DE102008019062B4

DE102008019062B4 - Gegenstand mit einer verschweißten Naht, Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes sowie ein Reibrührwerkzeug und eine Vorrichtung zum Reibrühren

Info

Publication number: DE102008019062B4
Application number: DE102008019062.4A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Silvanus
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2008-04-15
Filing date: 2008-04-15
Publication date: 2017-07-27
Anticipated expiration: 2028-04-16
Also published as: WO2009127981A2; DE102008019062A1; WO2009127981A3

Abstract

Gegenstand (19) aus zumindest einem faserverstärkten Werkstoff mit einer verschweißten Naht (18), wobei eine Faser (4) in der Naht (18) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Faser (4) nahezu über die gesamte Länge der Naht erstreckt und in der Naht eine schraubenförmige Gestalt aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gegenstand mit einer verschweißten Naht, ein Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes, insbesondere mit einem Reibrührverfahren, sowie ein Reibrührwerkzeug und eine Vorrichtung zum Reibrühren.
In der Luft- und Raumfahrttechnik, der Schienenverkehrstechnik sowie im Automobilbau werden komplizierte sowie große Teile benötigt, die herkömmlich aus mehreren miteinander verbundenen Komponente hergestellt werden. Das Verbinden von Teilen aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen, beispielsweise durch Schweißtechniken, ist mit neuen Herausforderungen verbunden, da die Teile aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien bestehen, dem Matrixwerkstoff und darin eingebetteten Fasern.
Faserverstärkte Verbundwerkstoffe wie beispielsweise faserverstärkte Kunststoffe sowie faserverstärkte Metalle und Legierungen weisen eine höhere Festigkeit als das Matrixmaterial alleine auf, sowie ein geringeres Gewicht als herkömmliche metallische Strukturen. Folglich werden sie zunehmend in der Luft- und Raumfahrttechnik, der Schienenverkehrstechnik sowie im Automobilbau eingesetzt.
Die DE 199 55 737 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden von zwei aneinander liegenden Werkstücken nach der Methode des Reibrührschweißens. Weitere Vorrichtungen und Verfahren zum Reibrührschweißen sind in US 6 543 671 B2 oder EP 1 872 893 A1 beschrieben.
Die WO 2003/092 986 A1 beschreibt ein Verfahren zum Erhöhen der Festigkeit von partikelverstärkten Polymer-Vibrationsschweißverbindungen.
Die US 3 900 360 A beschreibt eine Struktur zum Fügen inkompatibler Gegenstände.
Die JP 63-053 013 A beschreibt ein Verfahren zum elektrischen Erhitzen und Verbinden.
Die JP 2001-310 539 A beschreibt ein Nylongewebe mit einer Schweißnaht, wobei in der Umgebung der Schweißnaht oder um die Schweißnaht herum zusätzlich eine genähte Naht vorgesehen ist. Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes bereitzustellen, das geeignet ist, faserverstärkte Materialien zuverlässig miteinander zu verbinden, sowie einen Gegenstand aus zumindest zwei miteinander verbundenen faserverstärkten Materialien zu schaffen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein Werkzeug sowie eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen dieses Verfahren durchgeführt werden kann.
Gelöst wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche 1, 5, 11, 24, 27 und 29. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Gegenstand aus zumindest einem faserverstärkten Werkstoff mit einer verschweißten Naht bereitgestellt, wobei zumindest eine Faser in der Naht angeordnet ist.
Beim Verschweißen von faserverstärkten Materialien nach herkömmlichen Verfahren wird nur das Matrixmaterial verschweißt und geschmolzen. Die Fasern bleiben fest und ungeschmolzen. Dies führt zu einer Naht, die nur aus dem Schweißgut besteht. Die Naht weist somit keine verstärkenden Fasern und folglich eine geringere Festigkeit als der Grundkörper der verbundenen Teile auf. Folglich können sich bei mechanischer Belastung des Gegenstands Risse in der Naht bilden bzw. ausbreiten, die zum Bruch der Naht und zum Bruch des Gegenstands führen können. Dies wird mit dem erfindungsgemäßen Gegenstand vermieden, da die Naht zumindest eine Faser aufweist, die die Naht selbst verstärkt.
Erfindungsgemäß erstreckt sich die Faser nahezu über die gesamte Länge der Naht. Dies hat den Vorteil, dass die Naht durch die Faser homogen verstärkt wird, so dass die Zuverlässigkeit der Verbindung erhöht wird.
Weiterhin weist die Faser eine schrauben- bzw. eine spiralförmige Gestalt, insbesondere eine Helixform, auf. Diese Form hat den Vorteil, dass die Breite sowie die Länge der Naht durch die Faser verstärkt werden. Die Steigung sowie der Durchmesser der Helix (d. h. der Schraube bzw. Spirale) können über die gesamte Länge ungefähr gleich sein, oder variieren.
In einem Ausführungsbeispiel sind mehrere Fasern in der Naht angeordnet. Diese Fasern können miteinander verwickelt oder nebeneinander angeordnet sein. Der Anteil an Fasern kann in dieser Weise in der Naht erhöht werden, um die Festigkeit der Naht weiter zu erhöhen. Vorteilhaft ist es, wenn die Festigkeit der Naht ungefähr der Festigkeit der nicht verschweißten Teile entspricht, so dass die Festigkeit des Gegenstands räumlich gleich ist.
Die in die Naht eingebrachten Fasern können Endlosfasern sein, aber auch Kurz- oder Langfasern.
Der Gegenstand nach einem dieser Ausführungsbeispiele kann eine Komponente eines Luftfahrzeuges oder eines Kraftfahrzeugs sein. Insbesondere bei Flugzeugen sowie Kraftfahrzeugen können Risse durch Dauerbelastung der Komponenten verursacht werden. Dies ist selbstverständlich aus Sicherheitsgründen zu vermeiden.
Die Erfindung gibt auch ein Verfahren zum Reibrühren an, das verwendet werden kann, den Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele herzustellen.
Beim Reibrühren (Friction Stir Processing) sowie beim Reibrührschweißen (Friction Stir Welding, FSW) werden bekanntlich zwei miteinander zu verschweißende Werkstücke in Kontakt gebracht und in dieser Position gehalten. In den Verbindungsbereich der Werkstücke wird unter drehender Bewegung ein Schweißstift bzw. ein stiftförmiger Vorsprung eines entsprechenden Werkzeuges eingeführt, bis eine oberhalb des Schweißstiftes an dem Werkzeug angeordnete Schulter auf der Oberfläche der Werkstücke aufliegt. Dabei wird durch die Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstücken Reibungswärme generiert, so dass benachbarte Werkstoffbereiche im Verbindungsbereich einen plastifizierten Zustand einnehmen. Das Werkzeug wird, während der rotierende Schweißstift in Kontakt mit dem Verbindungsbereich steht, entlang der Verbindungslinie der Werkstücke vorwärts bewegt, so dass der sich um den Schweißstift befindende Werkstoff plastifiziert und anschließend konsolidiert. Bevor das Material völlig erhärtet, wird der Schweißstift aus dem Verbindungsbereich bzw. den Werkstücken entfernt.
Teile aus faserverstärkten Materialien, wie zum Beispiel Metallverbundmaterialien (sogenannte MCCs) oder geeignete Kunststoffmaterialien können auf diese Weise als Stumpfstoß-, Überlappstoß- oder T-Stoß-Verbindung miteinander verschweißt werden. Die Technik des Reibrührens findet aber auch beim Reparieren, Bearbeiten und Veredeln von Werkstücken Anwendung. Punktverbindungen können auch erzeugt werden, wobei eine Vorwärtsbewegung des rotierend mit dem Verbindungsbereich in Kontakt stehenden Schweißstiftes bzw. eine translatorische Relativbewegung zwischen rotierendem Schweißstift und Werkstücken nicht erfolgt.
Erfindungsgemäß weist das Verfahren die folgenden Schritte auf. Ein rotierend angetriebener stiftförmiger Vorsprung wird in einen Werkstückbereich oder in einen Verbindungsbereich von zumindest zwei aneinanderliegenden Werkstücken unter rotierender Bewegung eingeführt. Der Werkstückbereich oder der Verbindungsbereich wird in wenigstens einem Kontaktbereich zwischen dem rotierenden Vorsprung und dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich plastifiziert und eine Faser wird in den plastifizierten Bereich eingeführt.
Die eingeführte Faser kann eine endlose Faser sein, die vorzugsweise kontinuierlich zugeführt wird. Es können aber auch Kurz- oder Langfasern eingeführt werden. Um das Zuführen von Kurz- bzw. Langfasern zu vereinfachen, können diese in einen Zusatzwerkstoff eingebettet sein (faserverstärkter Zusatzwerkstoff), der in den plastifizierten Bereich eingebracht wird.
Der plastifizierte Bereich ist flüssig, so dass eine Faser in diesen flüssigen Bereich eingeführt werden kann. Dieser plastifizierte Bereich weist zirkulierende Ströme auf, die durch die Rotation des Vorsprungs verursacht werden. Eine endlose, feste Faser wird von diesem zirkulierenden Schweißgut erfasst und strömungsbedingt bzw. strömungsabhängig im Schweißgut positioniert. Folglich wird nach der Wiedererstarrung des plastifizierten Bereichs die endlose Faser mit einer strömungsbedingten Form in der Naht zwischen den Werkstücken eingefroren.
Auf Grund dieser zirkulierenden Ströme wird die endlose Faser helixförmig, d. h. spiral- oder schraubenförmig, in der Naht angeordnet, wobei der Vorsprung entlang der Verbindungslinie linear geführt wird. Durch eine Kombination der linear Bewegung sowie der zirkulierenden Ströme im Schweißgut kann die Steigung der Helix eingestellt werden.
Der rotierend angetriebene stiftförmige Vorsprung ist typischerweise Teil eines Reibrührwerkzeugs, das einen rotierend antreibbaren Werkzeugkörper umfasst. An dem antriebsabgewandten Ende des Werkzeugkörpers ist eine Schulter vorgesehen, von der sich in Richtung antriebsabgewandtem Ende des Werkzeugkörpers der rotierbare, stiftförmige Vorsprung erstreckt, der einen kleineren Durchmesser als die Schulter aufweist. Die Schulter und der stiftförmige Vorsprung sind unabhängig voneinander rotierend antreibbar.
Die Schulter kann zumindest eine Durchgangsöffnung aufweisen, die sich in Richtung antriebsabgewandtem Ende des Werkzeugskörpers erstreckt. Eine Faser kann in der Durchgangsöffnung angeordnet und während des Reibrührverfahrens dem plastifizierten Bereich des Werkstücks bzw. des Verbindungsbereichs zugeführt werden.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schulter auf den Werkstückbereich oder Verbindungsbereich unter zumindest zeitweiser Druckbeaufschlagung aufgebracht, wobei, während der Vorsprung in Kontakt mit dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich steht, die Drehzahl der Schulter n = 0 aufweist.
Dieses Verfahren ist von Vorteil beim Schweißen von dicken Werkstücken, insbesondere Platten mit einer Dicke größer als 6 mm. Wesentlich ist wiederum, dass während der rotierend angetriebene stiftförmige Vorsprung in Kontakt mit dem Werkstoff- oder Verbindungsbereich steht, die Schulter keine Drehbewegung ausführt, so dass durch die Schulter keine zusätzliche Reibungswärme an der Werkstückoberfläche generiert wird. Damit wird der Wärmeeintrag durch Reibwärmegenerierung an der Oberfläche der Werkstücke deutlich reduziert, wodurch ein sogenanntes wärmearmes Fügen möglich ist. Die zusätzliche Erwärmung an der Werkstückoberfläche entfällt, so dass hier die Wärmebelastung gering ist und gleichzeitig eine homogene Wärmebelastung über die gesamte Eindringtiefe des Schweißstiftes gewährleistet ist. Gleichzeitig entfestigen die Werkstück-Legierungen weniger, weil sich die Wärmeeinflusszone weniger stark ausbildet. Ein weiterer positiver Effekt ist, dass Eigenspannungen vermindert werden, so dass das Verzugsrisiko geringer und ein auftretender Verzug besser handzuhaben ist.
Die in Richtung stiftförmigem Vorsprung weisende Oberfläche der Werkstücke wird zu gegebenem Zeitpunkt durch Einwirken der Schulter mit dem erforderlichen Druck beaufschlagt, der vorteilhafterweise im Vergleich zu üblichen Reibrührverfahren um einen Faktor 2 bis 3 reduziert ist und typischerweise zwischen 1 und 200 kN liegt. Somit kann mit verminderter Prozesskraft gearbeitet werden, was wiederum eine vereinfachte Anlagentechnik zur Folge hat. Darüber hinaus reduziert sich die prozessbedingte Veränderung der Eigenspannungszustände der geschweißten, reparierten, bearbeiteten bzw. umgewandelten Werkstücke.
Dass durch die nicht rotierende Schulter keine zusätzliche Reibung hervorgerufen wird, bewirkt zudem, dass der Prozess mit einer höheren Drehzahl bzw. Rotationsgeschwindigkeit des Schweißstiftes durchgeführt werden kann. Die Drehzahl kann im Vergleich zu üblichen Reibrührverfahren um einen Faktor 3 bis 4 erhöht werden und liegt typischerweise zwischen 200 und 5000 Umdrehungen pro Minute.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Schulter auf den Werkstückbereich oder Verbindungsbereich unter zumindest zeitweiser Druckbeaufschlagung aufgebracht, wobei, während der Vorsprung in Kontakt mit dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich steht, die Drehzahl der Schulter kleiner als die Drehzahl des Vorsprungs ist. Diese Ausführungsform ermöglicht die Form einer endlosen Faser in der Naht einzustellen, da die Form nicht nur von der Strömung des plastifizierten Bereichs, sondern auch durch die Drehzahl der Schulter bestimmt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Vorsprung in dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich linear bewegt, wobei die Faser kontinuierlich in den plastifizierten Bereich eingeführt wird. Diese Ausführungsform wird verwendet, um eine lange oder endlose Faser in eine lange Naht einzuführen.
Zum Verbinden von zwei aneinanderliegenden Werkstücken kann der Vorsprung relativ zu den aneinanderliegenden Werkstücken entlang der Verbindungslinie der aneinanderliegenden Werkstücke bewegt werden. Alternativ werden die aneinanderliegenden Werkstücke relativ zu dem Vorsprung entlang der Verbindungslinie der aneinanderliegenden Werkstücke bewegt.
Die Erfindung gibt auch ein Reibrührwerkzeug an, das einen rotierend antreibbaren Werkzeugkörper umfasst, an dessen antriebsabgewandtem Ende eine Schulter vorgesehen ist, von der sich in Richtung antriebsabgewandtem Ende des Werkzeugkörpers ein rotierbarer, stiftförmiger Vorsprung erstreckt, der einen kleineren Durchmesser als die Schulter aufweist, wobei die Schulter und der stiftförmige Vorsprung unabhängig voneinander rotierend antreibbar sind. Erfindungsgemäß weist die Schulter zumindest eine Durchgangsöffnung auf, die sich in Richtung antriebsabgewandtem Ende des Werkzeugskörpers erstreckt.
Eine Faser kann in der Durchgangsöffnung angeordnet sein und während dem Reibrührverfahren in den plastifizierten Bereich des Werkstücks bzw. den Verbindungsbereich eingeführt werden. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Durchgangsöffnung und die Position des Einführens der Faser so nah wie möglich an dem plastifizierten Bereich liegen. Dies ermöglicht ein zuverlässiges Einführen der Faser in die Naht.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weitet sich die Durchgangsöffnung in Richtung antriebsabgewandter Oberfläche der Schulter auf. Die Faser kann durch diese Durchgangsöffnung direkt oberhalb des Werkstücks in den plastifizierten Bereich eingeführt werden.
Die Durchgangsöffnung kann sich im Wesentlichen senkrecht zu einer in Richtung antriebsabgewandten Oberfläche der Schulter erstrecken. Dies hat den Vorteil, dass die Führungslänge der Faser, die in der Schulter angeordnet ist, klein ist.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Durchgangsöffnung von einer in Richtung antriebsabgewandten Oberfläche der Schulter bis zu einer in Richtung Vorsprung abgewandten Oberfläche der Schulter. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Faserquelle neben dem Werkzeugkörper angeordnet ist. Dies kann den Aufbau der Anordnung vereinfachen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Schulter derart ausgebildet, dass sie bei Rotation des stiftförmigen Vorsprungs eine Drehzahl n = 0 aufweist. Der zentrale Gedanke dabei besteht darin, ein Reibrühr-Werkzeug derart auszubilden, dass Schweißstift und Schulter voneinander entkoppelt sind, so dass bei Rotation des Schweißstiftes die Schulter eben gerade keine Drehbewegung ausführt, sondern bezüglich der zu verbindenden oder zu bearbeitenden Werkstücke im Sinne einer Rotation still bzw. fest steht. Dies schließt jedoch eine Verschiebbarkeit der Schulter in axialer Richtung des Werkzeuges nicht aus. Die Schulter definiert dabei einen Bereich des Reibrührwerkzeuges mit größerem Durchmesser als der Schweißstift und gewährleistet, dass ab einer gewissen Eindringtiefe des Schweißstiftes die Schulter auf der Werkstückoberfläche kraft- und formschlüssig aufliegt, um die erforderliche Druckkraft auf die Werkstückoberfläche aufzubringen und ein Entweichen plastifizierten Materials zu verhindern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schulter mittels einer geeigneten Lagerung von dem Werkzeugkörper bzw. von einer den stiftförmigen Vorsprung antreibenden Spindelrotation befreit und trägt so bewusst keine zusätzliche Reibungswärme zum Schweißprozess bei, ist jedoch in der Lage, die notwendige Vertikalkraft auf die zu verbindenden Werkstücke zu übertragen. Die Schulter ist bevorzugt mittels Wälzlager an dem Werkzeugkörper gelagert. Derartige Wälzlager sind beispielsweise Kugel-, Tonnen-, Nadellager oder dergleichen. Alternativ können auch hydrostatische oder hydrodynamische Gleitlager zur Lagerung der Schulter verwendet werden, um nur einige weitere Beispiele zu nennen.
Vorteilhafterweise ist die Schulter als Formteil ausgebildet, welches auf der in Richtung stiftförmigen Vorsprung weisenden Seite des Lagers angeordnet ist. Das Formteil, das zum Beispiel ein blechförmiges Element (z. B. ein Stahlblech mit einer Dicke von typischerweise 2 bis 5 mm) oder ein Gussbauteile ist, kann hierzu mit einer Bohrung zum Durchführen des stiftförmigen Vorsprungs versehen sein, und von unten (d. h. aus Richtung des stiftförmigen Vorsprungs) auf das Lager aufgeschoben werden. Dabei ist darauf zu achten, dass der Bereich zwischen Formteil und stiftförmigem Vorsprung möglichst dicht ausgebildet ist, um ein Entweichen plastifizierten Materials in axialer Richtung des Reibrühr-Werkzeuges zu verhindern.
Alternativ kann eine Anordnung mit Formteil ohne Lagerung verwendet werden.
Ferner ist es von Vorteil, dass der Randbereich des Formteils derart abgewinkelt ist, dass es das Lager zumindest teilweise umgibt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Formteil sowohl die Seitenbereiche des Lagers als auch die in Richtung Werkzeugantrieb weisende Oberfläche des Lagers zumindest teilweise umschließt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass beim Entfernen des Werkzeuges bzw. des stiftförmigen Vorsprungs aus dem Werkstück- bzw. Verbindungsbereich die Schulter nicht in axialer Richtung des Werkzeuges verrutscht bzw. verschoben wird. Gleichzeitig wird dadurch einem Anhaften der Schulter an der Oberfläche der verschweißten oder bearbeiteten Werkstücke entgegengewirkt.
Zweckmäßigerweise ist das Formteil zumindest auf seiner in Richtung Vorsprung weisenden Seite mit einem reibungsmindernden Material versehen. Hierzu kann beispielsweise das Material ”CC Aluspeed<(RTM)>” der Firma Cemecon als Beschichtung aufgebracht werden. Dadurch wird die Reibung zwischen Formteil und Werkstückoberfläche zusätzlich vermindert, was der Funktion eines Gleitschuhs entspricht.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird die Schulter durch die in Richtung Vorsprung weisende Seite eines entsprechenden am Werkzeugkörper angeordneten Lagers (z. B. Gleit- oder Wälzlager) gebildet. Dies stellt eine besonders einfache Ausgestaltung dar, da auf ein zusätzliches Element (z. B. auf das Formteil) verzichtet werden kann.
Auch bei dieser alternativen Ausführungsform ist es zweckmäßig, die in Richtung Vorsprung weisende Seite des Lagers mit einem reibungsmindernden Material der zuvor genannten Art zu beschichten, um wiederum die Reibung zwischen Schulter und Werkstückoberfläche zu reduzieren.
Zweckmäßigerweise ist der stiftförmige Vorsprung einstückig mit dem Werkzeugkörper ausgebildet, wodurch sich ein sehr einfacher Aufbau ergibt und die Anlagentechnik zum Antreiben des Werkzeuges bzw. des stiftförmigen Vorsprungs extrem einfach ist, da im Wesentlichen lediglich eine anzutreibende Spindel erforderlich ist. Dabei ist das Reibrühr-Werkzeug üblicherweise rotationssymmetrisch ausgebildet.
Durch das erfindungsgemäße Reibrühr-Werkzeug wird sichergestellt, dass das schulternahe Werkstück-Material nicht überhitzt wird. So wird beim Verschweißen von Werkstücken sichergestellt, dass der sonst zur Kaltverschweißung neigende Wurzelbereich der Schweißverbindung dank der im Vergleich zu bekannten Reibrührschweiß-Werkzeugen höher wählbaren Schweißstift-Drehzahl sicher und mit hoher Qualität verschweißt wird. Es wird eine gleichmäßige Temperaturverteilung über den gesamten Querschnitt der Werkstücke erzielt, was Vorraussetzung für eine hochqualitative Schweißverbindung ist.
Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Werkzeug in analoger Weise auch zur Reparatur, Bearbeitung und Veredelungen von Werkstücken eingesetzt werden.
Die Erfindung gibt auch eine Vorrichtung zum Reibrühren an, umfassend ein Reibrührwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele. Der Vorsprung ist in einen Werkstückbereich oder einen Verbindungsbereich von zumindest zwei zu verbindenden Werkstücken unter rotierender Bewegung einführbar, so dass bei seiner Rotation in Kontakt mit dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich der Vorsprung diesen wenigstens im Kontaktbereich plastifiziert und plastifzierter Stoff erzeugt wird. Die Vorrichtung weist ferner eine Faserquelle auf, wobei Fasern über die Durchgangsöffnung in den plastifizierten Stoff eingeführt werden können. Die Fasern können beispielsweise in Form von Endlos-, Kurz, oder Langfasern zugeführt werden.
Die Vorrichtung kann ferner Antriebsmittel aufweisen, mit denen die Vorrichtung unter rotierendem Antrieb des Vorsprungs linear geführt werden kann. Alternativ werden die Werkstücke relativ zu der Vorrichtung, insbesondere dem Vorsprung, linear bewegt.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Schulter auf den Werkstücken außerhalb des Kontaktbereichs zwischen dem Vorsprung und dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich aufgebracht werden. Die Schulter kann somit senkrecht zu den Werkstücken angetrieben werden, und so eine Druckbeaufschlagung auf das Werkstück bewirken.
Das Reibrührwerkzeug sowie die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele kann zum Verschweißen faserverstärkter Kunststoffe, faserverstärkter Metalle oder faserverstärkter Legierungen, bzw. zum Verschweißen von zwei aneinanderliegenden Werkstücken aus faserverstärktem Kunststoff, faserverstärktem Metall oder einer faserverstärkten Legierung verwendet werden.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt einen Querschnitt einer Vorrichtung zum Reibrühren eines faserverstärkten Materials mit einem Reibrührwerkzeug und einer Faserquelle,
2 eine Draufsicht der Vorrichtung gemäß 1, und
3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Komponente aus zwei Werkstücken, die mit der Vorrichtung gemäß 1 miteinander verschweißt werden.
1 zeigt einen Querschnitt einer Vorrichtung 1 zum Reibrühren. Die Vorrichtung 1 weist ein Reibrührwerkzeug 2, eine Faserquelle 3, beispielsweise eine Spule mit einer endlosen Faser 4, sowie einen nicht gezeigten Antrieb auf. 1 zeigt auch die Verwendung der Vorrichtung 1 zum Verbinden von Werkstücken, die in diesem Ausführungsbeispiel zwei faserverstärkte Fügeteile 5, 6 sind.
Die faserverstärkten Fügeteile 5, 6 weisen einen Matrixwerkstoff aus Thermoplast auf, beispielsweise Polypropylen, in dem endlose Fasern, beispielsweise Kohlenstofffasern, angeordnet sind. Die Fügeteile 5, 6 sind in 1 in Stumpfstoßverbindung aneinanderliegend angeordnet. Selbstverständlich können die Fügeteile 5, 6 auch überlappend oder in T-Stoß-Verbindung miteinander verschweißt werden, was nachfolgend zwar nicht in Einzelheiten beschrieben wird, sich aber sinngemäß aus der nachfolgenden Beschreibung erschließt, so dass die Erfindung nicht auf die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist.
Das Reibrühr-Werkzeug 2 ist drehsymmetrisch ausgebildet und umfasst einen Werkzeugkörper 7, der am oberen, d. h. am antriebszugewandten Ende, typischerweise in Form eines Lagerschaftes ausgebildet ist, um in einer Werkzeugaufnahme einer in 1 nicht dargestellten Antriebseinrichtung (z. B. Drehmotor) aufgenommen zu werden. Am antriebsabgewandten Ende des Werkzeugkörpers 7 ist eine Schulter 8 vorgesehen, von der sich in Richtung antriebsabgewandtem Ende des Werkzeugkörpers 7 ein rotierbarer, stiftförmiger Vorsprung 9 bzw. Schweißstift 9 erstreckt. Der stiftförmige Vorsprung 9 weist einen kleineren Durchmesser als die Schulter 8 auf.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform ist der stiftförmige Vorsprung 9 einstückig mit dem Werkzeugkörper 7 ausgebildet, was eine besonders einfache Anordnung darstellt, da lediglich ein Antriebsmechanismus zur Rotation des Werkzeugkörpers 7 und damit des stiftförmigen Vorsprungs 9 erforderlich ist. Die Drehachse des Reibrührschweiß-Werkzeuges 1 ist in 1 durch die strichpunktierte Linie dargestellt.
Alternativ kann der Werkzeugkörper 7 einen Mechanismus (nicht dargestellt) zur Aufnahme des Schweißstiftes 9 aufweisen, so dass ein Auswechseln oder Verschieben des Schweißstiftes 9 entlang der Drehachse (d. h. in axialer Richtung) leicht möglich ist.
Unabhängig davon, ob der stiftförmige Vorsprung 9 einstückig mit dem Werkzeugkörper 7 oder austauschbar ausgebildet ist, ist die Schulter 8 vorzugsweise mittels Wälzlager 10 an dem Werkzeugkörper 7 angeordnet. Derartige Wälzlager 10 können beispielsweise Kugel-, Tonnen- oder Nadellager sein. Durch die Lagerung der Schulter 8 mit den Wälzlagern wird gewährleistet, dass die Schulter 8 und der Schweißstift 9 bzw. der Werkzeugkörper 7 unabhängig voneinander antreibbar sind. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel führt bei Rotation des Schweißstiftes 9 bzw. des Werkzeugkörpers 7 die Schulter 8 keine Rotationsbewegung aus und weist damit eine Drehzahl n = 0 auf. Auf diese Weise wird die Schulter 8 von der des Schweißstifts 9 antreibenden Rotation befreit bzw. entkoppelt.
Anstelle der Lagerung mittels Wälzlager können auch hydrostatische oder hydrodynamische Gleitlager verwendet werden. Die Funktion der Lagerung ist jedoch dieselbe. Alternative kann auch auf eine Lagerung verzichtet werden.
In 1 ist die Schulter 8 als Formteil ausgebildet. Derartige Formteile können blechförmige Elemente (z. B. Stahlbleche), Gussteile oder dergleichen sein, die vorteilhafterweise auf ihrer in Richtung Schweißstift 9 weisenden Seite mit einer reibungsmindernden Beschichtung versehen sind, um die Reibung zwischen der Schulter 8 und der Oberfläche der Werkstücke 5, 6 zusätzlich zu vermindern. Hierzu kann beispielsweise das Material CC Aluspeed<(RTM)> der Firma Cemecon verwendet werden. Der Randbereich des Formteils kann in axialer Richtung des Reibrühr-Werkzeuges 2 weisend abgewinkelt sein und an den Seitenbereichen der unteren Lagerschale anliegen. Um ein Anhaften der Schulter 8 an den verschweißten faserverstärkten Fügeteilen 5, 6 bzw. ein Verschieben der Schulter 8 in axialer Richtung zu vermeiden, kann das Formteil das Wälzlager 10 auch bis zu dessen in Richtung antriebszugewandtem Ende weisenden Seite umgeben.
Bei der Ausgestaltung des Formteils ist darauf zu achten, dass eine gute Abdichtung zwischen Schulter 8 und Schweißstift 9 gewährleistet ist, so dass plastifizierter Werkstoff nicht in axialer Richtung, d. h. in Richtung antriebszugewandtem Ende des Werkzeugkörpers 7, entweichen kann. Dies kann beispielweise durch eine im Formteil angeordnete Bohrung erzielt werden, die an den Durchmesser des Schweißstiftes 9 angepasst ist. Das Formteil kann zum Beispiel von unten über den Schweißstift 9 auf das Lager 10 aufgeschoben werden.
Die Schulter 8 weist ferner eine Durchgangsöffnung 11 auf, die sich in Richtung antriebsabgewandtem Ende des Werkzeugkörpers 7 erstreckt, und die in diesem Ausführungsbeispiel ungefähr senkrecht zu der antriebsabgewandten Oberfläche der Schulter 8 angeordnet ist. Die Durchgangsöffnung 11 ist in der Schulter 8 neben dem Schweißstift 9 angeordnet (siehe auch 2). Die Endlosfaser 4 wird von der Faserquelle 3 durch die Durchgangsöffnung 11 zugeführt, so dass das Ende der Faser 4 unterhalb dem antriebsabgewandten Ende des Werkzeugkörpers 7 angeordnet ist.
Zum Verschweißen der aneinanderliegenden faserverstärkten Fügeteile 5, 6 wird der stiftförmige Vorsprung 9 bekanntlich unter drehender Bewegung in den Verbindungsbereich 12 der Fügeteile 5, 6 eingeführt und entlang der Verbindungslinie 13 der Fügeteile 5, 6 vorwärts bewegt. Diese Vorwärtsbewegung ist mit dem Pfeil 14 in der 2 dargestellt. Die Rotation des Vorsprungs 9 ist mit dem Pfeil 15 in den 1 und 2 gezeigt.
Die drehende Bewegung des Schweißstifts 9 auf der Oberfläche der faserverstärkten Fügeteile 5, 6 generiert Reibungswärme auf Grund der Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstücken. Diese Reibungswärme führt zu einer Plastifizierung der benachbarten Platten im Kontaktbereich, so dass der rotierende Schweißstift 9 in den Verbindungsbereich eingeführt werden kann. Der plastifizierte Stoff 17 entsteht an der Verbindungslinie und strömt zirkulierend um den Schweißstift 9 herum. Dies ist mit den Pfeilen 16 in der 1 dargestellt. Die Ströme fließen in horizontalen Kreisen sowie in vertikalen Kreisen. Die Faser 4 ist in diesen plastifizierten Stoff 17 eingeführt, wobei die Faser 4 mittels der durch den Schweißstift 9 angeregte Materialströmung des Matrixwerkstoffs der Fügeteile 5, 6 von dem zirkulierenden Schweißgut erfasst und strömungsbedingt bzw. strömungsabhängig im Schweißgut positioniert wird.
Der Schweißstift 9 wird, während der rotierende Schweißstift 9 in Kontakt mit dem Verbindungsbereich 12 steht, linear entlang der Verbindungslinie 13 zwischen den zwei Platten 5, 6 bewegt. Der Verbindungsbereich 12 wird in Vorwärtsrichtung plastifiziert und die endlose Faser 4 kontinuierlich dem plastifizierten Bereich 17 zugeführt. In Rückwärtsrichtung erstarrt der Verbindungsbereich 12 wieder, so dass die Faser 4 in der verschweißten Naht 18 eingefroren wird. Folglich wird eine Komponente aus faserverstärkten Werkstoff bereitgestellt, in der die Naht 18 sowie die Werkstücke 5, 6 faserverstärkt sind. Auf Grund der strömungsbedingten bzw. strömungsabhängigen Positionierung der Faser 4 im Schweißgut kann eine Naht 18 bereitgestellt werden, in der die Faser 4 in der Naht 18 eine Helixform aufweist. Dies ist in der 3 dargestellt.
Der Gegenstand 19 weist somit zwei faserverstärkte Fügeteile 5, 6 auf, die über eine verschweißte Naht 18 miteinander verbunden sind. Eine endlose Faser 4 mit einer Helixform ist in der Naht 18 angeordnet und erstreckt sich entlang der Längsrichtung der Naht 18. Der Gegenstand 19 weist eine faserverstärkte Naht 18 sowie faserverstärkte Fügeteile 5, 6 auf und kann als Komponente für ein Luftfahrzeug oder ein Kraftfahrzeugs verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht ein Festkörperverschweißen von endlosfaserverstärkten Metallen sowie Kunststoffen vor, bei dem gleichzeitig eine gezielte Faserpositionierung im Schweißgut erreicht wird. Dies hat den Vorteil, dass nicht nur die Matrixwerkstoffe miteinander verschweißt werden. Beim herkömmlichen Reibrührschweißen endlosfaserverstärkter Materialien können die Fasern im Kontaktbereich zwischen dem Schweißstift 9 und den Fügeteilen 5, 6 durchtrennt werden, so dass die Festigkeit der Verbindung nur aus dem organischen oder metallischen Matrixwerkstoff stammt. Diese Festigkeit ist deutlich geringer als diejenige des faserverstärkten Materials. Dies wird durch die erfindungsgemäße gezielte Positionierung einer zusätzlichen Faser in der verschweißten Naht vermieden, so dass die Festigkeit der Naht erhöht wird und die verschweißte Komponente zuverlässiger und belastbarer ist.
Vorzugsweise dreht sich die Schulter 8 nicht, während sich der Schweißstift 9 dreht. Folglich wird durch die Schulter 8 keine zusätzliche Reibungswärme generiert, sondern es wird lediglich gewährleistet, dass durch die Schulter 8 zu gegebenem Zeitpunkt der erforderliche Druck auf das im Verbindungsbereich zu plastifizierende Material ausgeübt wird. Dadurch, dass die Schulter 8 während des Reibrührschweißprozesses in rotierendem Sinn ”fest steht”, ist sowohl eine höhere Drehzahl des Schweißstiftes 9 als auch eine Verminderung der durch die Schulter 8 vermittelte Prozesskraft möglich, wobei letztere insbesondere zu einer Vereinfachung der Anlagentechnik führt. Ersteres hat wiederum zur Folge, dass während des Reibrührschweißprozesses eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte Dicke bzw. den gesamten Querschnitt der Fügeteile 5, 6 gewährleistet ist, so dass diese prozesssicher und mit hoher Qualität verschweißt werden können. Die durch die Schulter 8 ansonsten hervorgerufene Reibwärmegenerierung an der Oberfläche der Fügeteile 5, 6 ist deutlich reduziert, wodurch eine Überhitzung an der Oberfläche wirksam verhindert wird.
Gemäß einer alternativen Ausbildung des erfindungsgemäßen Reibrühr-Werkzeuges 2 kann auf das Formteil verzichtet werden. Dann dient die in Richtung Schweißstift 9 weisende Seite des Lagers 10 als Schulter. Dies stellt auf Grund der reduzierten Komponenten eine besonders einfache Ausgestaltung dar. Die Funktion und Wirkungsweise dieser alternativen Schulter ist dieselbe, wie bei der voranstehend beschriebenen, als Formteil ausgebildeten Schulter 8.
Eine weitere Alternative Ausbildung des Formteils erlaubt es, auf das Lager zu verzichten.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Reibrührwerkzeug
3: Faserquelle
4: Faser
5: erstes Werkstück
6: zweites Werkstück
7: Werkzeugkörper
8: Schulter
9: Schweißstift
10: Lagerung
11: Durchgangsöffnung
12: Verbindungsbereich
13: Verbindungslinie
14: Vorwärtsbewegung
15: Rotation des Schweißstifts
16: Strömung des Schweißguts
17: plastifizierter Stoff
18: verschweißte Naht
19: Gegenstand mit verschweißter Naht

Claims

Gegenstand (19) aus zumindest einem faserverstärkten Werkstoff mit einer verschweißten Naht (18), wobei eine Faser (4) in der Naht (18) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Faser (4) nahezu über die gesamte Länge der Naht erstreckt und in der Naht eine schraubenförmige Gestalt aufweist.
Gegenstand (19) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Fasern (4) in der Naht (18) angeordnet sind.
Gegenstand (19) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (4) untereinander verworren sind.
Gegenstand (19) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand (19) eine Komponente eines Luftfahrzeuges oder eines Kraftfahrzeugs ist.
Verfahren zum Reibrühren, das folgende Schritte aufweist: – Einführen eines rotierend angetriebenen stiftförmigen Vorsprungs (9) in einen Werkstückbereich oder in einen Verbindungsbereich (12) von zumindest zwei aneinanderliegenden endlosfaserverstärkten Werkstücken (5, 6) mit einem Matrixmaterial unter rotierender Bewegung, – Plastifizieren des Werkstückbereichs oder des Verbindungsbereichs (12) in wenigstens einem Kontaktbereich (17) zwischen dem rotierenden Vorsprung (9) und dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich (12), und – Einführen einer Faser (4) in den plastifizierten Bereich (17), wobei die Faser (4) mittels der durch den Vorsprung (9) angeregten Materialströmung des Matrixstoffs der Werkstücke (5, 6) von dem zirkulierenden plastifizierten Bereich (17) erfasst und strömungsbedingt bzw. strömungsabhängig im plastifizierten Bereich (17) positioniert wird, und eine Naht (18) mit einer Längsrichtung bereitgestellt wird, in der die Faser (4) eine Helixform aufweist, die sich entlang der Längsrichtung der Naht (18) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schulter (8) auf den Werkstückbereich oder Verbindungsbereich (12) unter zumindest zeitweiser Druckbeaufschlagung aufgebracht wird, wobei während der Vorsprung (9) in Kontakt mit dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich steht, die Drehzahl der Schulter (8) n = 0 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schulter (8) auf den Werkstückbereich oder Verbindungsbereich unter zumindest zeitweiser Druckbeaufschlagung aufgebracht wird, wobei während der Vorsprung (9) in Kontakt mit dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich steht, die Drehzahl der Schulter (8) größer als 0 und kleiner als die Drehzahl des Vorsprungs (9) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (9) in dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich (12) linear bewegt wird, wobei die Faser (4) kontinuierlich in den plastifizierten Bereich (17) eingeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (9) relativ zu den aneinanderliegenden Werkstücken (5, 6) entlang der Verbindungslinie (13) der aneinanderliegenden Werkstücke (5, 6) bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die aneinanderliegenden Werkstücke (5, 6) relativ zu dem Vorsprung (9) entlang der Verbindungslinie (13) der aneinanderliegenden Werkstücke (5, 6) bewegt werden.
Reibrührwerkzeug (2), umfassend einen rotierend antreibbaren Werkzeugkörper (7), an dessen antriebsabgewandtem Ende eine Schulter (8) vorgesehen ist, von der sich in Richtung antriebsabgewandtem Ende des Werkzeugkörpers (7) ein rotierbarer, stiftförmiger Vorsprung (9) erstreckt, der einen kleineren Durchmesser als die Schulter (8) aufweist, wobei die Schulter (8) und der stiftförmige Vorsprung (9) unabhängig voneinander rotierend antreibbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Durchgangsöffnung (11) in der Schulter (8) neben dem Vorsprung (9) angeordnet ist, die sich in Richtung antriebsabgewandtem Ende des Werkzeugskörpers (7) erstreckt.
Reibrührwerkzeug (2) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (8) derart ausgebildet ist, dass sie bei Rotation des stiftförmigen Vorsprungs (9) eine Drehzahl n = 0 aufweist.
Reibrührwerkzeug (2) nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (8) mittels Gleit- oder Wälzlager (10) an dem Werkzeugkörper (7) gelagert ist.
Reibrührwerkzeug (2) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (8) ein Formteil ist, das auf der in Richtung Vorsprung (9) weisenden Seite des Gleit- oder Wälzlagers (10) angeordnet ist.
Reibrührwerkzeug (2) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Randteil des Formteils derart abgewinkelt ist, dass es das Gleit- oder Wälzlager (10) zumindest teilweise umgibt.
Reibrührwerkzeug (2) nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil zumindest auf seiner in Richtung Vorsprung (9) weisenden Seite mit einem reibungsmindernden Material versehen ist.
Reibrührwerkzeug (2) nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Werkzeugkörper (7) ein Gleit- oder Wälzlager (10) angeordnet ist, dessen zumindest in Richtung Vorsprung (9) weisende Seite die Schulter (8) bildet.
Reibrührwerkzeug (2) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die in Richtung Vorsprung (9) weisende Seite des Gleit- oder Wälzlagers (10) mit einem reibungsmindernden Material versehen ist.
Reibrührwerkzeug (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der stiftförmige Vorsprung (9) einstückig mit dem Werkzeugkörper (7) ausgebildet ist.
Reibrührwerkzeug (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (2) rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
Reibrührwerkzeug (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnung (11) in Richtung antriebsabgewandter Oberfläche der Schulter (8) aufweitet.
Reibrührwerkzeug (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Durchgangsöffnung (11) im Wesentlichen senkrecht zu der in Richtung antriebsabgewandter Oberfläche der Schulter (8) erstreckt.
Reibrührwerkzeug (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Durchgangsöffnung (11) von der in Richtung antriebsabgewandten Oberfläche der Schulter (8) bis zu der in Richtung Vorsprung (9) abgewandten Oberfläche der Schulter (8) erstreckt.
Vorrichtung (1) zum Reibrühren, umfassend ein Reibrührwerkzeug (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 23, wobei der Vorsprung (9) in einen Werkstückbereich oder einen Verbindungsbereich (12) von zumindest zwei zu verbindenden Werkstücken (5, 6) unter rotierender Bewegung einführbar ist, so dass bei seiner Rotation in Kontakt mit dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich (12) der Vorsprung (9) diesen wenigstens im Kontaktbereich plastifiziert und plastifzierten Stoff (17) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ferner eine Faserquelle (3) aufweist, und dass eine Faser (4) über die Durchgangsöffnung (11) in der Schulter (8) in den plastifizierten Stoff (17) einführbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ferner Antriebsmittel aufweist, mit dem die Vorrichtung (1) unter rotierendem Antrieb des Vorsprungs (9) linear geführt werden kann.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 24 oder Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (8) auf den Werkstücken (5, 6) außerhalb des Kontaktbereichs zwischen dem Vorsprung (9) und dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich (12) aufbringbar ist.
Verwendung des Reibrührwerkzeugs (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 23 zum Verschweißen von faserverstärkten Kunststoffen, faserverstärkten Metallen oder faserverstärkten Legierungen.
Verwendung des Reibrührwerkzeugs (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 23 zum Verschweißen von zwei aneinanderliegenden Werkstücken aus faserverstärktem Kunststoff, faserverstärktem Metall oder faserverstärkten Legierungen.
Verwendung der Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 24 bis 26 zum Verschweißen von faserverstärkten Kunststoffen, faserverstärkten Metallen oder faserverstärkten Legierungen.
Verwendung der Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 24 bis 26 zum Verschweißen von zwei aneinanderliegenden Werkstücken aus faserverstärktem Kunststoff, faserverstärktem Metall oder faserverstärkten Legierungen.