DE102018111496A1

DE102018111496A1 - Gegenhalter, Vorrichtung und Verfahren zum Rührreibschweißen

Info

Publication number: DE102018111496A1
Application number: DE102018111496.6A
Authority: DE
Inventors: Martin Werz; Stefan Weihe; Florian Panzer
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2018-05-14
Filing date: 2018-05-14
Publication date: 2019-11-14
Anticipated expiration: 2038-05-15
Also published as: DE102018111496B4; US20200016686A1; CN110480152A; US11407060B2

Abstract

Es wird ein Gegenhalter zum Rührreibschweißen dargestellt, der es ermöglicht, trotz einer sehr kompakten Bauweise auch sehr lange Schweißnähte durch Rührreibschweißen herzustellen. Es können gekrümmte Bauteile und nicht geradlinig verlaufende Schweißnähte ebenfalls erzeugt werden.

Description

Mit dem 1991 am TWI erfundenen Rührreibschweißen lassen sich insbesondere flächige Bauteile fügen, ohne diese aufzuschmelzen. Dies führt bei korrekter Wahl der Schweißparameter zu hochfesten Schweißverbindungen und sehr geringem Verzug der gefügten Bauteile.
Ein weiterer Vorteil des Rührreibschweißens ist, dass auch Werkstoffe mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen im festen Zustand verbunden werden können und dabei die Bildung spröder und festigkeitsreduzierender, intermetallischer Phasen vermieden werden kann.
Ein Nachteil des Rührreibschweißens sind jedoch die hohen Prozesskräfte (Zustellkraft und Vorschubkraft). Daraus resultiert bei den meisten Anwendungen die Notwendigkeit auf der dem Werkzeug zum Rührreibschweißen gegenüberliegenden Seite des Bauteils einen Gegenhalter mit Badstütze vorzusehen, welcher die Kräfte aufnimmt. Der Gegenhalter und die Badstütze müssen an die Geometrie der zu fügenden Bauteile angepasst sein.
Insbesondere bei Bauteilen mit gekrümmter Oberfläche, oder bei schon geringfügig von einer Geraden abweichenden Schweißnahtverläufen kann die Geometrie des benötigten Gegenhalters komplex werden. Besonders bei langen Nähten und bei der Verbindung von großen Teilen wie z.B. bei der Montage einer Automobilkaroserie würden große und damit sehr teure Gegenhalterkonstruktionen benötigt. Auch die zugehörigen 5-Achs-Rührreibschweißmaschinen wären sehr groß und sehr teuer.
Aus ökonomischer Sicht ist es daher heute nicht darstellbar, den Rührreibschweißprozess zum Fügen von großen und gekrümmten Bauteilen mit einer langen und durchgehenden Schweißnaht einzusetzen.
Bei der aus der US 2017/0120373 A1 bekannten Lösung, wird als Gegenhalter eine senkrecht zur Rotationsrichtung des Werkzeugs rotierende Walze eingesetzt. Dadurch wird der Kraftfluss innerhalb der Rührreibschweißzange geschlossen; dies hat jedoch den Nachteil, dass die Walze einen sehr großen Durchmesser aufweisen muss, um als Gegenhalter für ein flaches oder nur mäßig gekrümmtes Blech bzw. Bauteil dienen zu können.
Ein weiterer Lösungsansatz ist aus der US 8 033 443 B1 bekannt. Dabei wird als Gegenhalter eine miniaturisierte Raupenkette vorgeschlagen. Bei dieser Lösung kann Werkstoff zwischen die einzelnen Raupenglieder eindringen, so dass diese schwergängig werden und gereinigt werden müssen. Der Werkstoff der ggf. zwischen die Segmente eindringt führt zu einer sehr schlechten Oberflächenqualität auf der Unterseite der Schweißnaht. Darüber hinaus ist die Lagerung der einzelnen Glieder der Raupenkette aufwändig bzw. führt zu entsprechend hoher Reibung.
Mit diesen Gegenhaltern werden lange Schweißnähte in einem Rührreibschweißvorgang hergestellt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gegenhalter, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Rührreibschweißen bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeiden. Insbesondere soll das wirtschaftliche Fügen von langen und/oder gekrümmten Bauteilen ermöglicht werden.
Die Schweißvorrichtung bzw. das Verfahren muss robust sein, sodass eine hohe Anzahl an Schweißungen durchgeführt werden kann, bevor eine Wartung, Reinigung oder Instandhaltung notwendig wird. Darüber hinaus muss die Schweißvorrichtung so kompakt ausgeführt sein, dass die Vorrichtung nicht mit den zu fügenden Bauteilen oder anderen Haltevorrichtungen kollidiert bzw. sich überschneiden würde.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Gegenhalter nach Anspruch 1, eine Vorrichtung nach Anspruch 14 und das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 19.
Durch den erfindungsgemäßen Gegenhalter ist es möglich, kurze Steppnähte herzustellen und aus einer Vielzahl von zusammenhängenden Steppnähten die gewünschte lange Schweißnaht zu erzeugen. Dieses Verfahren hat unter anderem folgende Vorteile:
Der erfindungsgemäße Gegenhalter baut sehr kompakt. Er ist unter anderem deshalb relativ kostengünstig herstellbar.
Er muss nicht individuell für jedes Bauteil angefertigt werden. Vielmehr kann ein Gegenhalter zum Fügen einer Vielzahl verschieden geformter Bauteile eingesetzt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Gegenhalter muss die Badstütze in Vorschubrichtung nur etwa so lang oder etwas länger als eine (relativ) kurze Stepp-Schweißnaht sein; daraus resultiert eine sehr kompakte Bauweise. Trotzdem kann durch das übergangslose Aneinanderfügen einer Vielzahl kurzer Stepp-Schweißnähte eine beliebig lange gerade oder gekrümmte Schweißnaht erzeugt werden.
Der erfindungsgemäße Gegenhalter umfasst ein Basisteil und eine Badstütze, wobei zwischen Badstütze und Basisteil Führungsmittel mindestens einem Freiheitsgrad angeordnet sind, welche eine durch zwei Endlagen begrenzte Bewegung der Badstütze relativ zu dem Basisteil ermöglichen.
Im Sinne der Erfindung wird als Bewegung mit einem Freiheitsgrad eine Bewegung entlang einer Geraden oder einer gekrümmten Linie verstanden. Eine bevorzugte gekrümmte Linie ist ein Kreissegment. Weil erfindungsgemäß die Bewegung der Badstütze durch zwei Endlagen begrenzt wird, kann die Badstütze des erfindungsgemäßen Gegenhalters entweder eine gerade Strecke zwischen den beiden Endlagen zurücklegen oder ein Kreissegment zwischen zwei Endlagen zurücklegen. Einen geschlossenen Kreis kann die erfindungsgemäße Badstütze nicht zurücklegen, weil ihre Bewegung durch zwei Endlagen limitiert ist. In der Praxis hat es sich oft als ausreichend erwiesen, wenn das Kreissegment maximal ein Achtel, ein Zehntel oder ein Zwölftel eines Kreises einschließt (45°, 36°, 30°, 20° oder 10°). In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Schlitten sich entlang einer Geraden oder entlang einer gekrümmten Linie, bevorzugt entlang einer Kreisbahn, zwischen der ersten und der zweiten Endlage bewegen.
Alternativ ist es auch möglich, dass die Führungsmittel ein Basisteil und einen Lenker umfassen, wobei der Lenker drehbar mittels eines Lagers an dem Basisteil gelagert ist, wobei die Badstütze an einem dem Lager gegenüberliegenden Ende angeordnet ist und die Badstütze eine gekrümmte Kontur, insbesondere eine kreisbogenförmige oder evolventenförmige Kontur, aufweist. Bei dieser Ausführungsform eines Führungsmittels wird der Lenker und mit ihm die Badstütze um das Lager geschwenkt. Auch hier ist die Schwenkbewegung des Lenkers durch zwei Endanschläge begrenzt. Die Badstütze, welche sich an einem dem Lager gegenüberliegenden Ende des Lenkers befindet, macht demzufolge eine Kreisbewegung zwischen den Endlagen. Insbesondere kann die Kontur eine kreisförmige Kontur sein. Dabei müssen der Mittelpunkt der kreisförmigen Kontur und der Drehpunkt des Lenkers nicht zusammenfallen. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, einen Teil der für das Fügen erforderlichen Vorschubkraft aus der ohnehin vorhandenen Zustellkraft zu „erzeugen“.
Der Gegenhalter ist sehr einfach aufgebaut und extrem robust.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung können die Führungsmittel zwei oder mehr parallel zueinander angeordnete Lenker sowie ein Oberteil umfassen. Die Lenker sind an einem ersten Ende in dem Basisteil gelagert und das Oberteil ist an einem zweiten Ende der Lenker drehbar gelagert. Die Badstütze wiederum ist auf dem Oberteil angeordnet. Auch hier macht die Badstütze eine kreisbogenförmige Bewegung, wenn sich die Badstütze von der ersten Endlage zur zweiten Endlage bewegt. Eine fertigungstechnisch sehr elegante Form sieht vor, dass das Basisteil, Lenker und Oberteil aus einem Stück hergestellt werden. Dann können die Lager zwischen den Lenkern und dem Basisteil bzw. dem Oberteil als Festkörpergelenke ausgeführt sein. Die Relativbewegung zwischen Oberteil und Basisteil erfolgt letztendlich durch die Elastizität der Bauteile. Der Weg, den das Oberteil relativ zu dem Basisteil zurücklegen kann, muss so begrenzt werden, dass es nicht zu einer bleibenden Verformung der Lenker kommt. Um dies sicher zu gewährleisten, können auch bei diesem Ausführungsbeispiel zwei die Endlagen definierende Anschlagpunkte die Relativbewegung von Oberteil zum Basisteil wirksam begrenzen.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Länge L der Badstütze größer oder etwa gleich einem Abstand S der beiden Endlagen der Badstütze ist. Dann ist gewährleistet, dass das Bauteil unabhängig von der Position der Badstütze während der gesamten Bewegung der Badstütze von einer Endlage zur anderen Endlage von der Badstütze gestützt wird.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung weist der erfindungsgemäße Gegenhalter Rückstellmittel auf, welche bei Bedarf die Badstütze in eine erste Endlage bringen.
Diese Rückstellmittel können im einfachsten Fall eine Rückholfeder sein. Alternativ ist es auch möglich aktiv beeinflussbare Rückstellmittel einzusetzen, um den Gegenhalter samt Badstütze in jede gewünschte Position zwischen den beiden Endlagen bringen zu können.
Dieser Antrieb kann gleichzeitig auch dazu eingesetzt werden, um einen Teil der Vorschubkraft aufzubringen.
Insbesondere, wenn der Gegenhalter mit einer Rückholfeder ausgestattet ist, dann ist eine Arretiervorrichtung, beispielsweise in Form einer einfachen Bremse, vorteilhaft, welche es erlaubt, die Badstütze in einer vorgegebenen Position, beispielsweise der ersten Endlage, zu arretieren. Selbstverständlich muss diese Bremse auch lösbar sein, so dass, wenn der eigentliche Schweißvorgang beginnt, eine Relativbewegung zwischen Badstütze und Basisteil des Gegenhalters möglich ist. An diese Arretiervorrichtung werden nur sehr geringe Anforderungen gestellt. Sie soll lediglich das ungewollte „Verrutschen“ der Badstütze - insbesondere während des Eintauchvorgangs des Rührreibschweißwerkzeugs in die zu verschweißenden Bauteile - verhindern. Dem Fachmann ist es ohne weiteres möglich, bei Bedarf eine geeignete konstruktive Lösung für eine solche Arretiervorrichtung zu finden.
Prinzipiell kann als Arretiervorrichtung auch eine entsprechend vorgespannte Feder insbesondere in Kombination mit einer Kniehebelkinematik dienen.
Die Ansprüche 4 bis 6 werden im Zusammenhang mit den 3 bis 5 noch näher erläutert. Durch das Anstellen der Badstütze relativ zu einer Vorschubrichtung (X-Achse) der Rührreibschweißvorrichtung, kann ein Teil der durchaus erheblichen Vorschubkraft während des Schweißvorgangs durch Umlenken der Zustellkraft (in die x-Achse) aufgebracht werden.
Dann verläuft die Zustellkraft nicht mehr orthogonal zu der Vorschubrichtung. Deshalb ergibt sich eine Kraftkomponente der Zustellkraft in Vorschubrichtung. Der Betrag dieser Kraftkomponente hängt davon ab, wie weit der Anstellwinkel von einem rechten Winkel abweicht. Durch die „Nutzung“ einer Kraftkomponente der Zustellkraft in Vorschubrichtung wird die die Handhabungseinrichtung bzw. ein Industrieroboter, welcher die Vorschubkraft aufbringen muss, entlastet wird. Daher kann die Handhabungseinrichtung kleiner dimensioniert sein und ist daher kostengünstiger. Sie kann sogar vollständig entfallen, wenn das Werkstück manuell gehandhabt wird.
Bei allen diesen Ausführungsformen ist es jedoch so, dass dann während des Schweißvorgangs eine Zustellbewegung kontinuierlich erfolgen muss, da sonst die Anpresskraft zwischen Werkzeug und Bauteil mit zunehmender Bewegung der Badstütze in Richtung der zweiten Endlage abnehmen würde. Kurz gesagt, wird also dadurch eine Vereinfachung bzw. werden durch das Anstellen die Anforderungen an einen Industrieroboter reduziert. Gleichzeitig muss die Steuerung des Schweißvorgangs eine kontinuierliche Zustellung realisieren.
Der Anstellwinkel A hat auch technologische Gründe insofern, als durch einen kleinen Anstellwinkel im Bereich von 1° bis 3°, die Güte der Schweißnaht verbessert werden kann. Es liegt auf der Hand, dass durch eine solche geringe Schrägstellung nur ein geringer Teil der Zustellkraft in eine Vorschubkraft umgelenkt wird. Daher sieht das Ausführungsbeispiel gemäß der 5 eine sehr deutliche Schrägstellung zwischen der Oberfläche der Badstütze und der Linearführung vor. Diese Schrägstellung ist sehr viel größer als der gewünschte Anstellwinkel. Um im Ergebnis zu dem gewünschten Anstellwinkel zu gelangen, ist die Basis des Gegenhalters gegenüber der Vorschubrichtung in entgegengesetzter Richtung, jedoch mit geringerem Betrag, schräggestellt, so dass sich aus der Differenz der beiden Keilwinkel zwischen Badstütze und Linearführung einerseits und der Linearführung und der Vorschubrichtung andererseits der gewünschte Anstellwinkel A ergibt.
Gemäß der Ausführungsform nach Anspruch 9 umfasst der Gegenhalter eine Dreheinrichtung, wobei die Dreheinrichtung bei Bedarf die Badstütze um eine Achse dreht, die zumindest näherungsweise parallel zu der Drehachse des Werkzeugs oder orthogonal zur Vorschubrichtung x und anders ausgedrückt, kann die Drehachse der Dreheinrichtung auch orthogonal zu der Vorschubrichtung x verlaufen.
Durch diese Dreheinrichtung ist es möglich, auch gekrümmte lange Schweißnähte herzustellen, indem zwischen dem Schweißen von zwei kurzen Steppnähten die Badstütze relativ zu dem Werkstück gedreht wird. Weil bei dem anschließenden Fügevorgang die Vorschubrichtung und der Freiheitsgrad des Gegenhalters bzw. der Badstütze parallel zueinander verlaufen müssen, wird im Ergebnis die Steppnaht, welche nach dem Drehen der Badstütze vorgenommen wurde, eine andere Richtung haben als die zuvor hergestellte Steppnaht. Im Ergebnis lassen sich somit gekrümmte Schweißnähte als Aneinanderreihung verschiedener kurzer gerader Steppnähte zusammengesetzt werden.
Die erfindungsgemäßen Vorteile werden auch durch eine Vorrichtung zum Rührreibschweißen gemäß Ansprüchen 14 bis 18 erzielt.
Die Aufnahme des Werkzeugs zum Rührreibschweißen und der Gegenhalter sind auf gegenüberliegenden Seiten des zu fügenden Bauteils angeordnet. Es ist nun möglich, die Spindel und das Werkzeug zum Rührreibschweißen (Vorrichtung zum Rührreibschweißen) und den Gegenhalter an einem beispielsweise C-förmigen Gestell anzuordnen. Dieses C-förmige Gestell kann eine mechanische Schnittstelle aufweisen, so dass ein Industrieroboter dieses C-förmige Gestell und mit ihm die Vorrichtung zum Rührreibschweißen und den erfindungsgemäßen Gegenhalter relativ zu einem fest eingespannten Bauteil bewegen kann.
Die Vorrichtung/das Gestell nimmt dabei alle oder zumindest wesentliche Teile der Prozesskräfte auf. Der Kraftschluss in Zustellrichtung wird hierbei von der Vorrichtung bzw. dem Gestell aufgenommen. Ein Handhabungssystem wie z.B. ein Knickarm-Industrieroboter muss daher im Wesentlichen nur das Gewicht der Vorrichtung und ggf. vom Betrag her untergeordnete, aus den Prozesskräften resultierende Kräfte (Maximal 30% insbesondere maximal 10% des Betrags der Axial- bzw. Zustellkraft) oder Momente aufnehmen. Geringe Momente können z.B. aus der Vorschubkraft und ggf. Dicke der zu verschweißenden Werkstücke sowie dem Krafteinleitungspunkt der Vorrichtung herrühren.
Die Vorrichtung wird während des Schweißens längs der Schweißnaht relativ zu dem oder den Werkstücken mittels eines Handhabungssystems bewegt. Alternativ kann das Werkstück während des Schweißvorgans relativ zur Vorrichtung durch ein Handhabungssystem bewegt werden oder eine manuelle Führung des Werkstücks durch einen Werker erfolgen.
In weiterer Ergänzung weist die Vorrichtung einen Halter für das zu fügende Bauteil auf. Dabei ist vorgesehen, dass der Halter in Vorschubrichtung relativ zu der Spindel und dem Gegenhalter verfahrbar ist. Dabei ist es unerheblich, ob der Halter ortsfest ist und Spindel und Gegenhalter sich während des Fügevorgangs bewegen oder ob Spindel und Gegenhalter ortsfest sind und der Halter und mit ihm das zu fügende Bauteil während des Fügevorgangs relativ verfahren werden.
Die erfindungsgemäßen Vorteile werden weiter realisiert durch ein Verfahren gemäß Anspruch 19. Man geht aus von einem erfindungsgemäßen Gegenhalter und setzt eine lange Schweißnaht aus mehreren kurzen Steppnähten zusammen. Es umfasst die Schritte a) bis f), welche im Zusammenhang mit der 12 noch näher erläutert werden.
Als Schweißvorrichtung wird eine Zange bzw. eine Vorrichtung verwendet, sodass der Kraftfluss wenigstens oder der Axialkraft (wenigstens im Wesentlichen) geschlossen ist. Entweder wird die Zange vorzugsweise mit einem Roboter geführt oder sie ist stationär und das bzw. die Bauteile werden z.B. durch einen Roboter durch die Zange geschoben. Der Gegenhalter ist im Gegensatz zum Stand der Technik ein im Vergleich zum Bauteil kurzes Stück, das über eine Führung, einen kurzen Weg zurücklegen kann. Die Führung kann eine Linearführung sein, eine Bogenführung, eine Flächenführung oder eine rotarische Führung mit einem oder zwei Freiheitsgraden.
Die Führung zur Bewegung des Gegenhalters quer zur Rotationsachse des Werkzeugs ist vorzugsweise auf der dem Werkzeug abgewandten Seite angeordnet. Somit wirkt die Axialkraft immer im gleichen Punkt vorzugsweise in der Mittelebene der Zange. Durch diese Anordnung können zusätzliche Biege- oder Torsionsmomente die aus einem Abstand der Axialkraft von der Mittelebene der Zange resultieren würden vermieden oder reduziert werden. Folglich ergibt sich eine von der Position des Gegenhalters nahezu unabhängige, gleichbleibend hohe Steifigkeit.
Figurenliste
Es zeigen:

1: eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Rührreibschweiß-Zange;
2: eine schematische Seiten- und Vorderansicht der Rührreibschweiß-Zange gemäß 1;
3: eine schematische Vorderansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rührreibschweiß-Zange mit schräggestelltem Führungsschlitten;
4: eine schematische Vorderansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rührreibschweiß-Zange mit schräggestelltem Führungsschlitten;
5: eine schematische Vorderansicht einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rührreibschweiß-Zange mit schräggestelltem Führungsschlitten;
6: eine schematische Vorderansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rührreibschweiß-Zange bogenförmigem/gekrümmtem Gegenhalter;
7: eine schematische Vorderansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rührreibschweiß-Zange mit einer Rotationseinheit zwischen Zange und Gegenhalter;
8 und 9: weitere Ausführungsformen erfindungsgemäßer Gegenhalter;
10: eine Isometrie einer an einem Industrieroboter angeordneten erfindungsgemäßen Rührreibschweiß-Zange; und
11: den Ablauf eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Rührreibschweißen, die als Schweißzange 1 ausgebildet ist; sie wird nachfolgend auch als Zange 1 bezeichnet.
Die Zange 1 umfasst ein C-förmiges Gestell 3, welches eine Werkzeugseite 4 und eine Gegenhalterseite 5 so verbindet, dass beide Seiten einander gegenüber liegen. Das C-förmige Gestell 3 der Zange 1 stellt den Kraftschluss zwischen den beiden Seiten 4 und 5 her. Ein Freiraum 9 in dem Gestell 3 ist so bemessen, dass mindestens eines der zu verbindenden Bauteile zumindest teilweise darin Platz findet.
Die Erfindung betrifft vor allem den Gegenhalter und weniger die auf der Werkzeugseite 4 befindlichen Komponenten. Daher werden letztere nur relativ kurz beschrieben. Das Gestell 3 weist eine (mechanische) Schnittstelle 7 auf. Über die Schnittstelle 7 wird die Zange 1 mit einem Industrieroboter oder einem sonstigen Handhabungssystem verbunden und geführt (siehe 10). Alternativ kann die Zange 1 über die Schnittstelle 7 auch mit einer Haltevorrichtung verbunden und ortsfest gehalten werden. Dann muss das zu fügende Bauteil 21 während des Schweißvorgangs von einem Industrieroboter oder manuell relativ zu der Zange 1 in Vorschubrichtung (X-Achse) bewegt werden.
Zwischen der Schnittstelle 7 und dem Gestell 3 oder zwischen Schnittstelle 7 und dem Handhabungssystem kann sich optional eine Kraftmesseinrichtung 8 befinden. Diese Kraftmesseinrichtung 8 kann so ausgeführt sein, dass sie die an dieser Stelle wirkenden Kräfte und Momente teilweise oder vollständig messen kann; in der Regel reicht es aus, wenn drei (linear unabhängige) Kräfte und bis zu drei (linear unabhängige) Momente) erfasst werden. Diese Kraft- und Momenteninformationen können und werden in der Regel zur Steuerung der Bewegung des Roboters verwendet. Die Steuerung soll bevorzugt so erfolgen, dass in Zustellrichtung außer den Prozesskräften keine zusätzliche Beanspruchung auf das zu fügende Bauteil wirkt.
Insbesondere aus der elastischen Verformung des Handhabungssystems oder aus Toleranzen senkrecht zur Fügerichtung resultierende Positionsabweichungen kann durch eine Kraftregelung ausgeglichen werden.
Bei einer entsprechenden Regelung kann auch die Gewichtskraft und die daraus entstehenden Momente der gesamten Vorrichtung berücksichtigt werden.
An der Werkzeugseite 4 sind eine angetriebene Spindel 11 mit einer Werkzeugaufnahme (ohne Bezugszeichen), ein Antrieb 13 (in der Regel ein drehzahlgeregelter Elektromotor) und optional eine erste (Linear-)Führung 15 mit Aktuator vorgesehen.
Zur Bestimmung der Kräfte sowie der Position in Zustellrichtung können ein Kraftmesssensor 14 und/oder ein Positionssensor 16 in der Nähe der Führung 15 mit Aktuator vorhanden sein. Diese Sensoren 14, 16 können in die Führung bzw. den Aktuator integriert sein oder als separate Einheiten Kraftmesseinrichtung 14 und Wegmessseinrichtung 16 ausgebildet sein. Deren Messwerte dienen dann der Steuerung und oder Regelung des Rührreibschweißvorgangs. Die Messwerte werden an eine elektronische Regel- und/oder Steuervorrichtung (nicht dargestellt) übergeben.
In der Spindel 11 ist ein Werkzeug 17 zum Rührreibschweißen aufgenommen. Das Werkzeug 17 umfasst einen Zapfen 18, der von der Spindel 11 bzw. dem Antrieb in Drehung versetzt wird.
Das Werkzeug 17 umfasst weiter eine Schulter 20, welche als Anlagefläche des Werkzeugs 17 auf dem zu fügenden Bauteil 21 dient. In 11 a) ist das Werkzeug 17 besser sichtbar. Dort sind Zapfen 18 und Werkzeugschulter 20 gut zu erkennen.
Das Werkzeug 17 kann auch mit einer „stehenden“ (d. h. nicht rotierenden) Werkzeugschulter 20 ausgebildet sein. Dann rotiert nur der Zapfen 18. Dadurch entstehen besonders glatte Schweißnähte.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mit mehrteiligen Werkzeugen 17 zum Rührreibschweiß kombiniert werden, die in der Lage sind, den beim Eintauchen des Zapfens 8 in das Bauteil 21 zu Beginn des Fügevorgangs „verdrängten“ Werkstoff aufzunehmen und/oder den beim Ausfahren des Zapfens 18 am Ende des Fügevorgangs entstehenden Krater mit dem zuvor aufgenommenen Werkstoff ganz oder teilweise aufzufüllen.
Die gezeigte Linearführung 15 bzw. der zugehörige Aktuator ermöglicht eine (Zustell-)Bewegung der Spindel 11 in Richtung einer Z-Achse, d. h. in Richtung zur Gegenhalterseite 5 und zurück.
Die Linearführung 15 und der zugehörige Aktuator sowie die Messeineinrichtungen 14, 16 können auch an der Gegenhalterseite 5 angeordnet sein und in entsprechender Weise einen erfindungsgemäßen Gegenhalter 19 in Richtung der Z-Achse bewegen.
Der Aktuator kann ein Hydraulik- oder Pneumatikzylinder, ein Zahnstangenantrieb, eine Gewindespindel, ein Piezo-Aktuator oder ein anderer geeigneter Linearantrieb sen.
Das Gestell 3 kann auch zwei- oder mehrteilig ausgeführt sein, so dass zum Ein- und Ausführen eines zu bearbeitenden Bauteils der Abstand zwischen der Spindel 11 bzw. dem Werkzeug 17 und dem Gegenhalter 19 temporär vergrößert werden kann.
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel bieten die Linearführung 15 und der zugehörige Aktuator genügend Verfahrweg, um das Werkzeug 17 bzw. die Spindel 11 so weit vom Gegenhalter 19 wegzubewegen, dass ein zu verschweißendes Bauteil 21 zumindest teilweise hindurchpasst. Das zu verschweißende Bauteil besteht in dem dargestellten Beispiel aus zwei Blechen 21.1 und 21.2.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Linearführung 15 und der zugehörige Aktuator nicht nur zu dem oben beschriebenen „Öffnen“ und „Schließen“ der Zange 1 eingesetzt. Sie werden bevorzugter Weise auch dazu verwendet das Werkzeug 17 beim Schweißen so weit in (negativer) Richtung der Z-Achse zuzustellen, dass der rotierende Werkzeug-Pin 17 in das Bauteil 21 eindringt und die (Werkzeug-)Schulter 20 auf der Oberfläche des Bauteils 21 aufliegt. Außerdem bringt der Antrieb die Zustellkraft auf.
Als Aktuator können Hydraulikzylinder, Pneumatikzylinder, Linearmotoren, Kugelumlaufspindeln, Gewindetriebe, Piezo-Aktuatoren etc. eingesetzt werden.
Die 2 zeigt etwas vergrößert die Spindel 11, den Antrieb 13, die Linearführung 15 mit Aktuator, das Werkzeug 17 und den Gegenhalter 19 in zwei Ansichten (Seitenansicht und Vorderansicht) .
Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Gegenhalter 19 Führungsmittel in Form einer (zweiten) Linearführung 23 und eine Badstütze 25. Die Badstütze 25 stützt das Bauteil 21 ab und nimmt die von der Spindel 11 in (negativer) Richtung der Z-Achse auf das Bauteil 21 ausgeübte (Zustell-)Kraft auf. Die Badstütze 25 kann zumindest im Bereich der Enden leicht gekrümmt oder verrundet sein, um Abdrücke der Badstütze 25 an der dem Werkzeug 17 abgewandten Unterseite des Bauteils 21 zu vermeiden.
Die Linearführung 23 umfasst ein Basisteil 27 und einen Schlitten 29, wobei das Basisteil 27 mit dem Gestell 4 verbunden ist, und der Schlitten 29 relativ zu dem Basisteil 27 bewegbar ist. Die Linearführung 23 ermöglichen eine Relativbewegung zwischen Schlitten 29 und Basisteil 27 in (Vorschub-)Richtung (Z-Achse). Die Position des Schlittens 29 kann optional durch ein Wegmesssystem 24 ermittelt werden.
Die Linearführung 23 kann so ausgebildet sein, dass die die Badstütze 25 entlang einer geraden oder gekrümmten, insbesondere kreisbogenförmigen Linie zwischen zwei Endlagen führt. Beides sind Linearführungen im Sinne der Erfindung, weil der Schlitten 29 nur einen Freiheitsgrad hat: er kann nur in Richtung einer geraden oder gekrümmten Linie zwischen den durch Endanschläge vorgegebenen Endlagen hin- und her bewegt werden.
Wenn der Schlitten 29 als Kreissegment (nicht dargestellt) ausgebildet ist, dann führen Schlitten 29 und Basisteil 27 eine Bewegung entlang einer Kreisbahn aus, deren Mittelpunkt auf der Gegenhalterseite 4 in der Verlängerung einer Drehachse der Spindel 11 oder zumindest in deren Nähe liegt.
Bei beiden Ausführungsformen ist die Relativbewegung zwischen Schlitten 29 und Basisteil 27 durch einen ersten Endanschlag und einen zweiten Endanschlag in beiden Richtungen begrenzt. Die Endanschläge sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Die Badstütze 25 des Gegenhalters 19 ist bei der dargestellten Ausführungsform direkt auf dem Schlitten 29 angeordnet. Schlitten 29 und Badstütze 25 können auch in ein Bauteil integriert sein.
In der gezeigten Ausführung ist der Basisteil 27 der zweiten Linearführung 23 starr mit dem Grundgestell 3 verbunden und hat keinen Antrieb.
Es ist auch möglich, dass ein Antrieb zum hin und oder herBewegen des Schlittens 25 in Richtung der X-Achse vorgesehen ist.
Der erfindungsgemäße Gegenhalter 19 umfasst nicht dargestellte Rückstellmittel, welche den Schlitten 25 in die in der 2 dargestellte erste Endlage bringen können. Die Rückstellmittel können als Rückholfeder oder in Form eines Antriebs ausgebildet sein.
Aus technologischen Gründen ist es häufig von Vorteil, wenn die Drehachse der Spindel 11 nicht unter einem Winkel von 90° auf die Oberfläche des Bauteils 21 trifft bzw. diese durchdringt. Die Abweichung dieses Winkels von 90° wird als Anstellwinkel a bezeichnet.
Ein solcher von null verschiedener Anstellwinkel a kann, wie bei herkömmlichen Rührreibschweißmaschinen, durch eine Neigung oder Schrägstellung der Spindel 11 um einen Winkel von 0,5 bis 5° erreicht werden.
Es ist jedoch aus Gründen des Kraftflusses und der Symmetrie und der Steifigkeit der Zange 1 besonders günstig, wenn diese Schrägstellung (zumindest teilweise) auf der Gegenhalterseite 5 realisiert wird.
In den 3 bis 5 werden verschiedene Varianten der Realisierung eines Anstellwinkels a zwischen Drehachse der Spindel 11 und dem Bauteil 21 mit Hilfe des erfindungsgemäßen Gegenhalters 16 dargestellt.
Dies kann insbesondere dadurch geschehen, dass der Schlitten 29 um den gewünschten Anstellwinkel a gegenüber der Vorschubrichtung (X-Achse) geneigt angebracht wird. In der 3 ist ein Pfeil dargestellt, der die Vorschubrichtung darstellt, und der Anstellwinkel a eingezeichnet.
In 3 wird die Schrägstellung des Bauteils 21 dadurch erreicht, dass ein erster Keil 33 zwischen dem unteren Teil der Zange und dem Führungsschlitten der (Linear-)Führung eingesetzt wird. Es ist natürlich auch möglich, die gewünschte Neigung durch eine entsprechende Neigung der Unterseite des Basisteils 27 oder eine geneigte Kontaktfläche des Grundgestells 3 zu realisieren (nicht dargestellt). Ein separater Keil 33 hat den Vorteil, dass er einfach auswechselbar ist, so dass die Schrägstellung des Schlittens 29 bei Bedarf verändert werden kann.
Diese Variante hat den weiteren Vorteil, dass der Abstand zwischen Werkzeug 17 und Badstütze 25 über die Länge der einzelnen Stepp- oder Teil-Schweißnaht eine zumindest annähernd konstant ist, so dass eine Regelung oder Steuerung der Zustellbewegung der ersten Linearführung 15 während des Schweißvorgangs nicht erforderlich ist.
Eine Alternative hierzu ist in 4 dargestellt. Bei dieser Version ist ein zweiter Keil 35 zwischen dem Schlitten 29 und der Badstütze 25 angeordnet. Vorteil dieser Anordnung ist, dass aufgrund der Zustellkraft des Werkzeugs 17 und der Neigung der Badstütze 25 eine in Vorschubrichtung (X-Achse) wirkende Kraft F_Vorschub entsteht. $F_{Vorschub} = Sinus (a) {*F}_{Zustell}$
Mit:

a: Neigungs-oder Anstellwinkel
F_Zustell: Zustellkraft der Spindel 11 in Richtung der z-Achse.

Die Vorschubkraft F_Vorschub wirkt auf das Bauteil 21 und verringert somit die Vorschubkraft, die ggf. vom Industrieroboter oder einem andere Handhabungssystem zwischen Werkstück 21 und der Vorrichtung zum Rührreibschweißen aufgebracht werden muss.
In 5 wird eine weitere Alternative dargestellt, welche diesen Effekt noch stärker ausnutzt, indem ein zweiter Keil 35 zwischen Schlitten 29 und Badstütze 25 eingesetzt wird, dessen Keilwinkel über den gewünschten Anstellwinkel a hinaus deutlich vergrößert wird; zum Beispiel auf 15° bis 30°.
Der zwischen Gestell 3 und Basisteil 27 eingesetzt erste Keil 33 hat einen dem Keilwinkel des zweiten Keils 35 entgegengesetzt wirkenden Keilwinkel, der um den Betrag des Anstellwinkels a kleiner ist als der Keilwinkel des zweiten Keils 35. Die Differenz der beiden Keile 35, 33 ergibt den gewünschten Anstellwinkel a, der in der Regel in einem Bereich von 0,5° bis 5° liegt.
Formelmäßig kann dieser Sachverhalt wie folgt ausgedrückt werden.
Anstellwinkel a = Keilwinkel b des zweiten Keils 35 - Keilwinkel c des ersten Keils 33.
Durch die gegensinnig angeordneten Keile 33, 35 kann über den Keilwinkel des zweiten Keils 35 der Betrag der Vorschubkraft F_Vorschub gesteuert werden. So kann für jeden Fügevorgang die Vorschubkraft in Abhängigkeit von Eigenschaften des Bauteils 21, der Vorschubgeschwindigkeit und/oder anderer Parameter eingestellt werden.
Der Keilwinkel b des zweiten Keils 35 kann insbesondere 4° bis 45°, 5° bis 20°, oder 6° bis 15° betragen. Die Keile 33 und 35 können als separate Bauteile ausgeführt sein, aber auch in das Gestell 3, das Basisteil 29, den Schlitten 19 oder die Badstütze 25 integriert sein. Die 3 bis 5 dienen zur Veranschaulichung der Merkmale der Ansprüche 4 bis 6.
Vor allem bei den Ausführungsbeispielen gemäß der 3 bis 5 mit einem Anstellwinkel a ungleich null entsteht, noch während das Werkzeug 17 zugestellt wird und der Zapfen 18 in das Bauteil 21 eindringt, eine zu diesem Zeitpunkt unerwünschte „Ausweich“-Bewegung der Badstütze 25 in Vorschubrichtung (X-Achse). Daher ist es vorgesehen, eine Arretiervorrichtung 37 an dem Gegenhalter 19 vorzusehen, welche die o. g. „Ausweich“-Bewegung unterbindet, bis die Zustellbewegung abgeschlossen und das Werkzeug 17 mit seiner Schulter 20 auf dem Bauteil 21 aufliegt.
Anschließend wird die Arretiervorrichtung 37 gelöst und die Vorschubbewegung beginnt.
In der 5 ist eine solche Arretiervorrichtung 37 nur schematisch dargestellt. Die Anforderungen an die Arretiervorrichtung 37 sind relativ niedrig, so dass eine detaillierte Erläuterung der Funktionsweise entbehrlich ist.
Nach jedem Teil-Schweißvorgang, wenn die Badstütze 25 und der Schlitten 29 die zweite Endlage erreicht haben, werden die Badstütze 25 und der Schlitten 29, wie bereits erwähnt, vorzugsweise durch eine Rückholfeder 38 (siehe 5) oder andere Mittel in die erste Endposition gebracht.
Um eine Relativbewegung zwischen Bauteil 21 und Badstütze 25 zu ermöglichen, muss die Zustellkraft F_Zustell so stark reduziert werden, so dass die Haftreibung zwischen Bauteil 21 und Badstütze 25 stark reduziert oder aufgehoben wird und die Badstütze 25 samt Schlitten 29 gewissermaßen „unter“ dem Bauteil 21 in die erste Endposition gleiten kann. Dies wird erreicht indem das Werkzeug 17 und die Spindel 11 eine kleine Bewegung entgegen der Zustellbewegung ausführt.
Alternativ zur Arretiervorrichtung 37 und der Rückholfeder 38 kann auch ein steuerbarer (Linear-) Antrieb eingesetzt werden, um die Badstütze 25 zu Beginn des Fügevorgangs an der gewünschten Position zu halten und nach Beendigung des Fügevorgangs die Badstütze 25 von der zweiten Endposition in die erste Endposition zu bringen. Dies erlaubt weitere Freiheitsgrade in der Prozessführung, erfordert jedoch meist einen größeren Bauraum.
In der 6 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gegenhalters 19 schematisch dargestellt bei dem Badstütze 25 und Schlitten 29 sich auf einer Kreisbahn zwischen den beiden Endlagen bewegen. Ein Mittelpunkt des zugehörigen Kreises liegt etwa in der Verlängerung der Drehachse der Spindel 11. Mit dieser Ausführungsform können aus gekrümmte Bauteile 21 gefügt werden. Diese Ausführungsvariante hat gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Gegenhaltern mit drehbaren Rollen den Vorteil, dass sie sehr kompakt baut, auch wenn das Bauteil 21 nur sehr wenig gekrümmt ist und der Krümmungsradius entsprechend groß ist.
Diese Ausführung hat beim Fügen eines ebenen Bauteils 21 den Vorteil, dass die auf das Bauteil 21 wirkende Zustellkraft auf einen kleinen Bereich in unmittelbarer Nähe der Drehachse des Werkzeugs 17 konzentriert wird. Außerdem werden unerwünschte Verformungen des Bauteils 21 verhindert.
Schließlich ermöglicht diese Geometrie eines erfindungsgemäßen Gegenhalters 19 das Fügen eines gekrümmten Bauteils 21 (wie z.B. Autodächer oder Autotüren; beides nicht dargestellt), ohne einen negativen Abdruck der Enden der Badstütze 25 in das Bauteil 21 zu drücken.
Der Krümmungsradius der Badstütze 25 ist kleiner oder gleich dem Krümmungsradius des Bauteils 21 im Bereich der Schweißnaht.
Um Bauteile 21 mit unterschiedlichen lokalen Krümmungen schweißen zu können kann es sinnvoll sein verschieden gekrümmte Badstützen 25 einzusetzen. Diese können optional mit einem automatischen Wechselsystem ausgetauscht werden. Hierzu kann die Zange 1 insbesondere auf der Gegenhalterseite 4 ein Magazin, einen Wechsler oder eine sonstige Vorrichtung aufweisen, welche den jeweils passenden Gegenhalter 19 in die Zange 1 einsetzt.
Zur Führung des Schlittens 29 im Basisteil 27 des Gegenhalters 19 können unterschiedliche Führungselemente zum Einsatz kommen.
Neben einer Linearführung als Gleitlager oder Wälzführung (Kugelumlaufführung, Zylinderumlaufführung etc.) können auch gekrümmte Führungen, das heißt Kreisbogenförmige eingesetzt werden. Es können auch hydrostatische oder hydrodynamische oder magnetische Lager eingesetzt werden.
Um Steppnähte herzustellen, die nicht in einer Linie liegen, sondern gekrümmt sind, muss der Gegenhalter 19 gedreht werden können, so dass der Schlitten 27 für den folgenden Teil-Schweißvorgang in Vorschubrichtung ausgerichtet ist. Dies kann einerseits durch eine Drehung der gesamten Schweißzange 1 relativ zu dem fest eingespannten Bauteil erfolgen. Alternativ dazu kann auch nur der Gegenhalter 19 gedreht werden.
Dies wird vorzugsweise im unbelasteten Zustand das heißt zwischen oder vor den einzelnen Steppnähten gemacht.
Hierzu kann eine Rotationseinheit 39 zwischen den Führungsmitteln 23 und dem Grundgestell 3 angeordnet werden. Eine solche Konfiguration ist in 7 schematisch dargestellt. Sie umfasst ein Grundteil 41 und einen Drehteller 42. Der Drehteller 42 ist in dem Grundteil 41 drehbar gelagert und kann bei Bedarf manuell oder mittels eines Antriebs (nicht dargestellt) gedreht werden. Durch diese Drehung ändert auch die Stepp-Schweißnaht ihre Richtung. Durch eine Vielzahl solcher Richtungsänderungen können nahezu beliebig gekrümmte Schweißnähte erzeugt werden.
Die Rotationseinheit 39 zum Verdrehen des Gegenhalters kann kontinuierliche Winkel ermöglichen oder auch nur diskrete Winkel z.B. in einem festen 15° oder 30° oder 45° Raster.
Die Rotationseinheit 39 weist bevorzugt einen Antrieb auf, mit dem die Drehbewegung ausgeführt werden kann.
In der 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gegenhalters 19 schematisch dargestellt. Der Gegenhalter umfasst ein Basisteil 27 sowie einen Lenker 53, der an dem Basisteil 27 mit Hilfe eines Lagers 54 drehbar gelagert ist.
Die Drehbewegung des Lenkers 53 relativ zu dem Basisteil 27 wird durch zwei Endanschläge 55 begrenzt. Die Rückholfeder 38 bewegt den Lenker 53 in die erste Endlage. An einem dem Lager 54 entgegengesetzten Ende des Lenkers 53 ist die Badstütze 25 angeordnet. Sie hat eine kreisförmige oder evolventenförmige Kontur.
Der Radius dieser kreisförmigen Kontur entspricht in erster Näherung der Länge des Lenkers 53. Allerdings ist es möglich und in der 8 auch dargestellt, dass der Mittelpunkt des Krümmungsradius der Badstütze 25 nicht mit dem Drehpunkt des Lagers 54 zusammenfällt, sondern seitlich davon angeordnet ist. Der Mittelpunkt der Badstütze 25 ist in der 8 durch einen Punkt mit dem Bezugszeichen 57 angedeutet. Dadurch ergibt sich ein ähnlicher Effekt wie durch die Schrägstellung der Badstütze 25 gemäß den 3 bis 5. In anderen Worten: Die zum Fügen des Bauteils 21 erforderliche Vorschubkraft wird reduziert.
In der 9 wird eine weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gegenhalters 19 schematisch dargestellt. Der Gegenhalter 19 weist eine Vielzahl parallel zueinander angeordneter Lenker 53 auf, die ein Basisteil 27 und ein Oberteil 47 gelenkig miteinander verbinden. Die Lenker 53 sind so ausgerichtet, dass sie einen Winkel von etwas weniger als 90°, bevorzugt zwischen 85° und 60°, mit der Vorschubrichtung (X-Achse) einschließen. Die Lager 57 zwischen den Lenkern 53 und dem Oberteil 47 einerseits sowie dem Basisteil 27 andererseits sind bei diesem Ausführungsbeispiel als Festkörpergelenke ausgeführt. Sie können aber auch als herkömmliches Gleit oder Wälzlager ausgeführt sein.
Die Vorschubrichtung ist, wie bei den anderen Ausführungsbeispielen auch, durch einen Pfeil angedeutet. Dieser Gegenhalter 19 funktioniert wie folgt:
Aufgrund der Zustellkraft F_Zustell und der daraus resultierenden Haftreibung bewegt sich das Oberteil 47 während der Vorschubbewegung nicht relativ zu dem Bauteil 21, während sich das fest mit dem Gestell 3 verbundene Basisteil 27 relativ zu dem Bauteil 21 bewegt.
Infolgedessen werden die Lenker 53 elastisch verformt (Festkörpergelenk) und das Oberteil 47 bewegt sich auf einer durch die Lenker 53 vorgegebenen Kreisbahn. Bevor die Lenker 53 bleibend verformt werden, wird die Vorschubbewegung unterbrochen und die Zustellkraft F_Zustell reduziert, so dass das Oberteil 47 wieder in die erste Endlage zurückfedert.
Anschließend beginnt dieser Prozess von neuem. Bei diesem Ausführungsbeispiel übernehmen die Lenker 53 aufgrund ihrer Elastizität und die Festkörpergelenke 57 die Funktionen der Führungsmittel und einer Rückholfeder 38.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine einzelne Steppnaht wenige Millimeter lang oder sogar deutlich kürzer bis zu weniger als ein Millimeter. Es ist dann besonders vorteilhaft, wenn der Zapfen 18 im Endkrater verbleibt während die Spindel 11 weiterrotiert. Die Axialkraft wirkt hierbei insbesondere pulsierend mit einer Frequenz zwischen 0,1 Herz bis hin zu 100 Herz um sehr schnell sehr viele Mikro-Steppnähte unterbrechungsfrei aneinander zu setzen. Die Entlastung des Werkzeugs und somit des Kontaktes zwischen Werkstück und Gegenhalters wird nur zum Zurückfedern des Oberteils 47 benötigt. Die einzelnen Nähte gehen so fließend ineinander über, dass die Zange quasi-kontinuierlich bewegt werden kann.
Es ist bei dieser Ausführungsvariante besonders günstig wenn ein Werkzeug 17 mit einem Zapfen 18 verwendet wird, der eine konische Form hat. Durch die konische Form reicht bereits ein geringes Zurückziehen (Bewegung entgegengesetzt der Zustellrichtung) des Werkzeugs oder wenigstens des Zapfens von wenigen Zehntel-Millimeter, um den Kraftschluss zwischen Werkzeug und Werkstück in einen Formschluss zu überführen. Der Formschluss reicht für eine Positionierung von Werkzeug zum Werkstück aus. Während der Phase des Formschlusses kann dann der Gegenhalter, die Badstütze oder das Werkstück aufgrund der fehlenden Zustell- und Vorschubkräfte in der Positionierung zueinander geändert werden.
In der 10 sind eine erfindungsgemäße Rührreibschweißzange 1 und ein Industrieroboter 31 dargestellt. Über die mechanische Schnittstelle 7 sind die Zange 1 und der Industrieroboter 31 miteinander lösbar verbunden. Das zu fügende Bauteil ist in der 10 nicht dargestellt.
Es ist besonders praktisch die Zange 1 oder das zu verschweißende Bauteil 21 während des Schweißprozesses mit einem Industrieroboter zu bewegen, der mindestens über vier, vorzugsweise fünf Freiheitsgrade verfügt bzw. vier bzw. fünf Gelenke oder Achsen aufweist. Somit kann die Zange 1 an jede beliebige Position gebracht und entsprechend der Blech-Normalenrichtung ausgerichtet werden.
Anhand der 11 wird der erfindungsgemäße RührreibSchweißprozess beispielhaft erläutert.
Dabei kommt eine Zange 1 gemäß der 1 und 2 zum Einsatz. Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden nicht alle Bauteile mit Bezugszeichen versehen.
Zu a): Das bzw. die Bauteile 21 werden in der Zange positioniert, sodass das Werkzeug 17 über dem Punkt auf dem Bauteil 21 steht an dem die Schweißnaht beginnen soll.
Die zweite Linearführung 23 befindet sich bevorzugt in einer ersten Endposition, so dass sich die Badstütze 25 des Gegenhalters 19 während der Reibschweißvorgangs mit dem Bauteil 21 mitbewegen kann, bis die zweite Linearführung 23 ihre zweite Endposition erreicht hat (siehe c).
Weil die Badstütze 25 und das Bauteil 21 sich während des Schweißvorgangs nicht relativ zueinander bewegen, wird die Richtung der Schweißnaht von der Ausrichtung der zweiten Linearführung 23 (hier die Z-Achse) vorgegeben.
In einem zweiten Schritt b) wird die Zange 1 geschlossen, indem die erste Linearführung 15 die Spindel 1 und mit ihr den Pin 18 des rotierenden Werkzeugs 17 so weit in Richtung der X-Achse verfährt, bis der Pin 18 in das Bauteil 21 eingedrungen ist und die Werkzeugschulter 20 auf dem Bauteil 21 anliegt.
Diese Situation ist in der 11 b) dargestellt. Es ist, wie bereits erläutert, auch möglich, die Spindel 11 fest mit dem Grundgestell zu verbinden und erste Linearführung 21 mit Aktuator zwischen Gegenhalt 19 und Grundgestell 3 anzuordnen.
Der eigentliche Fügevorgang erfolgt nun durch eine Relativbewegung zwischen der Zange 1 und ihrem Werkzeug 17 einerseits und dem Bauteil 21 andererseits. Diese Relativbewegung wird in dem anhand der 11 erläuterten Ausführungsbeispiel durch einen Roboter (nicht dargestellt), welche die Zange 1 trägt, ausgeführt.
Aus dem Vergleich der Positionen der Badstütze 25 in den 11 b) und c) lässt sich dies Relativbewegung erkennen. Die Schweißnaht ist genauso lang, aber nicht sichtbar.
Die Badstütze 25 und das Bauteil 21 bewegen sich nicht relativ zueinander.
Die Länge der Schweißnaht wird durch die Länge des Verfahrwegs der zweiten Linearführung 23 begrenzt.
Hierdurch ist der erste Step beendet bzw. die erste „Kurzschweißnaht“ hergestellt. Nach erfolgter Schweißbewegung werden Werkzeug 17 und Gegenhalter 19 geringfügig „auseinandergezogen“, so dass die Anpresskraft zwischen Badstütze 25 und Bauteil 21 stark verringert oder im Idealfall auf null zurückgeht. Diese Situation ist in der 11 d) dargestellt. Hierzu kann ggf. das Werkzeug 17 (rotierend oder nicht rotierend) mit seinem Pin 18 im Endkrater der Schweißnaht verbleiben und nur der Gegenhalter 23 bzw. dessen Badstütze 25 wird wieder in die Ausgangsstellung gebracht.
Wenn die Zange 1 so weit geöffnet wird, dass der Zapfen 18 nicht mehr im Bauteil 21 verblieben ist, dann taucht der Zapfen 18 beim Schließen der Zange 1 wieder in das Bauteil 21 ein - vorzugsweise genau in den Endkrater des vorhergehenden Fügevorgangs. Dies reduziert den Verschleiß des Werkzeugs 17 und verringert die Prozessdauer erheblich. Außerdem ergibt sich eine „schönere“ Schweißnaht. Alternativ ist es auch möglich, ein Werkzeug 17 mit einem Zapfen 18 zu verwenden, der eine konische Form hat. Durch die konische Form reicht bereits ein geringes Zurückziehen (Bewegung entgegengesetzt der Zustellrichtung) des Werkzeugs 17 oder wenigstens des Zapfens 18 von wenigen Zehntel-Millimeter, um den Kraftschluss zwischen Werkzeug und Werkstück in einen Formschluss zu überführen. Der Formschluss reicht für eine Positionierung von Werkzeug zum Werkstück aus. Während der Phase des Formschlusses kann dann der Gegenhalter, die Badstütze oder das Werkstück aufgrund der fehlenden Zustell- und Vorschubkräfte in der Positionierung zueinander geändert werden.
Wegen der Verringerung der Anpresskraft zwischen Badstütze 25 und 21 kann die Badstütze 25 von der zweiten Endposition (siehe 11 d)) in die erste Endposition (siehe 11 e)) bewegt werden, ohne dass das Bauteil 21 seine Position relativ zu dem Werkzeug 17 ändert.
Die in den 11 b) und 11 e) dargestellten Positionen der Badstütze 25 sind gleich.
Um die Badstütze 25 von der zweiten Endposition in die erste Endposition zu bringen, bedarf es nur einer geringen Kraft. Eine Rückstellfeder (nicht dargestellt) ist dazu ausreichend. Alternativ kann auch ein einfacher Linearantrieb vorgesehen werden.
Die nächste Kurzschweißnaht bzw. die nächsten Kurzschweißnähte können hieran direkt anschließen.
Dazu ist es erforderlich, die Zange 1 erneut so weit zu schließen, bis die Werkzeugschulter 20 wieder auf dem Bauteil 21 anliegt (siehe 11 f)).
Der Fügevorgang der zweiten Kurzschweißnaht erfolgt wiederum durch eine Relativbewegung zwischen der Zange 1 und ihrem Werkzeug 17 einerseits und dem Bauteil 21 andererseits (siehe 11 e)).
Dieser Schritt entspricht dem Erstellen der ersten Kurzschweißnaht (siehe 11 c)).
Die Zange wird erneut relativ zum Werkstück verfahren ( , wodurch erneut eine Steppnaht entsteht.
Die Schritte a-g können beliebig oft wiederholt werden, um entsprechend lange Nähte als Aneinanderreihung von (kurzen) Steppnähten zu realisieren.
Es können insbesondere Aluminium mit Aluminium, Aluminium mit Stahl, Aluminium mit Kupfer und Aluminium mit Magnesium verschweißt werden.
Die zu verschweißenden Werkstücke sind während des Schweißens vorzugsweise eingespannt, sodass sie ihre Position unter der Einwirkung des Werkzeugs und des Schweißprozesses näherungsweise behalten.
Eine besonders günstige Form der Prozessführung sieht vor, dass während des Eintauchvorgangs in 11 b die Drehzahl des Werkzeugs 17 bzw., der Spindel 11 zumindest zweitweise höher ist, als während der Verfahr-Phase zum Erzeugen der Kurzschweißnaht. Durch die höhere Drehzahl während des Eintauchens kann eine höhere Eintauchgeschwindigkeit und somit eine kürzere Prozessdauer und/oder ein geringerer Verschleiß des Werkzeugs, eine geringere Prozesskraft als während der Vorschubbewegung und/oder eine geringere Gratbildung am Werkstück bzw. eine schönere Schweißnaht am Startpunkt erzielt werden. Die Eintauchbewegung kann weg- bzw. geschwindigkeitsgesteuert bzw. geregelt, mit konstanter bzw. vorgegebener Eintauchkraft oder auch durch eine Kombination von beidem erfolgen.
Ergänzend dazu kann die Drehzahl zu Beginn der Schweißphase kurzzeitig abgesenkt und dafür die Zustellkraft erhöht werden, um ein zu tiefes Eintauchen des Werkzeugs 17 in das oder die Bauteile 21 zu vermeiden. Dies ermöglicht bei sehr einfachen Gegenhaltern die insbesondere lediglich mit einer Rückstellfeder insbesondere mit nichtlinearem Zusammenhang von Rückstellkraft und Weg ausgestattet sind ein effektives Überdrücken der Feder, um so die vorher durch die Rückstellfeder blockierte Vorschubbewegung auszulösen.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren werden im Vergleich zur Bauteilgröße kurze Steppnähte geschweißt z. B. mit 3, 5, 7 oder 15 cm Maximallänge während das Bauteil eine Größe von mindestens 30 cm, insbesondere 70, vorzugsweise mehr als 150 cm als Hauptmaß hat. (Sonst sind die Schweißmaschinen in ihrem Verfahrweg üblicherweise meist größer als das Bauteil).
Die Oberfläche der Badstütze 25 soll möglichst verschleißfest, hart und diffusionsträge mit Aluminium bei ca. 600°C sein. Daher sind Keramik, Zirkonoxid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Refraktärmetalle wie z.B. Wolfram und Hartmetalle geeignet.
Da die Badstütze 25 einem gewissen Verschleiß unterliegt, sollte sie leicht austauschbar sein, z. B. durch formschlüssig in den Schlitten 29 eingesetzte Einätze/Inserts.
Die Breite der Badstütze 25 (d. h. in Richtung der Y-Achse; siehe 1) beträgt etwa dem 0,8 bis 1,5-fachen, in manchen Anwendungen bis zum 3-fachen des Durchmessers der Schulter 20 des Rührreibschweißwerkzeugs 17.
Bezugszeichenliste

1: Rührreibschweiß-Zange
3: Gestell
4: Werkzeugseite
5: Gegenhalterseite
7: (mechanische) Schnittstelle
8: Kraftmesseinrichtung
9: Freiraum
11: Spindel
13: Antrieb
14: Kraftmesseinrichtung
15: erste Linearführung
16: Wegmesseinrichtung
17: Werkzeug
18: Zapfen
19: Gegenhalter
20: Schulter
21: Bauteil
23: zweite Linearführung
24: Wegmesssystem
25: Badstütze
27: Basisteil
29: Schlitten
31: Industrieroboter
33: erster Keil
35: zweiter Keil
37: Arretiervorrichtung
39: Rotationseinheit
41: Grundteil
42: Drehteller
43: Parallelogrammstrukturen
45: Unterteil
47: Oberteil
49: Auflagefläche des Unterteils 45
51: Oberseite 51 Oberteils 47
53: Lenker
54: Lager
55: Endanschlag
57: Mittelpunkt der Badstütze 25
59: Stütze

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2017/0120373 A1 [0006]
US 8033443 B1 [0007]

Claims

Gegenhalter für eine Vorrichtung zum Rührreibschweißen umfassend ein Basisteil (27) und eine Badstütze (25), wobei zwischen Badstütze (25) und Basisteil (27) Führungsmittel mit einem Freiheitsgrad angeordnet sind, welche eine durch zwei Endlagen begrenzte Bewegung der Badstütze (25) relativ zu dem Basisteil (27) ermöglichen.
Gegenhalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Badstütze (25) entlang einer Geraden oder entlang einer gekrümmten Linie, insbesondere entlang einer Kreisbahn, von einer ersten Endlage zu einer zweiten Endlage und zurück bewegbar ist.
Gegenhalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsmittel als Linearführung (23) ausgebildet sind, dass die Linearführung ein Basisteil (27) und einen Schlitten (29) umfasst, und dass der Schlitten (29) entlang einer Geraden oder entlang einer gekrümmten Linie, insbesondere entlang einer Kreisbahn, zwischen der ersten und der zweiten Endlage bewegt wird.
Gegenhalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Linearführung (23) den Schlitten (29) entlang einer Geraden führt, und dass die Oberseite der Badstütze (25) mit der Vorschubrichtung (X) einen von null verschiedenen Anstellwinkel a einschließt. (4)
Gegenhalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Linearführung (23) den Schlitten (29) entlang einer Geraden führt, und dass diese Gerade parallel zu der Oberseite der Badstütze (25) verläuft. (3)
Gegenhalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Linearführung (23) den Schlitten (29) entlang einer Geraden führt, und dass diese Gerade mit der Vorschubrichtung (X) einen Winkel b einschließt, der folgender Bedingungen genügt (5): b ist größer als der Anstellwinkel a, die Vorzeichen von b und dem Anstellwinkel a sind verschieden.
Gegenhalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsmittel (23) ein Basisteil (27) und einen Lenker (53) umfassen, dass der Lenker (53) drehbar mittels eines Lagers (54) an dem Basisteil (27) gelagert ist, dass die Badstütze (25) an einem dem Lager (54) gegenüberliegenden Ende des Lenkers (53) angeordnet ist, und dass die Badstütze (25) eine gekrümmte Kontur, insbesondere eine kreisbogenförmige oder evolventenförmige Kontur, aufweist.
Gegenhalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsmittel (23) zwei oder mehr parallel zueinander angeordnete Lenker (53) sowie ein Oberteil (47) umfassen, dass die Lenker (53) an einem ersten Ende drehbar in dem Basisteil (27) gelagert sind, dass das Oberteil (54) an einem zweiten Ende der Lenker (53) drehbar gelagert ist, und dass die Badstütze (25) auf dem Oberteil (54) angeordnet ist.
Gegenhalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenhalter (19) eine Rotationseinheit (39) umfasst, und dass die Rotationseinheit (39) die Badstütze (25) um eine Achse dreht die parallel zu der Drehachse des Werkzeugs (17) verläuft.
Gegenhalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Badstütze (25) durch Anschläge begrenzt wird.
Gegenhalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er Rückstellmittel insbesondere eine Rückstellfeder oder einen steuerbaren Antrieb, aufweist, um die Badstütze (25) bei Bedarf in eine erste Endlage zu bringen.
Gegenhalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Arretiervorrichtung (37) aufweist.
Gegenhalter, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der einen steuerbaren Antrieb aufweist, um die Badstütze (25) längs des Verfahrwegs in vorgebbare ZwischenPositionen zwischen den Endlagen zu bewegen.
Gegenhalter, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er einen steuerbaren Antrieb aufweist, um die Badstütze (25) längs des Verfahrwegs zu bewegen, sodass diese von einer Regel- und/oder Steuervorrichtung vorgebbare ZwischenPositionen zwischen den Endlagen einnehmen kann.
Vorrichtung zum Rührreibschweißen umfassend ein Gestell (3), eine angetriebene Spindel (11) zur Aufnahme eines Werkzeugs (17) zum Rührreibschweißen und einen Gegenhalter (19), dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenhalter ein Gegenhalter (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenhalter (19) in der Verlängerung einer Drehachse der Spindel (11) angeordnet ist, dass die Vorrichtung eine erste Linearführung (15) und einen Zustellantrieb umfasst, dass die erste Linearführung (15) und der Zustellantrieb eine Zustellbewegung zwischen Spindel (11) und Gegenhalter (19) parallel zur Drehachse (Z-Achse) der Spindel (11) ermöglichen.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (11) an der Werkzeugseite (4) und der Gegenhalter (19) an einer Gegenhalterseite (5) eines „C“-förmigen Gestells (3) angeordnet sind, und dass die erste Linearführung (15) und der Zustellantrieb zwischen Gestell (3) und Spindel (11) oder zwischen Gegenhalter (19) und Gestell (3) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15-17 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Gegenhalter nach einem der Ansprüche 1-14 an der Vorrichtung angebracht sind und dass die Gegenhalter (19) durch eine Revolver-, Dreh- oder Schwenkeinrichtung in Gebrauchsposition gebracht werden können.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Halter für das zu fügende Bauteil (21) umfasst, und dass der Halter sowie die Spindel (11) und der Gegenhalter (19) in Vorschubrichtung (X-Achse) relativ zueinander verfahrbar sind.
Verfahren zum Rührreibschweißen mit einer Vorrichtung zum Rührreibschweißen nach einem der Ansprüche 15 bis 19 umfassend die Schritte: a) Positionieren der Badstütze (25) in einer ersten Position, b) Zustellen des Werkzeugs (17) und/oder des Gegenhalters (19) bis eine vorgegebene Anpresskraft (F_A) zwischen Werkzeug (17) und Badstütze (25) erreicht ist, c) Durchführen einer Vorschubbewegung von Werkzeug (17) und Gegenhalter (19) relativ zu dem Bauteil (21) bis die Badstützen (25) eine zweite Position erreicht hat und d) Reduzieren der Anpresskraft (F_A) zwischen Werkzeug (17) und Badstütze (25).
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende zusätzlichen Schritte umfasst: e) Verfahren der Badstütze (15) relativ zu dem Bauteil (21) in die erste Position, f) Erhöhen der Anpresskraft (F_A) zwischen Werkzeug (17) und Badstütze (25) auf die vorgegebene Anpresskraft (F_A) .
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte c) und d) und die Schritte e) und f) mehrfach nacheinander ausgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schritten d) und f) die Badstütze (25) um die Drehachse des Werkzeugs (17) gedreht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Zeitweise während des Eintauchvorgangs (Schritt b)) das Werkzeug mit einer höheren Drehzahl und/oder Zustellkraft angetrieben wird als während des Verfahrens (Schritt c)).
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung und oder das Werkstück von einem Roboter mit wenigstens 4 Freiheitsgraden gehandhabt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, die Vorrichtung während der Vorschubbewegung von einem Roboter relativ zum Bauteil bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die während der Prozessschritte b) oder c) vom Werkzeug auf die Bauteile ausgeübte Kraft bzw. Zustellkraft größer sind, als die vom Handhabungssystem (Roboter) aufgebrachte Kraft an der Schnittstelle 7 zwischen Roboter und Vorrichtung. Das von der Zustellkraft bezüglich der Schnittstelle 7 erzeugte Biege- oder Drehmoment ist größer als das vom Roboter aufgebrachte Moment an der Schnittstelle 7 - während der Prozessschritte b oder c.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück ggf. unter Zuhilfenahme einer Halte- oder Führungs-Vorrichtung von einem Werker händisch geführt wird.