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Die Erfindung betrifft eine Rührreibschweißvorrichtung zur Schweißverbindung von Fügepartnern, insbesondere Blechbauteilen aus Aluminium oder dergleichen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zum Rührreibschweißen nach dem Patentanspruch 10.
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Beim Rührreibschweißen erfolgt eine Plastifizierung der Werkstoffe der zu fügenden Fügepartner. Dabei wird ein rotierendes Werkzeug aus verschleißfestem Werkstoff eingesetzt. Das Werkzeug besteht aus einem speziell geformten Stift beziehungsweise einem Pin, der koaxial zur Rotationsachse vom Werkzeug vorragt. In einer ersten Phase des Rührreibschweiß-Vorganges wird das Werkzeug nach dem Vorpositionieren unter Rotation um die eigene Achse sowie hoher Axialkraft in den Werkstoff eines oder beider Fügepartner eingetaucht, und zwar bis eine stirnseitige Werkzeugschulter die Fügepartner-Oberfläche berührt. Infolge der Relativbewegung und des Druckes zwischen dem Werkzeug und dem Fügepartner wird eine Reibungswärme erzeugt. Aufgrund der Druck- und Rotationsbeaufschlagung wird der Werkstoff im Fügepartner in einen lokal plastifizierten Zustand überführt. Im lokal plastifizierten Zustand wird die Soliduslinie des jeweiligen Fügepartners nicht überschritten, das heißt die Fügepartner-Temperatur bleibt knapp unterhalb der Schmelztemperatur des Fügepartner-Werkstoffes. Anschließend wird mit dem Einsetzen einer Vorschubbewegung des Werkzeugs der eigentliche Schweißvorgang gestartet.
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Dabei kann das Werkzeug zum Beispiel entlang eines Fügestoßes geführt werden und die beiden Fügepartner miteinander verschweißt werden.
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Aus der
JP 10 225 781 A ist eine gattungsgemäße Rührreibschweißvorrichtung bekannt, bei der Fügepartner miteinander verschweißt werden. Die Vorrichtung weist ein Werkzeug mit einer Werkzeugschulter auf. Diese wird mit ihrer stirnseitigen Reibfläche unter Druck- und Rotationsbeaufschlagung sowie unter Bildung einer lokalen Rührzone (das heißt ein Plastifizierungsbereich) in den Fügepartner-Werkstoff eingetrieben. Anschließend wird das in den Fügepartner-Werkstoff eingetriebene Werkzeug zur Bildung einer Schweißnaht in der Vorschubrichtung bewegt.
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Speziell bei Blechbauteilen aus Aluminiumlegierungen sind die Bauteil-Oberflächen bei Zimmertemperatur durch Oxidation und Passivierung mit einer dünnen, amorphen Oxidschicht überzogen, deren Schichtdicke bei etwa 0,05 μm liegt. Die Oxidschichten auf der Blechober- und -unterseite werden beim Schweißvorgang durch die rotierende Werkzeugschulter aufgebrochen und mit dem Werkstofffluss in die Schweißnaht gefördert. Dabei lagern sich einzelne Oxidfragmente entlang charakteristischer Bahnen zusammen, wodurch die Lebensdauer der Schweißverbindung geschwächt und die Zugfestigkeit der Schweißverbindung reduziert wird.
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Um die Einlagerung solcher Oxidfragmente in der Schweißnaht zu vermeiden, können vor Durchführung des Schweißvorganges in einem separaten Arbeitsschritt vor dem Schweißvorgang die Oberflächen der miteinander zu verschweißenden Bauteile gereinigt werden, das heißt zum Beispiel eine Oxidschicht von der Bauteil-Oberfläche entfernt werden. Ein solcher Reinigungsvorgang ist jedoch speziell bei einem vollautomatisierten Schweißprozess fertigungstechnisch nur aufwändig durchführbar.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Rührreibschweißvorrichtung sowie ein Verfahren zum Rührreibschweißen bereitzustellen, bei dem in einfacher Weise eine einwandfreie Schweißverbindung der Fügepartner erzielbar ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder des Patentanspruchs 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass die sich in der Vorschubrichtung verlagernden Rührzone frei von Oxidfragmenten gehalten werden muss. Vor diesem Hintergrund wird die Oberflächenstruktur des Fügepartners unmittelbar vor der sich in der Vorschubrichtung verlagernden Rührzone mechanisch vorbehandelt, insbesondere gereinigt und/oder von der Oxidschicht befreit. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 weist nämlich das Werkzeug eine zusätzliche Reinigungskontur auf, die der Werkzeugschulter in der Vorschubrichtung vorauseilt und außerhalb der Rührzone die Oberflächenstruktur des Fügepartners vorbehandelt, insbesondere reinigt und/oder von einer Oxidschicht befreit. Die Reinigung der Fügepartner-Oberflächenstruktur erfolgt daher nicht mehr in einem separaten Arbeitsschritt vor dem Rührreibschweiß-Vorgang, sondern zeitlich unmittelbar vor dem Schweißvorgang, so dass eine erneute Bildung der Oxidschicht vermieden wird.
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In einer technischen Realisierung kann das Werkzeug zusammen mit seiner Werkzeugschulter rotationssymmetrisch ausgeführt sein. Die Reinigungskontur kann bevorzugt radial außerhalb unmittelbar an die Werkzeugschulter anschließen. Besonders bevorzugt ist es, wenn sich die Reinigungskontur ringförmig um die Werkzeugschulter erstreckt.
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Wie oben erwähnt kann die Reinigungskontur Oxidfragmente aus der Oxidschicht wegbrechen beziehungsweise absplittern, noch die bevor die Oxidschicht in Kontakt mit der Rührzone aus lokal plastifiziertem Werkstoff kommt. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass der Werkstoff im Bereich der Reinigungskontur nicht plastifiziert, sondern nach wie vor fest ist. Vor diesem Hintergrund ist es besonders bevorzugt, wenn die Reinigungskontur als eine, der Werkzeugschulter in der Vorschubrichtung vorgelagerte Kühlzone bildet. Die Kühlzone ist so auszulegen, dass die Werkzeugtemperatur in der Kühlzone geringer ist als die Werkzeugtemperatur an der Reibfläche der Werkzeugschulter. Bevorzugt ist die Werkzeugtemperatur in der Kühlzone insbesondere geringer als ein Grenztemperaturbereich, bei dessen Überschreiten eine Plastifizierung des Werkstoffs des Fügepartners einsetzt.
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Zwischen der Rührzone und der vorauseilenden Kühlzone ergibt sich somit ein Temperaturgefälle. Das Werkzeug kann daher im Bereich dieser Kühlzone eine mechanische Oberflächenbearbeitung vornehmen, bei der der Fügepartner-Werkstoff noch nicht plastifiziert ist. Bei einer solchen Oberflächenbearbeitung im Bereich der Kühlzone besteht somit noch keine Gefahr, dass sich Oxidfragmente mit dem plastifizierten Fügepartner-Werkstoff vermischen.
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Die Reinigungskontur kann sich ausgehend von der mittigen Werkzeugschulter in Radialrichtung nach außen bis zu einer Außenkante des Werkzeuges erstrecken. Die Außenkante des Werkzeuges kann insbesondere als Bruchkante ein Aufbrechen der Oxidschicht einleiten oder begünstigen.
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In einer Ausführungsform kann die Reinigungskontur um einen Achsversatz von zum Beispiel von 0,1 mm gegenüber der Werkzeugschulter zurückgesetzt sein. Die Reinigungskontur kann eine insbesondere glattflächige Ringfläche sein. Diese kann bevorzugt planparallel zur Reibfläche der Werkzeugschulter ausgerichtet sein. Auf diese Weise ergibt sich ein Werkzeug, an dessen Stirnseite zwei Schulterflächen vorgesehen sind, die um einen Höhenversatz in Axialrichtung zueinander versetzt sind.
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Bevorzugt ist es, wenn das Werkzeug entgegen der Vorschubrichtung um einen Anstellwinkel geneigt ist. Auf diese Weise erfolgt im vorauseilenden Werkzeug-Bereich, das heißt in der Reinigungskontur, eine Druckentlastung in der Axialrichtung. Die vorauseilende Reinigungskontur wird daher – im Vergleich zur Reibfläche der Werkzeugschulter – mit einer reduzierten Axialkraft beaufschlagt. Dadurch wird im Bereich der Reinigungskontur weniger Reibungswärme generiert. Aufgrund der nur reduzierten Reibungswärme ist gewährleistet, dass der Fügepartner-Werkstoff im Bereich der Reinigungskontur noch in seinem festen Aggregatszustand verbleibt. Zudem hat sich gezeigt, dass aufgrund der im Bereich der Reinigungskontur reduzierten Axialkraft das Abtragen bzw. Abbrechen von Oxidfragmenten aus der Oxidschicht vereinfacht ist.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die Werkzeugschulter einen Stift beziehungsweise einen Pin aufweisen, der insbesondere koaxial zur Rotationsachse von der Reibfläche der Werkzeugschulter vorragt.
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Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
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Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Perspektivdarstellung, mit der das Verbinden zweier Blechteile mittels Rührreibschweißen veranschaulicht ist;
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2 eine Teilschnittdarstellung entlang der Schnittebene A-A aus der 1;
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3 eine Ansicht entsprechend der 1; und
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4 eine Teilschnittdarstellung entlang der Schnittebene B-B aus der 3.
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In der 1 ist teilweise ein Werkzeug 1 zum Rührreibschweißen während eines Schweißvorgangs gezeigt. Unter Ausbildung einer Schweißnaht 3 verbindet das Werkzeug 1 teilweise dargestellte Aluminium-Blechteile 5, die in einem Stumpfstoß zueinander angeordnet und beispielhaft mit einem Spalt 6 einer Breite b voneinander beabstandet sind. Die Blechteile 5 können dabei auch direkt aneinander anliegen. Das Werkzeug 1 ist rotationssymmetrisch um eine Rotationsachse A ausgeführt und weist einen koaxial von dem Werkzeug 1 nach unten abragenden Stift 7 auf, der im Querschnitt größer ist als der Spalt 6 zwischen den Blechteilen 5. Das Werkzeug 1 ist derart angeordnet, dass die Rotationsachse A des Werkzeuges 1 mittig in den Spalt 6 mit der Breite b fluchtet.
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Aus der 2 geht hervor, dass der Stift 7 im Querschnitt kleiner ist als eine stirnseitige Reibfläche 9 einer Werkzeugschulter 11 des Werkzeugs 1, von der der Stift 7 nach unten abragt. Des Weiteren weist das Werkzeug 1 gemäß der 2 eine radial außerhalb der Werkzeugschulter 11 ausgebildete Reinigungskontur 13 auf. Die Reinigungskontur 13 erstreckt sich ringförmig um die Werkzeugschulter 11 bis zu einer Außenkante 15 des Werkzeugs 1 und ist entlang der Rotationsachse A um einen Achsversatz Δx gegenüber der Reibfläche 9 nach oben zurückgesetzt. Die Reinigungskontur 13 weist eine plane Ringfläche 17 auf, die parallel zur Reibfläche 9 der Werkzeugschulter 11 mit dem Achsversatz Δx beabstandet ist, so dass die Reibfläche 9 an einer Übergangsstufe 19 in die Ringfläche 17 übergeht. Weiterhin weist die Reinigungskontur 13 radial außen eine Seitenwand 21 auf, die unter Bildung einer Bruchkante 23 in die plane Ringfläche 17 übergeht.
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Aus den Figuren geht weiter hervor, dass sich das Werkzeug 1 beim Verschweißen der Blechteile 5 entlang einer Vorschubrichtung v bewegt. Das Werkzeug 1 drückt zum Verschweißen der Blechteile 5 zudem mit einer Axialkraft FA auf die Blechteile 5 und rotiert gleichzeitig mit einer Drehzahl n relativ zu den Blechteilen 5 um die Rotationsachse A. Die Axialkraft FA und die Drehzahl n sind derart gewählt, dass aufgrund der durch die Relativbewegung zwischen der stirnseitigen Reibfläche 9 des Werkzeugs 1 und den Blechteilen 5 entstehenden Reibwärme die Blechteile 5 im Bereich der Reibfläche 9 plastifizieren, so dass sich im Werkstoff der Blechteile 5 eine Rührzone 25 bildet. Gemäß der 2 taucht zum Verschweißen der Blechteile 5 der Stift 7 in die Rührzone 25, so dass der Stift 7 den plastifizierten Werkstoff der Blechteile 5 miteinander verrührt. Bewegt sich das Werkzeug 1 weiter entlang der Vorschubrichtung v, kühlen die Blechteile 5 unter Bildung einer stoffschlüssigen Verbindung ab.
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Die in der 2 gezeigte, radial außerhalb der Reibfläche 9 ausgebildete Reinigungskontur 13 eilt der Reibfläche 9 während des Schweißvorgangs in der Vorschubrichtung v voraus. Das heißt, dass die Reinigungskontur 13 der Rührzone 25 vorgelagert ist und weitgehend außerhalb der Rührzone 25 angeordnet ist. Die Blechteile 5 sind im Bereich der vorauseilenden Reinigungskontur 13 noch nicht plastifiziert und bilden im Blechteil-Werkstoff eine Kühlzone 27. Die Werkstoff-Temperatur in der Kühlzone 27 ist geringer als in der Rührzone 25, und zwar bevorzugt geringer als eine Grenztemperatur, bei deren Überschreiten eine Plastifizierung der Bauteile 5 einsetzt, so dass die Bauteile 5 in der Kühlzone 27 noch in einem festen Aggregatszustand sind.
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Erfindungsgemäß ist daher das Werkzeug 1 so ausgebildet, dass an der Reinigungskontur 13 weniger Reibungswärme generiert wird als an der Reibfläche 9, so dass die Bauteile 5 im Bereich der Kühlzone 27 nicht so stark erwärmt werden wie in der Rührzone 25. Das Temperaturgefälle zwischen der Reibfläche 9 und der Ringfläche 17 der Reinigungskontur 13 kann aufgrund der Neigung des Werkzeugs 1 entgegen der Vorschubrichtung v in einem Anstellwinkel α noch verstärkt werden, wie es nachfolgend erläutert ist. Aufgrund der Neigung des Werkzeugs 1 erfolgt im Bereich der vorauseilenden Reinigungskontur 13 eine Verringerung des Drucks auf die Blechteile 5, so dass die Kühlzone 27 im Vergleich zur Rührzone 25 mit einer reduzierten Axialkraft beaufschlagt wird. Durch die reduzierte Axialkraft im Bereich der Kühlzone 27 wird weniger Reibungswärme generiert und die Temperatur in der Kühlzone 27 im Vergleich zur Rührzone 25 verringert.
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Durch die in der 2 gezeigte, in der Vorschubrichtung v vorauseilende Reinigungskontur 13, in deren Bereich die Kühlzone 27 ausgebildet ist, erfolgt eine mechanische Vorbehandlung von Oberflächen 29 der Bauteile 5 außerhalb der Rührzone 25. Die Reinigungskontur 13 reinigt die Oberflächen 29, indem sie eine Oxidschicht 31 von den Bauteilen 5 abbricht. Das Abbrechen der Oxidschicht 31 durch die Reinigungskontur 13 erfolgt aufgrund der auf die Bauteile 5 wirkenden Axialkraft FA des Werkzeugs 1, der Drehzahl n des Werkzeugs 1 relativ zu den Bauteilen 5 sowie aufgrund der Bewegung des Werkzeugs 1 in die Vorschubrichtung v. Beim Abbrechen der Oxidschicht 31 splittern Oxidfragmente 33 von der Oxidschicht 31 ab und die Oxidfragmente 33 werden von dem Werkzeug 1 weggeschleudert, so dass weder die Oxidschicht 31 noch die Oxidfragmente 33 in die Rührzone 25 gelangen können, in der die Bauteile 5 lokal plastifiziert sind. Ein Einlagern der Oxidfragmente 33 oder der Oxidschicht 31 in die Rührzone 25, würde die Lebensdauer und die Zugfestigkeit der Schweißverbindung beeinträchtigen.
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Da die Reinigungskontur 13 unmittelbar an dem Werkzeug 1 ausgebildet ist, erfolgt die Reinigung und das Verschweißen der Bauteile 5 in einem gemeinsamen Arbeitsschritt. Des Weiteren ist eine erneute Ausbildung der Oxidschicht 31 aufgrund der zeitlich unmittelbar vor dem Schweißvorgang stattfindenden Reinigung der Oberflächen 29 verhindert.
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In den 3 und 4 ist das Rührreibschweißen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiels des Werkzeugs 1 gezeigt. Der Aufbau und die Funktionsweise der darin gezeigten Vorrichtung sind im Wesentlichen identisch mit der in den 1 und 2 gezeigten Vorrichtung. Insoweit wird auf die Vorbeschreibung verwiesen und im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der in den 1 und 2 gezeigten Ausführung hervorgehoben. So sind die Blechteile 5 in den 3 und 4 nicht wie in den 1 und 2 in einem Stumpfstoß zueinander ausgerichtet, sondern vielmehr zueinander überlappt. Das Werkzeug 1 ist zudem nicht zwischen den Blechteilen 5 angeordnet, sondern an der Oberfläche 29 des oberen Blechteils 5 in einem Überlappungsbereich 35 der Blechteile 5.
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Das Werkzeug 1 gemäß der 3 und 4 weist keinen Stift 7 auf, der von der stirnseitigen Reibfläche 9 des Werkzeugs 1 abragt. Das Verrühren der Blechteile 5 erfolgt dabei nicht über den Stift 7 wie bei dem Werkzeug 1 gemäß der 1 und 2, sondern alleine über die stirnseitige Reibfläche 9, so dass die Reibfläche 9 den Werkstoff der Blechteile 5 sowohl plastifiziert als auch miteinander verrührt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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