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Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Rührreibschweißen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Rührreibschweißen oder Friction Stir Welding (FSW), wie es beispielsweise in der
WO 93/10935 A1 beschrieben ist, ermöglicht das stoffschlüssige Fügen zweier mit herkömmlichen Schmelzschweißverfahren nicht bzw. nur sehr schwer schweißbarer Werkstücke zu einem Bauteil. Es wird vornehmlich zum Verschweißen von Leichtmetallen eingesetzt. Eine Zugabe eines Schweißzusatzstoffes ist nicht notwendig. Beim Rührreibschweißen wird ein Rührstift, der sich von einer Stirnfläche eines sich drehenden Zylinders erstreckt, in einen Stumpfstoß zweier Werkstücke gedrückt und entlang des Stumpfstoßes geführt, wobei der Zylinder mit seiner Stirnfläche bzw. Schulterfläche auf den Werkstücken aufliegt. Durch die Reibung zwischen der Schulterfläche und den Werkstücken entsteht Wärme mittels der das Material in dem Stumpfstoß plastifiziert wird und das dann durch den eintauchenden Rührstift gleichmäßig verrührt wird.
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Neben Werkzeugen mit einer drehenden Schulterfläche sind auch Werkzeuge mit einer stehenden Schulterfläche bekannt. Ein derartiges beispielsweise in der
DE 10 2005 030 800 A1 gezeigtes Werkzeug findet vornehmlich bei dickwandigen Werkstücken mit einer Materialstärke von mehr als 6 mm Anwendung. Es hat sich nämlich bei dickwandigen Werkstücken gezeigt, dass aufgrund der Rotation der Schulterfläche die anliegende Werkstückoberfläche zur Überhitzung neigt, wohingegen im entfernten Wurzelbereich einer entstehenden Naht eine Neigung zur Kaltverschweißung sowie zur Bildung von Verdichtungsfehlern besteht.
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Problematisch an den vorbeschriebenen Rührreibwerkzeugen ist jedoch, dass deren Standfestigkeit bzw. Lebensdauer insbesondere des Rührstiftes stark begrenzt ist. Die Standfestigkeit des Rührstiftes lässt sich unter anderem über seinen Durchmesser beeinflussen, wobei prinzipiell gilt: je größer sein Durchmesser, desto höher seine Standfestigkeit. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass ein Durchmesserverhältnis Schulterfläche:Rührstift von maximal etwa 1:2 eingehalten werden sollte. D. h., eine Schulterfläche mit einem Durchmesser von z. B. 10 mm sollte maximal einen Rührstift mit einem Durchmesser von 5 mm aufweisen. Ansonsten besteht die Gefahr, dass sich die Naht nicht schließt und ein offener Tunneleffekt eintritt. Mit steigendem Schulterflächendurchmesser steigt ebenfalls die notwendige Prozesskraft sowie die Reibwärme überproportional an. Zwar nimmt die Umfangsgeschwindigkeit nur linear zu, jedoch steigt die Schulterfläche als Reibungsquelle mit dem Durchmesser zum Quadrat an.
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Aufgabe der vorliegenden ist es, ein Werkzeug zum Rührreibschweißen, das die vorgenannten Nachteile beseitigt und eine verlängerte Lebensdauer aufweist, sowie ein Verfahren zum Rührreibschweißen zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Werkzeug zum Rührreibschweißen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Ein erfindungsgemäßes Werkzeug zur Herstellung eines Bauteils aus zwei Werkstücken durch Rührreibschweißen hat einen rotierbaren Werkzeugkörper, der eine Schulterfläche zur Anlage an den Werkstücken aufweist, und einen Rührstift, der sich von der Schulterfläche koaxial zur Drehachse des Werkzeugkörpers erstreckt. Erfindungsgemäß ist die Schulterfläche in eine innere Schulterringfläche und in eine äußere Schulterringfläche unterteilt, wobei die äußere Schulterringfläche eine geringere Drehzahl als die innere Schulterringfläche aufweist.
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Erfindungsgemäß dreht somit ein rührstiftnaher Schulterflächenbereich mit gleicher Drehzahl wie der Rührstift, während ein rührstiftferner Schulterflächenbereich mit zumindest reduzierter Drehzahl angetrieben wird. Hierdurch erfolgt ein gezielter und konzentrierter Wärmeeintrag im Bereich der Naht. Das oben zitierte Durchmesserverhältnis kann zugunsten des Rührstiftdurchmessers geändert und somit ein Rührstift mit einem dickeren Durchmesser gewählt werden, ohne dass ein offener Tunneleffekt auftritt. Als Folge des größeren Rührstiftdurchmessers steigt die Standfestigkeit bzw. Lebensdauer des Rührstifts signifikant an.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die äußere Schulterringfläche feststehend und somit nicht rotierend ausgebildet. Hierdurch ist die Regelung der Schweißanlage besonders einfach ausführbar.
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Bevorzugterweise wird die äußere Schulterringfläche von einem den Werkzeugkörper umgreifenden Ringkörper gebildet. Ein derartiger Ringkörper ist einfach herstellbar und erlaubt die Nachrüstung herkömmliche Werkzeuge mit einer drehenden Schulterfläche.
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Die innere Schulterringfläche und/oder die äußere Schulterringfläche können kreisringförmig ausgebildet sein. Dies erlaubt eine quasi dichtende Abdichtung zwischen den beiden Schulterringflächen, so dass die erzeugte Reibwärme nicht durch Spalte zwischen den beiden Schulterringflächen entweichen kann.
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Es hat sich gezeigt, dass eine hohe Schweißqualität sowie sehr lange Lebensdauer des Schweißstiftes erreichbar ist, wenn die innere Schulterringfläche einen Durchmesser hat, der dem 1,2-fachen eines maximalen Rührstiftdurchmessers entspricht. Beispielsweise beträgt so bei einem maximalen Rührstiftdurchmesser von 5 mm der innere Schulterringflächendurchmesser 6 mm. Es sind jedoch auch andere Durchmesser vorstellbar, die diesem Verhältnis entsprechen.
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Vorzugsweise bestehen die Schulterringflächen aus dem gleichen Material und weisen in etwa die gleiche Oberflächenbeschaffenheit auf. Dies ermöglicht die einstückige Fertigung der Schulterfläche mit sich anschließender Abtrennung des Ringkörpers und somit die einfache und passgenaue Bildung der äußeren Schulterringfläche.
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Bei der Herstellung eines Bauteils aus zwei Werkstücken durch Rührreibschweißen werden zuerst die Werkstücke zueinander positioniert. Anschließend wird ein Rührreibwerkzeug mit einer inneren Schulterringfläche und einer äußeren Schulterringfläche bereitgestellt und derart angesteuert, dass die Werkstücke mit einer Prozesskraft beaufschlagt werden. Anschließend wird das Werkzeugs relativ zu den Werkstücken bewegt, wobei die äußere Schulterringfläche mit einer geringeren Drehzahl als die innere Schulterringfläche angetrieben wird.
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Vorteilhafterweise erfolgt ein reduzierter und konzentrierter Wärmeeintrag im Nahtbereich und die Prozesskraftkomponente während des Schweißens ist verringert. Weiterhin wird eine bündige Nahtoberfläche geschaffen, so dass aufwendige Nacharbeiten entfallen können. Die äußere Schulterringfläche fixiert die zu verschweißenden Werkstücke in ihrer Position gegen seitliches Verrücken. Ferner wird auch das Werkzeug an sich in seiner vertikalen Schweißposition fixiert, wodurch die Regelung der Schweißanlage unterstützt wird, was in einer erheblich verbesserten Prozessrobustheit resultiert. Somit ist quasi das Schweißen in kraft- und positionsgeregeltem Betrieb möglich, ohne dass die Schweißanlagensteuerung entsprechend modifiziert werden muss.
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Vorzugsweise wird die äußere Schulterringfläche mit einer Drehzahl n = 0 angesteuert und ist somit feststehend bzw. nicht rotierend, so dass die der Wärmeeintrag sehr konzentriert im Nahtbereich erfolgt und die seitliche Fixierung der Werkstücke weiter verbessert wird.
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Die auf die Werkstücke wirkende Prozesskraft ist die Summe der Einzelkräfte, mit denen die Schulterringflächen gegen die Werkstücke gedrückt werden. Diese können gleichgroß oder unterschiedlich sein. Dabei lässt sich durch das Einstellen der Einzellkräfte der Wärmeeintrag bzw. Wärmeverlauf in die Werkstücke positiv beeinflussen.
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Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer schematischen Darstellung näher erläutert. Die einzige 1 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Werkzeugs.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Werkzeug 2 zum stoffschlüssigen Verbinden von zwei metallischen Werkstücken 4, 6 zur Bildung eines Bauteils, die sich im Stumpfstoß miteinander befinden. Das Werkzeug 2 hat einen zylindrischen Werkzeugkörper 8, der mit einem Endabschnitt in einer nicht gezeigten rotierenden Spindel eingespannt ist und an dessen freiem Endabschnitt 10 eine Stirnfläche 12 ausgebildet ist. Von der Stirnfläche 12 weg erstreckt sich koaxial zur Drehachse 14 des Werkzeugkörpers 8 ein zylindrischer Rührstift 16 mit einem konstanten Durchmesser d1. Die kreisringförmige Stirnfläche 12, die im Folgenden als innere Schulterringfläche bezeichnet wird, hat einen Durchmesser d2, der etwa dem 1,2-fachen des Durchmessers d1 der Rührstiftes 16 entspricht. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Rührstiftdurchmesser 5 mm und der innere Schulterringdurchmesser 6 mm.
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Im Betrieb befindet sich der Werkzeugkörper 8 mit seiner inneren Schulterringfläche 12 in Anlage mit gegenüberliegenden Werkstückoberflächen 18, 20 der Werkstücke 4, 6, wobei der Rührstift 16 in den Stumpfstoß zwischen die beiden Werkstücke 4, 6 eintaucht.
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Erfindungsgemäß hat das Werkzeug 2 eine die innere Schulterringfläche 12 umgebende äußere Schulterringfläche 22. Die äußere Schulterringfläche 22 liegt in einer Ebene mit der inneren Schulterringfläche 12 und befindet sich somit ebenfalls in Anlage mit den Werkstückoberflächen 18, 20. Sie wird von einem den Werkzeugkörper 8 umgreifenden feststehenden, d. h. nicht rotierenden, und somit die Drehzahl n = 0 aufweisenden Ringkörper 24 gebildet, der den Werkzeugkörper 8 an seinem freien Endabschnitt 10 umgreift. Der Ringkörper 24 umgreift den freien Endabschnitt 10 derart, dass die Schulterringflächen 12, 22 quasi eine durchgehende Schulterfläche bilden, deren radial außenliegender Flächenabschnitt nicht rotierend ausgebildet ist. Der Ringkörper 24 besteht aus dem gleichen Material wie zumindest der freie Endabschnitt 10 der Werkzeugkörper 8. Ebenso weisen die Schulterringflächen 12, 22 die gleichen Oberflächenbeschaffenheiten auf.
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Im Folgenden wird ein stoffschlüssiges Verbinden von zwei Werkstücken 4, 6 durch Rührreibschweißen beschrieben: Die Werkstücke 4, 6 werden auf einer Unterlage 26 abgelegt und im Stumpfstoß zueinander positioniert. Anschließend wird das erfindungsgemäße Werkzeug 2 mit der rotierbaren inneren und der feststehenden äußeren Schulterringfläche 12, 22 bereitgestellt und über dem Stumpfstoß positioniert. Dann wird das Werkzeug 2 angesteuert und der Werkzeugkörper 8 in Rotation versetzt. Gleichzeitig werden der rotierende Werkzeugkörper 8 und der nicht rotierende Ringkörper 24 mit jeweils einer Einzelkraft F1, F2 beaufschlagt, die zusammen eine Prozesskraft bilden. Bei dem hier beschrieben Verfahren sind die Einzelkräfte F1 und F2 gleich groß, jedoch können sie auch unterschiedlich groß sein. Aufgrund der Rotation der inneren Schulterringfläche 22 entsteht bei Kontakt mit den Werkzeugoberflächen 18, 20 Reibwärme, so dass die Werkstücke 4, 6 konzentriert und gezielt im Stumpfstoßbereich erwärmt werden. Das erwärmte Werkstückmaterial wird plastifiziert und der Rührstift 16 taucht in den Stumpfstoß zwischen den beiden Werkstücken 4, 6 ein. Sobald das Werkstückmaterial durch den Rührstift 16 ausreichend verrührt bzw. vermischt ist, wird das Werkzeug 2 in Längsrichtung des Stumpfstoßes verschoben. Dabei erfolgt durch den nicht rotierenden Ringkörper 24 eine seitliche Fixierung der beiden Werkstücke 4, 6 zueinander, so dass der Stumpfstoß nahezu eine konstante Breite aufweist und sich zum Beispiel in seiner Längsrichtung nicht trichterförmig erweitert. Das verrührte Werkstückmaterial kühlt ab und die beiden Werkstücke 4, 6 sind stoffschlüssig zu einem Bauteil miteinander verbunden.
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Offenbart ist ein Rührreibwerkzeug 2 mit einer inneren Schulterfläche 12 und mit einer äußeren Schulterfläche 22, die gegenüber der inneren Schulterfläche 12 drehzahlreduziert ist, und ein Verfahren zum Rührreibschweißen mit einem derartigen Werkzeug 2.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Werkzeug
- 4
- Werkstück
- 6
- Werkstück
- 8
- Werkzeugkörper
- 10
- freier Endabschnitt
- 12
- Stirnfläche/innere Schulterringfläche
- 14
- Drehachse
- 16
- Rührstift
- 18
- Werkstückoberfläche
- 20
- Werkstückoberfläche
- 22
- äußere Schulterringfläche
- 24
- Ringkörper
- 26
- Unterlage
- d1
- Durchmesser Rührstift
- d1
- Durchmesser Ringfläche
- F1
- Einzelkraft Werkzeugkörper
- F2
- Einzelkraft Ringkörper
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 93/10935 A1 [0002]
- DE 102005030800 A1 [0003]
