DE102018000675A1

DE102018000675A1 - Vorrichtung zum Verschweißen von Metallteilen durch Rührreibschweißen

Info

Publication number: DE102018000675A1
Application number: DE102018000675.2A
Authority: DE
Inventors: Christian Lenkenhoff; Sven Wessel; Norbert Hees
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
Priority date: 2018-01-27
Filing date: 2018-01-27
Publication date: 2019-08-01

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zum Verschweißen von Metallteilen durch Rührreibschweißen, aufweisend zumindest eine Antriebsvorrichtung und ein durch die Antriebsvorrichtung angetriebenes und geführtes Rührreibschweißwerkzeug, wobei an das Rührreibschweißwerkzeug ein mitdrehender Aufsatz angekoppelt ist, wobei der Aufsatz am Rührreibschweißwerkzeug axial verschiebbar angeordnet ist, und wobei der Aufsatz während eines Schweißvorgangs mit einer begrenzten Kraft an den zu verschweißenden Metallteilen anliegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verschweißen von Metallteilen durch Rührreibschweißen, aufweisend zumindest eine Antriebsvorrichtung und ein durch die Antriebsvorrichtung angetriebenes und geführtes Rührreibschweißwerkzeug, wobei an das Rührreibschweißwerkzeug ein mitdrehender Aufsatz angekoppelt ist.
Besonders Aluminiumteile werden in vielen Bereichen der Technik per Rührreibschweißen miteinander verbunden, insbesondere dann, wenn eine gasdichte Verbindung erforderlich ist. Beim Rührreibschweißen verbleiben für gewöhnlich Metallspäne an der Schweißnaht, die in einem nachfolgenden Fräsprozess entfernt werden müssen. Daraus resultieren Zusatzkosten und längere Prozesszeiten.
Es ist bekannt, feststehende Frässchneiden am Rührreibschweißwerkzeug anzubringen. Diese dringen jedoch mit dem Eintauchen des Schweißwerkzeuges auf großer Breite in das Werkstück ein und nehmen unter Umständen zu viel Material mit ab.
Aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift DE 20 2016 001 908 U ist eine Vorrichtung zum rückstandsfreien Rührreibschweißen von Werkstücken mit einem Schweißschuh bekannt. Der Schweißschuh weist eine kreisrunde Öffnung auf, die der Aufnahme eines sich drehenden Rührreibschweißpins dient, wobei die Spitze des Rührreibschweißpins, den eigentlichen Rührreibvorgang bewirkt. Um die Öffnung des Schweißschuhs herum ist eine trapezförmige Glättfläche gelagert, die die Glättung des durch den Schweißvorgang plastifizierten Materials bewirkt. Der Glättfläche ist eine Spanleitstufe vorgelagert, durch die entstehenden Metallspäne nach links und/oder rechts abgeleitet werden.
Nachteilig ist, dass der Schweißschuh hier starr mit der Antriebsvorrichtung des Rührreibschweißwerkzeugs gekoppelt ist. Daher besteht hier die Gefahr, dass bei einem Absacken des Rührreibschweißwerkzeugs in das Grundmaterial der Schweißschuh unzulässig tief in die Werkstücke eindringt.
Es stellte sich die Aufgabe, eine Vorrichtung zum Verschweißen von Metallteilen durch Rührreibschweißen zu schaffen, welche die beim Schweißvorgang entstehende Metallspäne auf einfache und kostengünstige Weise entfernt, ohne die Werkstücke zu beschädigen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Aufsatz am Rührreibschweißwerkzeug axial verschiebbar angeordnet ist, und dass der Aufsatz während eines Schweißvorgangs mit einer begrenzten Kraft an den zu verschweißenden Metallteilen anliegt.
Der Aufsatz bewirkt, dass Metallspäne, die aus der Schweißnaht herausstehen, abgeschert werden, ohne dass der spanbrechende Aufsatz bei einem Absacken des Schweißwerkzeuges in dem teigigen Material mit in das Werkstück getrieben wird.
Das Anliegen mit einer begrenzten Kraft kann durch eine in der axialen Richtung des Rührreibschweißwerkzeugs bewegliche Lagerung des Aufsatzes in senkrechten Nuten am Rührreibschweißwerkzeug erreicht werden, wobei der Spanmitnehmer durch sein Eigengewicht und/oder durch ein krafterzeugendes Element mit einer definierten und vor allem mit einer in seiner Stärke begrenzten Kraft auf das Werkstück gedrückt wird.
Dadurch liegt der Aufsatz mit seiner Eigengewichtskraft, gegebenenfalls verstärkt durch die Kraft einer Andruckfeder oder einer anderen krafterzeugenden Einrichtung an den Außenflächen der zu verschweißenden Metallteile an, und zwar auch dann, wenn das Rührreibschweißwerkzeug während des Schweißprozesses in das Werkstück einsacken sollte. Dadurch wird gewährleistet, dass nicht, wie bei früheren Konzepten des direkten Spanbrechens, auch der Spanbrecher mit einsinkt und dabei das Werkstück beschädigt.
Im Folgenden soll die erfindungsgemäße Vorrichtung durch zwei Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Die 1 zeigt dazu skizzenhaft eine erste erfindungsgemäß ausgeführte Vorrichtung mit einem Rührreibschweißwerkzeug und einem daran angeordneten ersten Aufsatz. Die 2 zeigt eine zweite erfindungsgemäß ausgeführte Vorrichtung mit einem Rührreibschweißwerkzeug und einem daran angeordneten zweiten Aufsatz. Die 3 zeigt eine Vorrichtung mit einem Rührreibschweißwerkzeug ohne einen Aufsatz.
Die Figuren stellen die zu verschweißenden Metallteile 3 nicht im Einzelnen dar, sondern zeigen diese vereinfachend als ein Werkstück mit einer einzigen Schweißfläche.
Die 3 zeigt skizzenhaft das Prinzip des Rührreibschweißens. Durch eine Antriebsvorrichtung 7 wird ein im Wesentlichen zylinderförmiges Rührreibschweißwerkzeug 1 angetrieben, so dass es sich um seine Längsachse dreht. Zudem bewegt die Antriebsvorrichtung 7 das Rührreibschweißwerkzeugs 1 entlang des Übergangsbereichs der zu verschweißenden Metallteile 3 zur Ausbildung einer Schweißnaht 5.
Zur Ausführung des Schweißvorgangs liegt eine Schulter 4 des Rührreibschweißwerkzeugs 1 an den Oberflächen der zu verschweißenden Metallteile 3 an, während, die in der Zeichnung nicht dargestellte Spitze des Rührreibschweißwerkzeugs 1 (Rührreibschweißpin) sich in einem Fügespalt zwischen den Metallteilen 3 dreht. Durch die Reibungswärme, die durch die Reibung der Schulter 4 auf der Metalloberfläche entsteht, wird das Material der Metallteile 3 lokal erweicht. Dabei wird meist die in axialer Richtung aufgebrachte Kraft (Schweißkraft) sowohl kraft- als auch weggeregelt, wodurch der Rührreibschweißpin auf längeren Schweißnähten durchaus um einige zehntel Millimeter tiefer in das Material gedrückt wird um eine optimale Gegenkraft beziehungsweise einen optimalen Wärmeeintrag einzustellen. Das plastifizierte Material wird durch die Bewegung des Rührreibschweißpins bewegt und vermischt und bildet eine Schweißnaht 5 aus, wobei sich um die Schweißnaht 5 herum Metallspäne 6 bilden, die oft noch mit dem Werkstück verbunden sind.
Üblicherweise wird die Schweißnaht 5 in einem sich anschließenden Fräsprozess gereinigt und geglättet, insbesondere um das Endprodukt von herausstehenden Metallspänen 6 zu befreien, von denen ein Verletzungsrisiko ausgehen könnte.
Bei durchgeführten Schweißversuchen ergab sich einmal zufällig ein Bart von Metallspänen rund um den sich drehenden Rührreibschweißwerkzeug 1, der auf der restlichen Schweißnaht 5 sämtliche neuentstehenden Metallspäne 6 beseitigte, so dass eine Nachbearbeitung danach nicht mehr nötig war. Dies führte zu der Idee, die Spanbeseitigung mittels eines sich mitdrehenden Aufsatzes 2 am Rührreibschweißwerkzeug 1 in den Schweißprozess zu integrieren.
Ein Rührreibschweißwerkzeug 1 mit einem Aufsatz 2 ist jeweils in den 1 und 2 dargestellt. Der Aufsatz 2 ist als ein an zwei gegenüberliegenden Seiten offener Hohlkörper ausgebildet, etwa in Form einer Glocke oder eines Hohlzylinders, der mit seinen offenen Seiten über das Rührreibschweißwerkzeug 1 geschoben ist.
Der Aufsatz 2 kann, wie die 2 zeigt, an seinem unteren Rand eine Strukturierung aufweisen, um entstehende Metallspäne 6 gut erfassen und entfernen zu können. Die Strukturierung kann aus an dem Aufsatz 2 angeordneten Borsten 10 bestehen, die eine Art Drahtbürste ausbilden.
Alternativ kann die Strukturierung des Aufsatzes 2 auch aus einer oder aus mehreren spanbrechenden Kanten an seiner den zu verschweißenden Metallteilen 3 zugewandten Unterseite bestehen. Damit diese nicht spanabhebend das Werkstück zerstören, ist die Auflagekraft des Aufsatzes 2 in der axialen Richtung des Rührreibschweißwerkzeugs 1, also in Richtung auf die Metallteile 3, begrenzt.
Hierzu ist der mit dem Rührreibschweißwerkzeug 1 mitdrehend gekoppelte Aufsatz 2 in der axialen Richtung in einem begrenzten Maße beweglich mit dem Rührreibschweißwerkzeug 1 verbunden. Dieses kann vorzugsweise über eine lose Nut-Feder-Führung erreicht werden, die eine leichtgängige axiale Verschiebung des Aufsatzes 2 gegen das Rührreibschweißwerkzeug 1 ermöglicht. In den 1 und 2 ist jeweils ein Teilstück einer am Rührreibschweißwerkzeug 1 angeformten Führungsnut 8 einer Nut-Feder-Führung erkennbar.
Der untere Teil des Aufsatzes 2 liegt so mit einer relativ geringen, durch sein Eigengewicht bewirkten oder gegebenenfalls durch eine, in der 1 dargestellten, Andruckfeder 9 verstärkten Andruckkraft auf den zu verschweißenden Metallteilen 3 auf und wird während des Schweißvorgangs drehend an der Schweißnaht 5 entlanggeführt.
Alternativ oder zusätzlich kann zur Erzeugung der begrenzten Kraft auf den Aufsatz 2 eine hier nicht bildlich dargestellte krafterzeugende hydraulische, elektromagnetische, elektromotorische, pneumatische oder mechanische Einrichtung vorgesehen werden, so dass die auf das Werkstück 3 wirkende Auflagekraft des Aufsatz 2 durch oder unter Mitwirkung dieser Einrichtung entsteht. Beispielsweise kann eine mechanische Einrichtung eine zusätzliche Masse sein, deren Gewichtskraft durch mechanische Elemente ganz oder teilweise auf den Aufsatz 2 gelenkt wird.
„Mitwirkung“ bedeutet hierbei, dass die Kraft dieser Einrichtung zusätzlich zur Eigengewichtskraft des Aufsatzes 2 auf die zu verschweißenden Metallteile 3 wirkt. Ein besonderer Vorteil einer solchen krafterzeugenden Einrichtung, insbesondere einer solchen von elektrischer, hydraulischer oder pneumatischer Art, besteht darin, dass hierbei auch eine Regelung der Krafteinwirkung und damit eine präzise Einstellung der Andruckkraft vorgesehen werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Rührreibschweißwerkzeug
2: Aufsatz
3: Metallteile (Werkstück)
4: Schulter
5: Schweißnaht
6: Metallspäne
7: Antriebsvorrichtung
8: Führungsnut
9: Andruckfeder
10: Borsten

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202016001908 U [0004]

Claims

Vorrichtung zum Verschweißen von Metallteilen durch Rührreibschweißen, aufweisend zumindest eine Antriebsvorrichtung (7) und ein durch die Antriebsvorrichtung (7) angetriebenes und geführtes Rührreibschweißwerkzeug (1), wobei an das Rührreibschweißwerkzeug (1) ein mitdrehender Aufsatz (2) angekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufsatz (2) am Rührreibschweißwerkzeug (1) axial verschiebbar angeordnet ist, und dass der Aufsatz (2) während eines Schweißvorgangs mit einer begrenzten Kraft an den zu verschweißenden Metallteilen (3) anliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rührreibschweißwerkzeug (1) und der Aufsatz (2) in axialer Richtung des Rührreibschweißwerkzeugs (1) über eine Nut-Feder-Führung aneinander gekoppelt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufsatz (2) einen zweiseitig offenen Hohlkörper ausbildet, dessen Mantel das Rührreibschweißwerkzeug (1) umgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufsatz (2) die Form einer Glocke oder eines Hohlzylinders aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die begrenzte Kraft die Eigengewichtskraft des Aufsatzes (2) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die begrenzte Kraft durch eine oder unter Mitwirkung einer auf den Aufsatz (2) wirkenden Andruckfeder (9) entsteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die begrenzte Kraft auf den Aufsatz (2) durch eine oder unter Mitwirkung einer krafterzeugenden hydraulischen, elektromagnetischen, elektromotorischen, pneumatischen oder mechanischen Einrichtung entsteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufsatz (2) während eines Schweißvorgangs mit einer, von der Schweißkraft unabhängig geregelten Kraft an den zu verschweißenden Metallteilen (3) anliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufsatz (2) an seiner an den zu verschweißenden Metallteilen (3) anliegenden Unterseite, eine Strukturierung aufweist, die anfallende Späne und Grate abschert und wegfördert.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass er Aufsatz (2) mindestens eine spanbrechende Kante aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufsatz (2) harte Borsten (10) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Borsten (10) aus Metall bestehen.