-
Die
Erfindung betrifft eine Rotationsreibschweißanlage nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
-
Bei
der Fertigung von Gasturbinen ist das Reibschweißen ein weitverbreitetes Fügeverfahren. Das
Reibschweißen
gehört
zu den sogenannten Pressschweißverfahren,
wobei man beim Reibschweißen
das sogenannte lineare Reibschweißen vom Rotationsreibschweißen und
dem sogenannten Rührreibschweißen unterscheidet.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft das sogenannte Rotationsreibschweißen, bei
welchem rotationssymmetrische Bauteile durch äußere Reibung miteinander verschweißt werden.
Beim Rotationsreibschweißen
rotiert ein erstes Bauteil, wohingegen das andere Bauteil stillsteht
und mit einer bestimmten Kraft gegen das rotierende Bauteil gedrückt wird.
Die hierbei aufgebrachte Kraft bezeichnet man auch als Reibkraft. Hierbei
passen sich Fügeflächen der
miteinander zu verbindenden Bauteile durch Teigigwerden aneinander
an. Durch Reibung wird die in Schwungscheiben steckende Energie
verbraucht, das drehende Bauteil wird abgebremst und eine erhöhte Kraft,
die sogenannte Stauchkraft, wird angelegt, um die beiden Bauteile
im Bereich der Schweißnaht
zu verdichten.
-
Das
Rotationsreibschweißen
wird auf sogenannten Rotationsreibschweißanlagen durchgeführt, wobei
nach dem Stand der Technik das rotierende Bauteil auf einer drehenden
Spindel und das stillstehende Bauteil auf einer nicht-drehenden
Spindel gelagert ist. Beim Rotationsreibschweißen ist es von Bedeutung, einerseits
die beiden miteinander zu verschweißenden Bauteile exakt zueinander
zu positionieren und andererseits die Stauchkraft im benötigten Umfang
exakt bereitzustellen. Hierzu verfügen Rotationsreibschweißanlagen
einerseits über
eine Positioniereinrichtung, um das auf der nicht-drehenden Spindel
gelagerte Bauteil relativ zu dem auf der drehenden Spindel gelagerten
Bauteil auszurichten, und andererseits über eine Stauchkrafteinrichtung, um
die benötigte
Stauchkraft bereitzustellen.
-
Nach
dem Stand der Technik erfolgt die Ausrichtung der statischen Seite
und der rotierenden Seite einer Rotationsreibschweißanlage
durch Keile. Die Ausrichtung mithilfe von Keilen kann nur mit großem Aufwand
durchgeführt
werden und ermöglicht
keine Ausrichtung der miteinander zu verschweißenden Bauteile während des
Schweißvorgangs.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Rotationsreibschweißanlagen
ist demnach eine Justage der miteinander zu verschweißenden Bauteile
nur sehr eingeschränkt
möglich.
Die für
das Rotationsreibschweißen
benötigte
Stauchkraft wird bei Rotationsreibschweißanlagen nach dem Stand der
Technik hydraulisch erzeugt. Eine hydraulische Stauchkrafteinrichtung
verfügt über den
Nachteil, dass keine exakte Steuerung der bereitgestellten Stauchkraft
möglich ist.
Deshalb muss nach dem Stand der Technik für jede Stauchkraftklasse eine
eigne Rotationsreibschweißanlage
gebaut werden.
-
Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde,
ein neuartige Rotationsreibschweißanlage zu schaffen.
-
Dieses
Problem wird dadurch gelöst,
dass die eingangs genannte Rotationsreibschweißanlage durch die Merkmale
des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist.
Erfindungsgemäß sind die
Positioniereinrichtung und die Stauchkrafteinrichtung vorzugsweise über eine
Parallelkinematik derart miteinander gekoppelt, dass das auf der zweiten,
nicht-drehenden Spindel gelagerte Bauteil dreidimensional im Raum
relativ zu dem auf der ersten, drehenden Spindel gelagerten Bauteil
vor und/oder während
des Rotationsreibschweißens ausrichtbar
ist. Mit der erfindungsgemäßen Rotationsreibschweißanlage
kann vor und während
des Rotationsreibschweißens
eine dynamische Ausrichtung der beiden miteinander zu verbindenden
Bauteile durchgeführt
werden. Hierdurch lässt
sich die Qualität
der Schweißverbindung
deutlich verbessern. Die Stauchkrafteinrichtung kann dabei in die
Parallelkinematik integriert sein oder auch als separate Baugruppe
ausgeführt
sein.
-
Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung überwacht eine Messeinrichtung
die Ausrichtung des auf der nicht-drehenden Spindel gelagerten Bauteils
relativ zu dem auf der drehenden Spindel gelagerten Bauteil, wobei
abhängig
von einem von der Messeinrichtung gelieferten Messsignal die Ausrichtung
des auf der nicht-drehenden Spindel gelagerten Bauteils relativ
zu dem auf der drehenden Spindel gelagerten Bauteil vor und während des
Rotationsreibschweißens
steuerbar bzw. regelbar ist.
-
Vorzugsweise
ist die Stauchkrafteinrichtung zur Bereitstellung der für das Rotationsreibschweißen benötigten Stauchkraft
als lagegeregelter und/oder kraftgeregelter piezoelektrischer Antrieb ausgebildet,
oder als Kombination eines hydraulischen Antriebs mit einer piezoelektrischen
Feinregulierung. Durch die Verwendung einer piezoelektrischen Stauchkrafteinrichtung
kann die benötigte Stauchkraft
gegenüber
den aus dem Stand der Technik bekannten, rein hydraulischen Stauchkrafteinrichtungen
in einem größeren Bereich
sowie genauer bereitgestellt werden. Daher ist es möglich, eine
Rotationsreibschweißanlage
zu schaffen, die für
mehrere Stauchkraftklassen geeignet ist.
-
Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung
werden, ohne hierauf beschränkt
zu sein, an Hand der Zeichnung näher
erläutert.
Dabei zeigt:
-
1 eine
schematisierte Darstellung einer Rotationsreibschweißanlage
nach dem Stand der Technik;
-
2 eine
Rotationsreibschweißnaht
zwischen zwei miteinander verbundenen Bauteilen; und
-
3 ein
schematisiertes Detail aus einer erfindungsgemäßen Rotationsreibschweißanlage.
-
1 zeigt
eine Rotationsreibschweißanlage 10 zum
Fügen zweier
Bauteile 11 und 12 nach dem Stand der Technik,
wobei sich zwischen den Bauteilen 11 und 12 beim
Rotationsreibschweißen die
in 2 vergrößert dargestellte
Schweißnaht 13 ausbildet.
Die in 1 dargestellte Rotationsreibschweißanlage 10 nach
dem Stand der Technik verfügt über eine
erste, drehende Spindel 14 und eine zweite, nicht-drehende
Spindel 15. Auf der ersten, drehenden Spindel 14 ist
das Bauteil 11 und auf der zweiten, nicht-drehenden Spindel
das Bauteil 12 der miteinander zu verbindenden Bauteile 11 und 12 angeordnet
bzw. gelagert. Hierzu sind den Spindeln 14 und 15 jeweils
Spanneinrichtungen 16 und 17 zugeordnet. Mithilfe
der Spanneinrichtungen 16 und 17 sind die miteinander
zu verbindenden Bauteile 11 und 12 auf der jeweiligen
Spindel 14 bzw. 15 befestigbar. Der ersten, drehenden
Spindel ist ein Schwungmassenkörper 23 zugeordnet.
-
Um
nun die beiden Bauteile 11 und 12 mithilfe des
Rotationsreibschweißens
miteinander zu verbinden, wird das auf der ersten, drehenden Spindel 14 gelagerte
Bauteil 11 im Sinne des Pfeils 18 drehend bewegt,
wobei das auf der zweiten, nicht-drehenden Spindel 15 gelagerte
Bauteil 12 im Sinne des Pfeils 19 mit einer sogenannten
Reibkraft gegen das Bauteil 11 gedrückt wird. Die Relativrotation
zwischen den Bauteilen 11 und 12 sowie die Reibkraft erzeugen
eine Reibung und damit Erwärmung
der beiden Bauteile 11 und 12 an Schweißflächen derselben.
Es bildet sich eine Schweißwulst 20 aus.
Hierbei erfolgt an den Schweißflächen ein
Teigigwerden des Werkstoffs der Bauteile 11 und 12.
Die im Schwungmassenkörper 23 gespeicherte
Energie wird durch Reibung verbraucht. Hierdurch wird die erste,
sich drehende Spindel 14 und damit das derselben zugeordnete
Bauteil 11 abgebremst, wobei gleichzeitig das Bauteil 12 mit
einer erhöhten
Kraft, einer sogenannten Stauchkraft, auf das Bauteil 11 gedrückt wird.
Ein in Folge der Erwärmung
hocherwärmter
Bereich 22 zwischen den Bauteilen 11 und 12 kühlt hierbei
ab und es bildet sich letztendlich die Schweißnaht 13 aus.
-
Bei
der in 1 dargestellten Rotationsreibschweißanlage 10 nach
dem Stand der Technik erfolgt die mechanische Ausrichtung der beiden
miteinander zu verschweißenden
Bauteile 11 und 12 und damit die Ausrichtung der
rotierenden Seite bezüglich
der nicht-rotierenden Seite der Rotationsreibschweißanlage 10 durch
Keile 24, die der nicht-drehenden Spindel 15 zugeordnet
sind. Die Verwendung solcher Keile 24 zur Ausrichtung bzw.
Justage der miteinander zu verbindenden Bauteile erfordert einen großen Aufwand
und ist nur vor dem Rotationsreibschweißvorgang möglich.
-
3 zeigt
einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Rotationsreibschweißanlage,
wobei in 3 die rotierende Seite der Rotationsreibschweißanlage
von der nicht-rotierenden
Seite derselben durch eine strichpunktierte, vertikal verlaufende
Linie zur Verdeutlichung voneinander getrennt sind. So sind in 3 das
der rotierenden Spindel 14 zugeordnete Bauteil 11 sowie
das der nicht-rotierenden Spindel 15 zugeordnete Bauteil 12 im
Querschnitt gezeigt, wobei die beiden Bauteile 11 und 12 an
der jeweiligen Spindel 14 bzw. 15 über die
Spanneinrichtungen 16 bzw. 17 befestigt bzw. gelagert sind.
-
Der
nicht-rotierenden Seite der Rotationsreibschweißanlage gemäß 3 ist eine
Positioniereinrichtung 25 zugeordnet, um das auf der nicht-drehenden
Spindel gelagerte Bauteil 12 relativ zu dem auf der drehenden
Spindel 14 gelagerten Bauteil 11 auszurichten.
Weiterhin ist der nicht-drehenden Seite der Rotationsreibschweißanlage
gemäß 3 eine Stauchkrafteinrichtung 26 zugeordnet,
um die für
das Rotationsreibschweißen
erforderliche Stauchkraft zu erzeugen. Im Sinne der hier vorliegenden
Erfindung sind nun die Positioniereinrichtung 25 sowie
die Stauchkrafteinrichtung 26 über ein Parallelkinematik 27 miteinander
gekoppelt. Mithilfe der Parallelkinematik 27 ist das auf
der nicht-drehenden Spindel 15 gelagerte Bauteil 12 dreidimensional
im Raum relativ zu dem auf der ersten Spindel 14 gelagerten
Bauteil 11 ausrichtbar. Die miteinander zu verbindenden Bauteile 11 und 12 können daher
exakt aufeinander ausgerichtet werden, und zwar derart, dass die
miteinander zu verschweißenden,
sich gegenüberliegenden
Stirnflächen
den beiden Bauteile 11 und 12 einerseits parallel
zueinander ausgerichtet sind und andererseits in dieser parallelen
Ausrichtung ein axialer Versatz der Bauteile 11 und 12 vermieden
wird. Die Parallelkinematik 27 erlaubt hierzu eine fünfachsige
oder auch sechsachsige Bewegung des auf der zweiten, nicht-drehenden
Spindel 15 gelagerten Bauteils 12. Die Parallelkinematik 27 ist
vorzugsweise als Hexapod ausgebildet, wobei Streben 28 des
Hexapods 27 längenveränderlich
ausgebildet sind. Im Sinne der Pfeile 29 kann jede längenveränderliche
Strebe 28 des Hexapods 27 für sich unabhängig von
den anderen Streben 28 verstellt werden. Hierdurch wird die
5- bzw. 6-Achsen-Bewegung des Bauteils 12 relativ zum Bauteil 11 ermöglicht.
Die Stauchkrafteinrichtung 26 kann dabei in die Parallelkinematik 27 integriert
sein, sodass die Parallelkinematik die benötigte Stauchkraft bereitstellt.
-
Mithilfe
der oben beschriebenen Parallelkinematik ist eine exakte Ausrichtung
der beiden miteinander zu verschweißenden Bauteil 11 und 12 vor und
während
des Rotationsreibschweißens
möglich. Die
erfindungsgemäße Rotationsreibschweißanlage ermöglicht demnach
eine dynamische Justierung der beiden miteinander zu verbindenden
Bauteile 11 und 12. Zur dynamischen Justierung
während
des Rotationsreibschweißens
ist eine Messeinrichtung 30 vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel
der 3 ist die Messeinrichtung 30 als Laserquelle
ausgebildet, die im Zentrum der rotatorischen Achse der Spindel 14 bzw.
der Spanneinrichtung 16 angeordnet ist, wobei ein Auftreffpunkt 32 eines
von der Laserquelle 30 emittierten Laserstrahls 31 auf
dem nicht-drehenden Bauteil 12 überwacht wird. Ein hiervon
abhängiges Messsignal
wird dann zur Regelung der Ausrichtung der miteinander zu verbindenden
Bauteile 11 und 12 verwendet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
ist die Laserquelle 30 der rotierenden Seite der Rotationsreibschweißanlage
zugeordnet. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Laserquelle 30 auch der
nicht-rotierenden Seite zugeordnet sein kann, wobei dann in diesem
Fall ein Auftreffpunkt des Laserstrahls der Laserquelle auf dem
rotierenden Bauteil 11 überwacht
und ausgewertet wird.
-
Mithilfe
der Parallelkinematik zur Verbindung der Positioniereinrichtung 25 und
der Stauchkrafteinrichtung 26 ist eine Ausrichtung der
beiden miteinander zu verbindenden Bauteile 11 und 12 vor
und während
des Rotationsreibschweißens
möglich,
sodass deren Mittelachsen während
des gesamten Rotationsreibschweißvorgangs exakt zueinander
fluchten. Es ist demnach eine dynamische Nachjustage während des
Rotationsreibschweißens
möglich.
Die einzelnen Streben 28 der als Hexapod ausgebildeten Parallelkinematik 27 sind
gegeneinander verschränkt und
können
das gesamte beim Rotationsreibschweißen wirkende Drehmoment sicher
aufnehmen. Da die Streben 28 bevorzugt über Festkörpergelenke 21 gelagert
sind, ist die gesamte Anordnung sehr steif.
-
Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung der hier vorliegenden Erfindung
ist die Stauchkrafteinrichtung 26 zur Bereitstellung der
benötigten
Stauchkraft sowie des benötigten
Stauchwegs als piezoelektrischer Antrieb ausgebildet. Der piezoelektrische Antrieb
kann lagegeregelt und/oder kraftgeregelt sein. Zur Lageregelung
des piezoelektrischen Antriebs kann das Messsignal der bereits oben
beschriebenen Messeinrichtung 30 verwendet werden. Soll
darüber
hinaus eine Kraftregelung des piezoelektrischen Antriebs ermöglicht werden,
so liegt es im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, dem piezoelektrischen
Antrieb eine Kraftmessdose zuzuordnen, mit welcher die beim Rotationsreibschweißen aufgebrachte
Stauchkraft online erfasst und ausgewertet werden kann. Das von
der Kraftmessdose bereitgestellte Messsignal kann dann zur Kraftregelung
der piezoelektrisch ausgebildeten Stauchkrafteinrichtung verwendet
werden. Mit Piezoantrieben können Stauchkräfte von
einigen tausend kN geregelt bereitgestellt werden. Des weiteren
kann der Stauchweg sehr genau vorgegeben werden. Gegenüber den
aus dem Stand der Technik bekannten, hydraulischen Stauchkrafteinrichtungen
ist demnach eine gezieltere Einbringung der Stauchkraft möglich.
-
Im
Sinne der Erfindung ist es auch möglich, die Stauchkrafteinrichtung 26 als
eine Kombination aus einem hydraulischen oder mechanischen Antrieb und
einem piezoelektrischen Antrieb auszuführen. Dabei dient dann der
hydraulische oder mechanische Antrieb der Grobpositionierung und
der piezoelektrische Antrieb der schnellen Feinpositionierung. Sollten
die Positionieranforderungen an die Stauchkrafteinrichtung 26 gering
sein, so kann auch ein reiner hydraulischer Antrieb oder eine Kugelumlaufspindel zur
Lageregelung und Stauchkrafterzeugung verwendet werden.
-
- 10
- Rotationsrebschweißanlage
- 11
- Bauteil
- 12
- Bauteil
- 13
- Schweißnaht
- 14
- Spindel
- 15
- Spindel
- 16
- Spanneinrichtung
- 17
- Spanneinrichtung
- 18
- Pfeil
- 19
- Pfeil
- 20
- Schweißwulst
- 21
- Festkörpergelenk
- 22
- Bereich
- 23
- Schwungmassenkörper
- 24
- Keil
- 25
- Positioniereinrichtung
- 26
- Stauchkrafteinrichtung
- 27
- Parallelkinematik
- 28
- Strebe
- 29
- Pfeil
- 30
- Messeinrichtung
- 31
- Laserstrahl
- 32
- Auftreffpunkt