit mit unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten um die Rotationachse bewegt werden, sodass auch bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten eine hohe Wärmeeinbringung durch das Rührreibschweißwerkzeug 1 im Bereich des Pins 2 und gleichzeitig eine reduzierte Wärmeeinbringung im Bereich der Schulter 3 erreicht werden.
Mit einem erfindungsgemäßen Rührreibschweißwerkzeug 1 können Materialien unterschiedlichster Art verschweißt werden. Beispielsweise können Bauteile 4 aus einer Aluminiumlegierung mit einem Siliciumanteil von mehr als 2 % bei unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeiten (Formelzeichen: v) des Rührreibschweißwerkzeuges 1 entlang der Vorschubrichtung 5 und unterschiedlichen Verhältnissen von Rotationsgeschwindigkeit der Schulter 3 (Formelzeichen: ns) zu Rotationsgeschwindigkeit des Pins 2 (Formelzeichen: np) gemäß folgender Tabelle umgesetzt werden:
Figure imgf000016_0003
Wie sich aus der Tabelle ergibt, steigt das Verhältnis der Drehzahlen etwa quadratisch mit der Vorschubgeschwindigkeit bzw. in einem Bereich der Vorschubgeschwindigkeit zwischen 4 m/min und 7 m/min sogar stärker als quadratisch an.
Allgemein hat sich somit ein von der Vorschubgeschwindigkeit abhängiges Verhältnis der Drehzahlen von Pin 2 zu Schulter 3 (np/ns) als vorteilhaft erwiesen, welches folgender Bedingung genügt:
Figure imgf000016_0001
wobei die Kostanten Ai , Bi , A2 und B2 folgende Werte aufweisen:
Ai = 0,17(min/m)2;
A2= 0,25 (min/m)2;
Bi = 1 ;
B2 = 1 ,8.
Im Bereich der Vorschubgeschwindigkeit von 4 m/min bis 10 m/min hat sich zur Erreichung qualitativ hochwertiger Schweißnähte bei gleichzeitig hoher Schweißgeschwindigkeit insbesondere ein von der Vorschubgeschwindigkeit abhängiges Verhältnis der Drehzahlen Pin 2 zu Schulter 3 (np/ns) als besonders vorteilhaft erwiesen, welches folgender Bedingung genügt:
Figure imgf000016_0002
wobei die Kostanten Ci , D, Ei , C2 und E2 folgende Werte aufweisen:
Ci = 0,6 (min/m)2; C2 = 0,6 (min/m)2; D = 4 m/min Ei = 3 bis 5, insbesondere 4; £2 = 6 bis 8, insbesondere 7.
Der Pin 2 des Rührreibschweißwerkzeuges 1 kann beispielsweise aus einem Vollhartmetall, einer hochabrasiven Legierung und/oder einer Keramik, insbesondere kubischem Bornitrid oder polykristallinem kubischem Bornitrid bestehen und weist üblicherweise eine Biegefestigkeit von zumindest 1.700 N/mm2 und eine Bruchzähigkeit von zumindest 8,3 MNm-3/2 sowie eine Härte von zumindest 70 HRC auf.
Die Schulter 3 kann beispielsweise aus einem Hartmetall oder dergleichen bestehen und weist üblicherweise eine geringere Härte als der Pin 2 auf.
Ergänzend kann vorgesehen sein, dass ein Drehmoment, mit welchem die Schulter 3 angetrieben wird, und/oder ein Drehmoment, mit welchem der Pin 2 angetrieben wird, kontinuierlich erfasst sowie mit einem Sollwert oder zwei gesonderten Sollwerten verglichen wird und die Rotationsgeschwindigkeit der Schulter 3 reduziert wird, wenn ein Betrag des Drehmomentes, mit welchem die Schulter 3 angetrieben wird, und/oder ein Betrag des Drehmomentes, mit welchem der Pin 2 angetrieben wird, weniger als 90 %, vorzugweise weniger als 80 %, insbesondere weniger als 70 %, des jeweiligen Sollwertes beträgt. So kann aus einem Abfall des Drehmomentes bei sonst gleichbleibenden Parametern, insbesondere gleichbleibender Vorschubgeschwindigkeit, auf eine unerwünschte Reduktion des Reibwertes im Bereich der zu bildenden Schweißnaht bzw. in einer Rührzone geschlossen werden, welche durch eine zu hohe eingebrachte Energiemenge durch eine Rotation der Schulter 3 bedingt ist. Mit einer Reduktion der Rotationsgeschwindigkeit der Schulter 3 können somit wieder günstigere Bedingungen in der Rührzone und damit ein höherer Reibwert zwischen den zu verbindenden Bauteilen 4 und dem Rührreibschweißwerkzeug erreicht werden.
Alternativ oder ergänzend kann auch die Vorschubgeschwindigkeit variiert, insbesondere erhöht, werden und anhand einer Auswirkung auf das Drehmoment des Pins 2 und/oder auf das Drehmoment der Schulter 3 eine Regelung der Vorschubgeschwindigkeit erfolgen. So kann bei gleichbleibender Rotationsgeschwindigkeit ein Energieeintrag in einen Bereich der zu bildenden Schweißnaht bzw. in eine Rührzone durch eine Veränderung der Vorschubgeschwindigkeit variiert werden. Eine höhere Vorschubgeschwindigkeit kann dabei zu einer Reduktion des Energieeintrages führen, zumal eine Einwirkdauer des Rührreibschweißwerkzeug auf einen Punkt entlang der Schweißnaht reduziert wird. Umgekehrt kann eine geringere Vorschubgeschwindigkeit eine Erhöhung eines Energieeintrages bewirken, welcher zu einer stärkeren Fluidität im Bereich der Rührzone und damit zu einem reduzierten Reibwert führen kann.
Anders ausgedrückt kann über das Drehmoment auf den Reibwert und somit auf Bedingungen in der Rührzone geschlossen werden und können diese Bedingungen durch Änderung von Rotationsgeschwindigkeit des Pins 2, Rotationsgeschwindigkeit der Schulter 3, Vorschubgeschwindigkeit und Anpresskraft beeinflusst werden, weswegen durch Änderung eines oder mehrerer dieser Parameter Bedingungen in der Schweißnaht geändert werden können, um eine Schweißnaht mit hoher Qualität bei gleichzeitig hoher Schweißgeschwindigkeit zu erreichen.
Fig. 2 bis 4 zeigen Schliffbilder von Schweißnähten an Bauteilen 4 aus einer Aluminiumlegierung mit mehr als 2 % Siliciumanteil, die durch Rührreibschweißverfahren gebildet wurden. Dabei zeigen die Fig. 2 und 3 Querschliffe von Nähten, die mit konventionellen Verfahren erstellt wurden. Die in Fig. 2 dargestellte Schweißnaht wurde beispielsweise mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 2,5 m/min und einer Rotationsgeschwindigkeit von Pin 2 und Schulter 3 von 3.000 U/min erstellt. Wie ersichtlich weist die Schweißnaht in einem Bereich einer Nahtunterseite Fehler 7 bzw. Anbindungsfehler auf, die auf eine zu geringe Temperatur im Bereich des Pins 2 zurückgehen.
Die in Fig. 3 dargestellte Schweißnaht wurde mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 3 m/min und einer Rotationsgeschwindigkeit von Pin 2 und Schulter 3 von 5.300 U/min erstellt. Hier war zwar die Temperatur im Bereich des Pins 2 bzw. der Nahtunterseite ausreichend, jedoch die Temperatur im Bereich der Schulter 3, also einer Nahtoberseite, zu hoch, weswegen hier Fehler 7 an der Nahtoberseite auftraten. Fig. 4 zeigt einen Querschliff einer mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schweißnaht. Diese Schweißnaht wurde mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 3 m/min, einer Rotationsgeschwindigkeit des Pins 2 von 7.000 U/rnin und einer Rotationsgeschwindigkeit der Schulter 3 von etwa 2.000 U/rnin erstellt. Entsprechend konnten sowohl im Bereich des Pins 2 als auch im Bereich der Schulter 3 angemessene Temperaturen erreicht werden, weswegen die Schweißnaht ohne Schweißfehler ausgebildet ist.
Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren und einer entsprechenden Vorrichtung ist die Herstellung von Schweißnähten durch Rührreibschweißen insbesondere bei
Aluminiumbauteilen sowohl mit hoher Geschwindigkeit als auch mit einer hohen Qualität möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Verbinden von Bauteilen (4) durch Rührreibschweißen, wobei ein Rührreibschweißwerkzeug (1) mit einem Pin (2) und einer Schulter (3) um eine Rotationsachse (6) rotiert und entlang einer Vorschubrichtung (5) verfahren wird, um die Bauteile (4) zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rührreibschweißwerkzeug (1) mit einer relativ zum Pin (2) bewegbaren Schulter (3) eingesetzt wird und eine Rotationsgeschwindigkeit des Pins (2) um die Rotationsachse (6) zumindest dem 1 ,15-fachen, vorzugsweise zumindest dem 1 ,5-fachen, insbesondere dem 2-fachen bis 12-fachen, der Rotationsgeschwindigkeit der Schulter (3) um die Rotationsachse (6) entspricht, wobei die Vorschubgeschwindigkeit zumindest 1 ,0 m/min, vorzugsweise 2,0 m/min bis 15 m/min, beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubgeschwindigkeit 1 ,5 m/min bis 10 m/min beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsgeschwindigkeit des Pins (2) um die Rotationsachse (6) dem 3-fachen bis 8-fachen der Rotationsgeschwindigkeit der Schulter (3) um die Rotationsachse (6) entspricht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis von Rotationsgeschwindigkeit des Pins (2), np, zu Rotationsgeschwindigkeit der Schulter (3), ns, folgender Bedingung in Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit, v, genügt:
Figure imgf000020_0001
wobei die Kostanten Ai , Bi , A2 und B2 folgende Werte aufweisen:
Ai = 0,17 (min/m)2;
A2 = 0,25 (min/m)2;
Bi = 1 ; B2 = 1 ,8.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis von Rotationsgeschwindigkeit des Pins (2), np, zu Rotationsgeschwindigkeit der Schulter (3), ns, für eine Vorschubgeschwindigkeit von 4 m/min bis 10 m/min folgender Bedingung in Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit, v, genügt:
Figure imgf000021_0001
wobei die Kostanten Ci , D, Ei , C2 und E2 folgende Werte aufweisen:
Ci = 0,6 (min/m)2 15;
C2 = 0,6 (min/m)2 15;
D = 4 m/min
Ei = 3 bis 5, insbesondere 4;
£2 = 6 bis 8, insbesondere 7.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Bauteile (4), vorzugsweise beide Bauteile (4), aus Aluminium oder eine Aluminium-Legierung, insbesondere aus einer Aluminium-Legierung mit einem Siliciumanteil von mehr als 2 %, bestehen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsgeschwindigkeit des Pins (2) 6.000 U/min bis 8.000 U/min beträgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rührreibschweißwerkzeug (1) eingesetzt wird, welches einen Pin (2) aufweist, der aus einem Material mit einer Härte von zumindest 70 HRC besteht.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rührreibschweißwerkzeug (1) eingesetzt wird, welches einen Pin (2) aufweist, der aus einem Material mit einer Biegefestigkeit von zumindest 1.700 N/mm2 besteht.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rührreibschweißwerkzeug (1) eingesetzt wird, welches einen Pin (2) aufweist, der aus einem Material mit einer Bruchzähigkeit von zumindest 8,3 MNm-3/2 besteht.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rührreibschweißwerkzeug (1) eingesetzt wird, welches einen Pin (2) aufweist, der aus einem Vollhartmetall, einer hochabrasiven Legierung und/oder einer Keramik, insbesondere kubischem Bornitrid oder polykristallinem kubischen Bornitrid, besteht.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rührreibschweißwerkzeug (1) eingesetzt wird, welches einen Pin (2) aufweist, der eine Beschichtung, insbesondere eine CVD-Beschichtung und/oder eine PVD-Beschichtung, aufweist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rührreibschweißwerkzeug (1) eingesetzt wird, welches eine Schulter (3) aufweist, die eine geringere Härte als der Pin (2) des Rührreibschweißwerkzeuges (1) aufweist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rührreibschweißwerkzeug (1) eingesetzt wird, welches eine Schulter (3) aufweist, die eine Härte von zumindest 50 HRC aufweist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehzahl des Pins (2) während des Verfahrens geändert wird, wobei jedoch ein Drehmoment, mit welchem der Pin (2) angetrieben wird, und/oder ein Drehmoment, mit welchem die Schulter (3) angetrieben wird, im Wesentlichen konstant bleiben.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehmoment, mit welchem die Schulter (3) angetrieben wird, und/oder ein Drehmoment, mit welchem der Pin (2) angetrieben wird, erfasst werden, vorzugsweise kontinuierlich während des Verfahrens.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment, mit welchem die Schulter (3) angetrieben wird, und/oder das Drehmoment, mit welchem der Pin (2) angetrieben wird, kontinuierlich erfasst sowie mit einem Sollwert verglichen wird und die Rotationsgeschwindigkeit der Schulter (3) reduziert wird, wenn ein Betrag des Drehmomentes, mit welchem die Schulter (3) angetrieben wird, und/oder ein Betrag des Drehmomentes, mit welchem der Pin (2) angetrieben wird, weniger als 90 %, vorzugweise weniger als 80 %, insbesondere weniger als 70 %, des Sollwertes beträgt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment, mit welchem die Schulter (3) angetrieben wird, und/oder das Drehmoment, mit welchem der Pin (2) angetrieben wird, kontinuierlich erfasst sowie mit einem Sollwert 21 verglichen wird und die Rotationsgeschwindigkeit der Schulter (3) erhöht wird, wenn ein Betrag des Drehmomentes, mit welchem die Schulter (3) angetrieben wird, und/oder ein Betrag des Drehmomentes, mit welchem der Pin (2) angetrieben wird, mehr als 110 %, vorzugweise mehr als 120 %, insbesondere mehr als 130 %, des Sollwertes beträgt.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsgeschwindigkeit des Pins (2) in einem geringeren Ausmaß als die Rotationsgeschwindigkeit der Schulter (3) geändert wird, insbesondere gar nicht.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorschubgeschwindigkeit bei gleichbleibender Rotationsgeschwindigkeit von Pin (2) und Schulter (3) erhöht wird, solange ein Betrag des Drehmomentes, mit welchem die Schulter (3) angetrieben wird, und/oder ein Betrag des Drehmomentes, mit welchem der Pin (2) angetrieben wird, um weniger als 30 %, insbesondere weniger als 20 %, vorzugsweise weniger als 10 %, von einem Sollwert abweicht.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des gemessenen Drehmomentes und/oder anhand einer gemessenen Drehmomentänderung auf einen Werkzeugverschleiß geschlossen und das Rührreibschweißwerkzeug (1) bei Überschreiten eines vordefinierten derart ermittelten Verschleißes getauscht wird.
22. Vorrichtung zur Durchführung eines Rührreibschweißverfahrens mit einem Rührreibschweißwerkzeug (1) mit einem Pin (2) und einer Schulter (3), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Pin (2) des Rührreibschweißwerkzeuges (1) relativ zur Schulter (3) um eine Rotationsachse (6) des Rührreibschweißwerkzeuges (1) rotierbar ist, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, das Rührreibschweißwerkzeug (1) mit einer Vorschubgeschwindigkeit von zumindest 1 ,0 m/min, vorzugsweise 1,5 m/min bis
15 m/min, entlang einer Vorschubrichtung (5) zu bewegen und den Pin (2) mit einer Rotationsgeschwindigkeit um die Rotationsachse (6) anzutreiben, welche zumindest dem 1,15-fachen, vorzugsweise zumindest dem 1 ,5-fachen, insbesondere dem 2-fachen bis 12-fachen, der Rotationsgeschwindigkeit der Schulter (3) um die Rotationsachse (6) entspricht. 22
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass Pin (2) und Schulter (3) über ein Getriebe, insbesondere ein Planetengetriebe, verbunden sind.
24. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, Pin (2) und Schulter (3) des Rührreibschweißwerkzeuges (1) unabhängig voneinander mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten anzutreiben.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine gesonderte Spindel für den Pin (2) und eine gesonderte Spindel für die Schulter (3) vorgesehen sind, um Pin (2) und Schulter (3) unabhängig voneinander anzutreiben.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Sensoren vorgesehen sind, mit welchen ein Drehmoment, mit welchem die Schulter (3) angetrieben wird, und/oder ein Drehmoment, mit welchem der Pin (2) angetrieben wird, erfassbar sind.
27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Regelung der Rotationsgeschwindigkeit der Schulter (3) und/oder zur Regelung der Rotationsgeschwindigkeit des Pins (2) in Abhängigkeit der gemessenen Drehmomente eingerichtet ist.
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