DE202016105555U1

DE202016105555U1 - Rührreibschweißtechnologie zum Verbinden von Bauteilen aus unterschiedlichen Materialien

Info

Publication number: DE202016105555U1
Application number: DE202016105555.5U
Authority: DE
Original assignee: KUKA Industries GmbH
Current assignee: KUKA Deutschland GmbH
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2017-07-03
Anticipated expiration: 2026-04-01
Also published as: DE102016119062A1

Abstract

Bearbeitungsvorrichtung umfassend eine Bauteilaufnahme (61), einen Manipulator (62) und ein von dem Manipulator (62) geführtes FSW-Werkzeug (10), wobei die Bauteilaufnahme (61) dazu ausgebildet ist, das erste Bauteil (20) und das zweite Bauteil (30) aufzunehmen und zu positionieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsvorrichtung (61) eine Steuerung (64) aufweist, die dazu ausgebildet ist, ein Rührreibschweißverfahren zum Verbinden zweier Bauteile (20, 30) auszuführen, wobei das erste Bauteil (20) aus einem Material mit einer ersten niedrigen Schmelztemperatur, insbesondere aus Aluminium, und das zweite Bauteil (30) aus einem Material mit einer zweiten und deutlich höheren Schmelztemperatur, insbesondere aus Stahl, bestehen, und wobei das Rührreibschweißverfahren die folgenden Schritte umfasst: – Positionieren des ersten und des zweiten Bauteils (20, 30) unter Bildung eines Stumpf-Stoßes zwischen einer ersten Stoßkante (21) des ersten Bauteils (20) und einer zweiten Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30); – Kontaktieren des ersten Bauteils (20) durch ein FSW-Werkzeug (10) in einem Oberflächenbereich (22) neben der Stoßfuge; – Lokales Plastifizieren des Materials des ersten Bauteils (20) und Eintauchen (Z1) des Schweißstiftes (11) des FSW-Werkzeugs (10) in das plastifizierte Material (40); – Im Wesentlichen senkrechtes Anpressen (Z2, FN) des Schweißstiftes (11) des FSW-Werkzeugs (10) an die zweite Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30), insbesondere ohne das Material des zweiten Bauteils (30) zu plastifizieren; – Führen (Z3) des FSW-Werkzeugs (10) in einer Schweißrichtung (SR) entlang der zweiten Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30).

Description

Die Erfindung betrifft eine Technologie zum Verbinden von Bauteilen aus unterschiedlichen Materialien durch Rührreibschweißen.
Die vorliegend offenbarte Technologie umfasst zumindest ein Schweißverfahren, eine durch das Schweißverfahren hergestellte Bauteilverbindung, ein Rührreibschweißwerkzeug sowie eine Bearbeitungsvorrichtung zur Durchführung des Schweißverfahrens mit den jeweiligen Merkmalen im Oberbegriff der eigenständigen Ansprüche.
Das Rührreibschweißen, hier auch als FSW bezeichnet (FSW = Friction Stir Welding), ist in der Praxis grundsätzlich bekannt. Bei bekannten FSW-Prozessen werden zwei zu verbindende Bauteile durch Stoffschluss miteinander verbunden. Die Bauteile werden so zueinander positioniert, dass eine definierte Stoßfuge gebildet wird. Ein FSW-Werkzeug, das einen rotierenden Schweißstift und eine ebenfalls rotierende Schulter aufweist, wird mit dem Schweißstift an die Oberfläche beider Bauteile im Bereich der Stoßfuge geführt. Durch den reibenden Kontakt des FSW-Werkzeugs an der Oberfläche wird das Material der Bauteile in der Nähe der Kontaktzone erwärmt und zwar so lange, bis das Material beider Bauteile plastifiziert, d.h. aufgeweicht ist.
Hierbei tritt in der Regel kein Aufschmelzen des Materials auf. Das Material beider Bauteile bleibt in der (plastifizierten) Festphase.
Durch einen Vorschub des FSW-Werkzeugs entlang der Stoßfuge (Schweißrichtung) und eine Rotation des Schweißstifts, wird bei den bekannten Verfahren das plastifizierte Material beider Bauteile um den Schweißstift herum transportiert und vermengt. In der Schweißrichtung hinter dem FSW-Werkzeug bildet sich eine geschlossene Schweißnaht aus dem vermengten plastifizierten Material beider Bauteile.
Die bisher bekannten FSW-Prozesse dienen mehrheitlich zur Verbindung von Bauteilen aus identischen Materialien oder aus ähnlichen Legierungen desselben Basis-Metallwerkstoffs, insbesondere aus Aluminium bzw. Aluminium-Legierungen. Ferner wurden vereinzelt Bauteile aus demselben Basis-Metallwerkstoff oder aus unterschiedlichen Basis-Metallwerkstoffen und mit jeweils gleichen oder sehr ähnlichen Schmelzpunkten durch Rührreibschweißen verbunden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte FSW-Technologie aufzuzeigen, die eine breitere Anwendbarkeit des Rührreibschweißens für unterschiedliche Materialkombinationen bietet.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale in den eigenständigen Ansprüchen.
Das Rührreibschweißverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung dient zum Verbinden zweier Bauteile, wobei das erste Bauteil aus einem Material mit einer ersten niedrigen Schmelztemperatur und das zweite Bauteil aus einem Material mit einer zweiten und deutlich höheren Schmelztemperatur bestehen. Insbesondere kann das Material des ersten Bauteils in einem Temperaturbereich plasitifiziert werden, der unterhalb des Temperaturbereichs liegt, der zum Plastifizieren des Materials des zweiten Bauteils erforderlich wäre. Andererseits kann der Unterschied zwischen den Schmelzpunkten so hoch sein, dass bei Erreichen des Temperaturbereichs, in dem das Material des zweiten Bauteils plastifizierbar wäre, bereits der Schmelzpunt des Materials des ersten Bauteils überschritten wäre.
Das erste Bauteil kann beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung bestehen. Das zweite Bauteil kann aus einem Stahlwerkstoff bestehen. Daneben sind weitere Materialkombinationen möglich.
Das Rührreibschweißverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst zumindest die nachfolgenden Schritte, die in der angegebenen oder einer etwaig anderen Reihenfolge ausgeführt werden können.
Das erste und das zweite Bauteil werden unter Bildung eines Stumpf-Stoßes zwischen einer ersten Stoßkante des ersten Bauteils und einer zweiten Stoßkante des zweiten Bauteils positioniert. Die Positionierung kann auf beliebige Weise geschehen, beispielsweise durch eine geeignete Bauteilaufnahme mit einer Spannvorrichtung.
Das erste Bauteil wird durch ein Rührreibschweißwerkzeug (FSW-Werkzeug) kontaktiert und zwar bevorzugt in einem Oberflächenbereich neben der Stoßfuge.
Das Material des ersten Bauteils wird plastifiziert und der Schweißstift des FSW-Werkzeugs wird in das Material des ersten Bauteils eingetaucht, insbesondere bis die Schulter des FSW-Werkzeugs an der Außenoberfläche des ersten Bauteils anliegt.
Der Schweißstift des FSW-Werkzeugs wird im Wesentlichen senkrecht auf die zweite Stoßkante des zweiten Bauteils zubewegt und an diese angepresst. Gleichzeitig werden der Schweißstift und die Schulter des FSW-Werkzeugs in Rotation gehalten, wobei ggf. weiteres Material des ersten Bauteils plastifiziert wird.
Das FSW-Werkzeug und insbesondere der Schweißstift werden entlang der zweiten Stoßkante des zweiten Bauteils geführt, wobei der Verlauf der Stoßkante die Schweißrichtung bzw. Schweißbahn definiert.
Das Rührreibschweißverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung kann bevorzugt vollständig ohne eine Plastifizierung des Materials des zweiten Bauteils ausgeführt werden. Wie nachfolgend im Detail ausgeführt wird, können in einer durch das vorliegende Verfahren gebildeten Schweißverbindung gute Festigkeitseigenschaften erzeugt werden, die anteilig oder überwiegend auf der Bildung eines Formschlusses zwischen der Schweißnaht und dem zweiten Bauteil und ggf. auf Diffusionsvorgängen beruhen.
Eine Schweißverbindung gemäß der vorliegenden Offenbarung ist zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil ausgebildet, die aus Materialien mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen bestehen. Zwischen den Bauteilen liegt eine durch Rührreibschweißen erzeugte Schweißnaht vor, die im Wesentlichen aus plastifiziertem und wieder erstarrtem Material des ersten Bauteils besteht. An dem zweiten Bauteil liegt eine Stoßkante vor, die durch Formschluss in der Schweißnaht eingebettet ist. Ggf. kann in der Schweißnaht ein plastifiziertes und wieder erstarrtes Material eines Zusatzwerkstoffs enthalten sein, der sich von dem Material des zweiten Bauteils unterscheidet und insbesondere eine Schmelztemperatur aufweist, die der Schmelztemperatur des Materials des ersten Bauteils entspricht oder nahe liegt.
Die vorliegende Offenbarung umfasst weiterhin ein Rührreibschweiß-Werkzeug (FSW-Werkzeug), das für die Verwendung in dem Schweißverfahren optimiert ist sowie eine Bearbeitungsvorrichtung zur Durchführung des Schweißverfahrens.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung, den beigefügten Zeichnungen sowie den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft und schematisch dargestellt. Es zeigen:
1 bis 3: das offenbarungsgemäße Schweißverfahren in einer Schrägbildansicht und zwei Schnittansichten;
4 und 5: zwei Ausführungsvarianten einer Schweißverbindung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
6A bis 6C: vergrößerte Schnittdarstellungen für eine erste Ausführungsvariante des Schweißverfahrens aus 1;
7A bis 7C: vergrößerte Schnittdarstellungen für eine weitere Ausführungsvariante des Schweißverfahrens aus 1;
8A bis 8C: beispielhafte Ausführungen eines FSW-Werkzeugs;
9: eine vergrößerte Schnittansicht einer Schweißverbindung;
10: eine Schemadarstellung einer Bearbeitungsvorrichtung zur Durchführung des Schweißverfahrens.
1 zeigt eine Schrägansicht auf zwei Bauteile (20, 30), die durch das offenbarungsgemäße Rührreibschweißverfahren verbunden werden. Die beiden Bauteile (20, 30) sind in 1 in einer Schnittdarstellung gezeigt. 2 zeigt eine Längsschnittansicht gemäß dem Pfeil II in 1. 3 zeigt eine Querschnittansicht gemäß Pfeil III in 1.
Das erste Bauteil (20) besteht aus einem Material mit einer ersten niedrigen Schmelztemperatur. Es weist eine erste Stoßkante (21) auf. Das zweite Bauteil (30) besteht aus einem Material mit einer zweiten und deutlich höheren Schmelztemperatur und weist eine zweite Stoßkante (31) auf.
Die Bauteile (20, 30) sind derart zueinander positioniert, dass zwischen der ersten Stoßkante (21) des ersten Bauteils (20) und der zweiten Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30) ein Stumpf-Stoß gebildet ist. Zwischen den Stoßkanten (21, 31) ist also eine Stoßfuge gebildet.
In dem Beispiel von 1 bis 3 erstreckt sich das erste Bauteil (20) unterhalb der Stoßfuge noch weiter in Richtung des zweiten Bauteils (30). Wie weiter unten erläutert wird, kann diese zusätzliche Erstreckung in dem Schweißverfahren vorteilhaft zur Bildung eines Makro-Formschlusses genutzt werden. Alternativ kann das erste Bauteil (20) ohne eine solche Erstreckung unterhalb der Stoßfuge ausgebildet sein.
Das erste Bauteil (20) weist in einem Bereich neben der Stoßfuge eine Materialanhäufung (24) auf, die hier durch einen Überstand des ersten Bauteils (20) über die auf der Seite des FSW-Werkzeugs gelegene Außenoberfläche (32) des zweiten Bauteils (30) gebildet ist. Eine solche Materialanhäufung (24) kann alternativ auf andere Weise gebildet sein.
Das erste Bauteil (20) wird durch ein Rührreibschweißwerkzeug (FSW-Werkzeug) (10) in einem Bereich der Außenoberfläche (22) des ersten Bauteils (20) neben der Stoßfuge kontaktiert. Das FSW-Werkzeug (10) und insbesondere der daran angeordnete Schweißstift (11) sowie eine Schulter (12) werden separat oder gemeinsam rotiert. Durch den reibenden Kontakt des FSW-Werkzeugs an der Oberfläche (22) des ersten Bauteils (20) wird das Material des ersten Bauteils (20) lokal plastifiziert, hier zunächst im Bereich der Materialanhäufung (24) und dann weiter nach innen fortschreitend.
6A zeigt eine erläuternde Schnittdarstellung auf den Stumpf-Stoß zwischen den Bauteilen (20, 30) und das Ansetzen des FSW-Werkzeugs in einem Bereich neben der Stoßfuge.
Der Schweißstift (11) des FSW-Werkzeugs (10) wird in das plastifizierte Material (40) des ersten Bauteils (20) bzw. der Materialanhäufung (24) eingetaucht, wobei nach und nach auch weiter innen liegendes Material des ersten Bauteils (20) plastifiziert wird. Die Eintauch-Bewegung ist in Übergang von 6A zu 6B dargestellt sowie in 1 mit der Bezugsziffer (Z1) gekennzeichnet.
Die Eintauchbewegung kann im Wesentlichen senkrecht zur Außenoberfläche (22) des ersten Bauteils (20) bzw. der Materialanhäufung (24) erfolgen. Alternativ kann das FSW-Werkzeug (10) bereits während des Ansetzens oder des Eintauchens eine Neigung gemäß mindestens einem der weitern unten beschriebenen Neigungswinkel (A1, A2) aufweisen (vgl. 1).
Die Eintauch-Bewegung wird bevorzugt mindestens so weit ausgeführt, dass die am dorsalen Ende des Schweißstifts (11) angrenzende und sich nach außen hin erstreckende Schulter (12) des FSW-Werkzeugs (10) an der Oberfläche (22) des ersten Bauteils (20) bzw. der Materialanhäufung (24) zur Anlage kommt. Durch die weitere Rotation des Schweißstifts (11) und der Schulter (12) und insbesondere den reibenden Kontakt zwischen der Schulter (12) und der Oberfläche des ersten Bauteils (20) bzw. der Materialanhäufung (24) wird noch weiteres Material des ersten Bauteils (20) sowie der Materialhäufung (24) plastifiziert.
Der Schweißstift (11) wird im Wesentlichen senkrecht gegen die zweite Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30) angepresst. Dabei wird etwaig zwischen dem Schweißstift (11) und der Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30) befindliches Material des ersten Bauteils (20) ebenfalls plastifiziert und verdrängt. Die Form der ersten Stoßkante (21) wird aufgelöst, während die Form der zweiten Stoßkante (31) im Wesentlichen erhalten bleibt.
Die Anpressbewegung ist im Übergang von 6B zu 6C dargestellt sowie in 1 mit dem Bezugszeichen (Z2) gekennzeichnet. Das Anpressen (Z2) an die zweite Stoßkante (31) erfolgt bevorzugt ohne das Material des zweiten Bauteils (30) zu plastifizieren. Insbesondere wird bevorzugt weiterhin vermieden, dass das Material des ersten Bauteils (20) über die Plastifizierung hinaus erwärmt wird oder aufschmilzt. Die Dynamik (Rotationsgeschwindigkeit, Eintauchgeschwindigkeit, Führungsgeschwindigkeit) des Schweißverfahrens kann in Abhängigkeit von den Materialien der Bauteile (10, 30) entsprechend angepasst werden.
Das Anpressen (Z2) des Schweißstifts (11) an die zweite Stoßkante (31) erfolgt bevorzugt unter einer vorgegebenen Anpresskraft (FN) in Normalrichtung bzw. senkrecht auf die Stoßkante (31).
Das FSW-Werkzeug (10) wird an der zweiten Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30) entlang geführt, wobei der Schweißstift (11) bevorzugt permanent die Stoßkante (31) kontaktiert. Der Verlauf der zweiten Stoßkante (31) gibt somit die Schweißrichtung (SR) bzw. Schweißbahn vor. Die Führungsbewegung bzw. Schweißbewegung entlang der Stoßkante (31) ist in 1 mit dem Bezugszeichen (Z3) gekennzeichnet.
Besonders bevorzugt wird die senkrechte Anpresskraft (FN) an die zweite Stoßkante (31) während der Bewegung des FSW-Werkzeugs (10) in der Schweißrichtung (SR) aufrechterhalten und ggfs. in der Höhe variiert. Mit anderen Worten wird der Schweißstift (11) während der gesamten Bewegung entlang der Schweißrichtung (SR) gegen die Stoßkante (31) des zweiten Bauteils angepresst, ohne jedoch die Stoßkante (31) bzw. das Material des zweiten Bauteils (30) zu plastifizieren.
Durch die Bewegung des FSW-Werkzeugs (Rotation + Führungsbewegung) wird das plastifizierte Material (40) derart geformt, dass die zweite Stoßkante (31) durch Formschluss (42, 42a, 42b) in der Schweißnaht (41) aufgenommen wird. Der Formschluss kann als Makro-Formschluss (42b) und/oder als Mikro-Formschluss (42a) erzeugt werden. Nachfolgend werden verschiedene Aspekte erläutert, die einzeln oder gemeinsam bzw. in beliebiger Kombination einen Beitrag zur Formung des plastifizierten Materials (40) bzw. zur Ausbildung eines Formschlusses (42, 42a, 42b) leisten können.
Gemäß einem ersten Aspekt werden während des Schweißverfahrens Aufrauhungen und/oder Aufrisse (36) in der vom Schweißstift (11) kontaktierten Stoßkantenfläche (33) und ggfs. einer Außenoberfläche (35) des zweiten Bauteils (30) erzeugt. Weiter unten werden Merkmale des FSW-Werkzeugs (10) erläutert, die die Bildung von Aufrauhungen und/oder Aufrissen (36) unterstützen können. Alternativ oder zusätzlich können bereits vor der Durchführung des Schweißvorgangs eingebrachte Aufrauhungen, Aufrisse oder sonstige geeignete Oberflächenstrukturen an dem zweiten Bauteil (30) vorgesehen sein, welche einen Formschluss (42, 42a, 42b) mit der Schweißnaht (41) unterstützen. Nachfolgend wird repräsentativ für die Gesamtheit der vorerwähnten Strukturen der Begriff Aufrauhungen oder Aufrisse (36) verwendet.
Das Anpressen des Schweißstifts (11) an die zweite Stoßkante (31) kann weiterhin eine lokale Erwärmung des Materials des zweiten Bauteils (30) unterstützen sowie den Druck steigern, mit dem das plastifizierte Material (40) auf die Stoßkante (31) gefördert bzw. geformt wird. Erwärmung und Druck können Diffusionsvorgänge begünstigen, die zur Bildung von einer oder mehreren Diffusions-Zonen (43) im Kontaktbereich zwischen der Schweißnaht (41) und dem zweiten Bauteil (30) führen. Durch solche Diffusions-Zonen (43) kann zusätzlich zu dem Formschluss (42, 42a, 42b) ein anteiliger Stoffschluss erzeugt werden. Ferner kann es je nach Materialart und Homogenität zu einem geringförmigen Plastifizieren des zweiten Bauteils (30) kommen, wobei allerdings die Form der zweiten Stoßkante (31) nicht oder nur unwesentlich verändert wird.
Während des Schweißvorgangs wird bevorzugt plastifiziertes Material (40) durch eine Bewegung des FSW-Werkzeugs (10), insbesondere eine Rotation und Führung des Schweißstifts (11), in die Aufrauhungen oder Aufrisse (36) an dem zweiten Bauteil (30) eingebracht insbesondere eingepresst und/oder eingespült. Die Aufrauhungen oder Aufrisse (36) können einerseits die durch den Schweißstift (11) erzeugten Aufrauhungen oder Aufrisse sein. Alternativ oder zusätzlich können es die Aufrauhungen oder Aufrisse (36) oder sonst geeignete Oberflächenstrukturen an dem zweiten Bauteil (30) sein, die beispielsweise durch eine vorherige Bearbeitung der Stoßkante (31) erzeugt worden sind und/oder an einer anderen Außenkontur des zweiten Bauteils (30) vorliegen, insbesondere an einer Außenoberfläche (32, 35) des zweiten Bauteils (30) oder im Bereich eines Übergangs zwischen einer Außenoberfläche (32, 35) und der Stoßkante (31).
Durch die Einbringung des plastifizierten Materials (40) in die Aufrauhungen oder Aufrisse (36) wird ein Mikro-Formschluss (42a) zwischen der Schweißnaht (41) und dem zweiten Bauteil (30) geschaffen. 9 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht auf eine Schweißverbindung gemäß der vorliegenden Offenbarung und diverse Aufrauhungen oder Aufrisse (36) an dem zweiten Bauteil (30). Durch die Aufrauhungen oder Aufrisse (36) erhöht sich das Maß der Oberfläche zwischen dem plastifizierten Material (40) und dem zweiten Bauteil (30), was weiterhin die Ausbildung von Diffusions-Zonen (43) begünstigt.
Gemäß einem weiteren Aspekt, der alternativ oder zusätzlich zu dem vorhergehenden Aspekt vorgesehen sein kann, wird die Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30) in der Schweißnaht (41) bzw. dem plastifizierten Material (40) des ersten Bauteils (20) eingebettet (Makro-Formschluss). Das Einbetten kann auf der zu dem FSW-Werkzeug weisenden Außenoberfläche (32) und/oder auf der vom FSW-Werkzeug (10) abgewandten Außenoberfläche (35) erfolgen. In dem Beispiel von 9 erstrecken sich Anteile der Schweißnaht (41) beispielhaft über beide Außenoberflächen (32, 35). Ferner ist im Bereich der vom FSW-Werkzeug abgewandten Außenoberfläche (32) eine zusätzliche Aufrauhung oder Nut (37) erzeugt, in die ebenfalls plastifiziertes Material (40) der Schweißnaht (41) eingebracht ist.
Während des Schweißverfahrens wird das plastifizierte Material (40) bevorzugt derart geformt, dass die daraus gebildete Schweißnaht (41) die Stoßkante (31) im Querschnitt zumindest an zwei, bevorzugt an drei Seiten umgibt.
Wie in der Querschnittdarstellung von 3 ersichtlich, kann das FSW-Werkzeug (10) während des Schweißvorgangs bevorzugt um eine tangential zur Stoßkante (31) des Bauteils (30) verlaufende Achse (K1) zu dem ersten Bauteil (20) hin geneigt sein. Die Neigung kann während des gesamten Schweißvorgangs vorliegen. Alternativ kann die Neigung zwischen dem Eintauchen (Z1) und dem Anpressen (Z2) herbeigeführt werden. Der (erste) Neigungswinkel um die Achse (K1) ist in 3 mit Bezugszeichen (A1) gekennzeichnet. Die Neigung (A1) ist bevorzugt derart gewählt, dass das plastifizierte Material (40) durch die Schulter (12) des FSW-Werkzeugs (10) zu der Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30) hin geformt wird. Mit anderen Worten wird durch die geneigte Anstellung des FSW-Werkzeugs (10) gegenüber den Bauteilen (20, 30) bzw. gegenüber der Stoßfuge den (erste) Neigungswinkel (A1) sowie durch die Rotation der Schulter (12) bewirkt, dass das plastifizierte Material (40) tendenziell zu der Seite des zweiten Bauteils (30) hin verdrängt oder gefördert wird, was die oben genannte Formung des plastifizierten Materials (40) zur Herstellung eines Formschlusses (42, 42a, 42b) unterstützt.
Wie in 2 dargestellt kann das FSW-Werkzeug (10) alternativ oder zusätzlich um eine normal zur Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30) verlaufende Achse (K2) von der Schweißrichtung (SR) weggeneigt sein. Der zugehörige (zweite) Neigungswinkel im die Achse (K2) ist in 2 mit Bezugszeichen (A2) gekennzeichnet.
Die Anstellung des FSW-Werkzeugs (10) an die Bauteile (20, 30) bzw. die Stoßfuge unter dem zweiten Neigungswinkel (A2) bewirkt, dass der in der Schweißrichtung (SR) vorauslaufende Teil der Schulter (12) einen größeren Abstand zur Außenoberfläche (32) des zweiten Bauteils (30) hat als der in Schweißrichtung (SR) nachlaufende Teil. Gegebenenfalls kann der nachlaufende Teil der Schulter (12) am zweiten Bauteil (30) anliegen.
Der Neigungswinkel (A2) kann insbesondere so gewählt sein, dass der vorauslaufende Teil der Schulter (12) gerade die Außenoberfläche (22) des ersten Bauteils (20) bzw. der Materialanhäufung (24) überragt.
Durch die Anstellung des FSW-Werkzeugs (10) um den zweiten Neigungswinkel (A2) und die Führung des FSW-Werkzeugs (10) entlang der Stoßkante (31) sowie die Rotation der Schulter (12) wird bewirkt, dass einerseits die Materialanhäufung (24) durch die Schulter (12) plastifiziert wird und andererseits dass das plastifizierte Material (40) in Richtung der von dem FSW-Werkzeug (10) abgewandten Seite der Schweißnaht (41) bzw. gefördert wird. Mit anderen Worten wird das plastifizierte Material (40) unter Druck in Richtung der Stoßfuge verdrängt, so dass eine vollständige Bedeckung der Oberfläche des zweiten Bauteils (30) im Bereich der Schweißnaht (41) durch das plastifizierte Material (40) begünstigt wird.
Die Materialanhäufung (24) kann gemäß dem Beispiel in 1 bis 3 sowie 6A bis 6C durch einen Überstand des ersten Bauteils (20) über die zum FSW-Werkzeug (10) gerichtete Außenoberfläche (32) des zweiten Bauteils (30) gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine Materialanhäufung (24) durch einen neben oder über der Stoßfuge angeordneten Streifen aus einem Zusatz-Werkstoff (25) gebildet sein (vergleiche 7A bis 7C).
Wie aus den Darstellungen in 6C und 7C ersichtlich ist, kann plastifiziertes Material (40), das insbesondere aus der Materialanhäufung (24) neben oder über der Stoßfuge stammt, über die auf der Seite des FSW-Werkzeugs (10) gelegene Außenoberfläche (32) des ersten Bauteils (30) gefördert bzw. geformt werden. Hierdurch wird die Stoßkante (31) des ersten Bauteils (30) in die Schweißnaht (41) durch einen Makro-Formschluss (42b) an der zum FSW-Werkzeug (10) weisenden Außenoberfläche (32) und/oder im Übergangsbereich zwischen der Stoßkante (31) und der Außenoberfläche (32) eingebettet. Mit anderen Worten steht die Schweißnaht (41) über die Stoßkante (31) nach außen hin über.
Die Höhe und Breite des Überstands der Schweißnaht (41) über die Außenoberfläche (32) kann durch die Form der Schulter (12), das Maß der Anstellwinkel (A1, A2), die Größe der Materialanhäufung (24) sowie die Rotation des FSW-Werkzeugs (10) beeinflusst werden. Während 6C und 7C verhältnismäßig dicke Überstände auf der zum FSW-Werkzeug (10) weisenden Außenoberfläche (32) zeigen, ist in dem Beispiel von 5 ein verhältnismäßig schmaler Überstand der Schweißnaht (41) dargestellt. In dem Beispiel von 4 ist eine Schweißverbindung (50) ohne einen Überstand der Schweißnaht (41) über die zum FSW-Werkzeug weisende Außenoberfläche (32) gezeigt. Diese Form der Schweißnaht (41) kann erzeugt werden, wenn das FSW-Werkzeug soweit zugestellt wird, dass es zumindest punktuell die zweite Stoßkante (31) und/oder die Außenoberfläche (32) des zweiten Bauteils (30) kontaktiert.
In dem Beispiel von 6A bis 6C sowie 1 bis 3 weist das erste Bauteil (20) eine deutlich größere Wandstärke auf als das zweite Bauteil (30). Es erstreckt sich insbesondere noch zumindest ein Stück weit unterhalb der Stoßfuge in Richtung des zweiten Bauteils (30). Der Schweißstift (11) ist derart ausgebildet und geführt, dass er während der Schweißbewegung zumindest die ganze Stoßkante (31) im Querschnitt überdeckt. Er kann gegebenenfalls ein Stück weit in beiden Richtungen über die Stoßkante (31) hinausragen. Durch die Rotation und Führung des Schweißstifts (11) wird somit auch ein Bereich des Materials des ersten Bauteils (20) unterhalb (von FSW-Werkzeug (10) abgewandte Seite) des zweiten Bauteils (30) plastifiziert. Durch die oben beschriebene Führung und Anstellung des FSW-Werkzeugs wird auch der unterhalb der Stoßfuge bzw. unterhalb des zweiten Bauteils (30) plastifizierte Bereich unter Druck gesetzt, so dass das plastifizierte Material auch dort gegen die Oberfläche des zweiten Bauteils (30) gefördert bzw. gepresst und ein deckendes Anhaften an der Außenoberfläche (35) begünstigt werden.
In 7A bis 7C ist eine alternative Ausführungsvariante dargestellt. Hier weisen das erste Bauteil (20) und das zweite Bauteil (30) im Bereich der Stoßkanten (21, 31) im Wesentlichen übereinstimmende Wandstärken auf. Die Bauteile (20, 30) sind an bzw. in einer Bauteilaufnahme (61) angeordnet und gegebenenfalls gespannt. In der Bauteilaufnahme (61) ist weiterhin im Bereich unter der Stoßfuge eine Ausnehmung (65) vorgesehen, die zur Formung des Schweißwulstes dienen kann. Sie wird im Weiteren als Wulstformausnehmung (65) bezeichnet.
Analog zu den obigen Ausführungen wird bei dem in 7A bis 7C dargestellten Vorgehen das FSW-Werkzeug (10) mit dem Schweißstift (11) in einem Bereich neben der Stoßfuge an das erste Bauteil (20) bzw. die Materialanhäufung (24) des Zusatz-Werkstoffs (25) angesetzt und unter Plastifizierung der Materialanhäufung (24) sowie des Materials des ersten Bauteils (20) eingetaucht. Wie aus der Darstellung in 7B hervorgeht, kann ein Teil des plastifizierten Materials (40) durch die Bewegung des FSW-Werkzeugs (10) in die Wulstformausnehmung (65) gefördert werden, was durch eine noch weitere Zustellung des FSW-Werkzeugs und/oder die Anstellung des FSW-Werkzeugs um den zweiten Neigungswinkel (A2) noch verstärkt werden kann. Das plastifizierte Material (40) kann während der Schweißbewegung durch die Wulstformausnehmung (65) und die oben beschriebene Förderwirkung in Richtung der vom FSW-Werkzeug (10) abgewandten Außenoberfläche (35) gefördert bzw. geformt werden, um dort einen Überstand zu bilden und die Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30) durch Makro-Formschluss (42b) einzubetten.
8A bis 8C zeigen bevorzugte Ausführungsvarianten eines Rührreibschweiß-Werkzeugs (10) (FSW-Werkzeug) gemäß der vorliegenden Offenbarung. Der Schweißstift (11) des FSW-Werkzeugs (10) hat bevorzugt eine konische Grundform, wobei der Öffnungswinkel im Wesentlichen dem ersten Neigungswinkel (A1) entspricht. Ferner weist die Schulter (12) des FSW-Werkzeugs (10) bevorzugt eine konkave Form auf. Zwischen der Schulter (12) und der Mantelfläche (17) des Schweißstifts (11) kann bevorzugt ein Winkel von 90 Winkelgrad oder weniger vorgesehen sein. Durch diese Formgebungen werden jeweils o.g. die Förderwirkungen auf das plastifizierte Material (40) erzeugt bzw. verstärkt.
Der Schweißstift (11) ist bevorzugt aus einem Material mit einer solchen Festigkeit und Belastbarkeit gefertigt, dass er mit marktüblichen Standzeiten einer Bearbeitung der zweiten Stoßkante (31) standhält. Hierfür ist beispielsweise eine Wolfram-Rhenium-Legierung geeignet.
Der Schweißstift (11) kann durch verschiedene Ausbildungsmerkmale dazu beitragen, in der Stoßkante (31) Aufrauhungen oder Aufrisse (36) zu bilden und/oder die Förderwirkung auf das plastifizierte Material und insbesondere das Einbringen des plastifizierten Materials in die Aufrauhungen oder Aufrisse (36) zu begünstigen.
Gemäß der Darstellung in 8A kann der Schweißstift (11) zumindest auf der Mantelfläche (17) ring- oder spiralförmig angeordnete Reib- oder Schneidflächen (15) aufweisen. Ferner kann der Schweißstift (11) eine, zwei oder mehr Längs-Riefen (16) in der Mantelfläche (17) aufweisen. Die Längs-Riefen (16) können eine Neigung zur Drehrichtung hin haben, sodass eine anteilige Förderwirkung in Richtung der Spitze des Schweißstiftes (11) erzeugt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt, der mit den vorgenannten Ausbildungsmerkmalen kombinierbar ist, kann der Schweißstift (11) eine im Längsschnitt durch die Rotationsachse konkave Außenkontur (13) aufweisen (vgl. 8B). Die konkave Außenkontur (13) kann zumindest einen Randabschnitt aufweisen, der während des Schweißvorgangs die Stoßkantenfläche (33) des zweiten Bauteils (30) verformt. Dabei kann insbesondere der Übergang zwischen der zum FSW-Werkzeug weisenden Außenoberfläche (32) und der Stoßkantenfläche (33) derart verformt werden, dass der Makro-Formschluss (42b) an diesem Übergangsbereich verstärkt wird (vgl. Schnittdarstellung in 9).
Die Bildung von Aufrauhungen oder Aufrissen (36) kann weiterhin in dem Schweißverfahren unterstützt werden, indem die Anpresskraft (FN) des Schweißstiftes (11) gegen die zweite Stoßkante (31) aufrechterhalten oder eingestellt wird.
Gemäß einer weiteren Alternative kann die (momentan aufgebrachte oder wirksame) Anpresskraft (FN) gegen die zweite Stoßkante (31) erfasst werden, beispielsweise durch einen Kraft- oder Momentensensor an der Bauteilaufnahme und/oder durch eine Kraft- oder Momenten-Messung im FSW-Werkzeug (10) oder einem das FSW-Werkzeug (10) führenden Manipulator (62).
Weiterhin kann die Höhe der Anpresskraft (FN) des Schweißstifts (11) gegen die zweite Stoßkante (31) auf eine Soll-Kraft geregelt werden. Die Soll-Kraft kann in Abhängigkeit von der Kontur der Bauteile (20, 21) lokal unterschiedlich vorgegeben sein.
Eine weitere Möglichkeit zur Unterstützung der Bildung von Aufrauhungen oder Aufrissen (36), die alternativ oder zusätzlich zu der Kraftmessung oder Kraftregelung vorgesehen sein kann, besteht in der Erfassung und gegebenenfalls Regelung einer Kontaktierung zwischen dem Schweißstift (11) an dem FSW-Werkzeug (10) und der zweiten Stoßkante (31). Es kann insbesondere ein Kontaktierungssensor (63) an dem zweiten Bauteil (30) angeordnet oder mit diesem in Kontakt gebracht sein (vgl. 1 und 9), um aus dem Kontakt mit dem Schweißstift (11) resultierende Parameter zu erfassen. Zu diesen Parametern können insbesondere Vibrationen gehören, deren Frequenz und/oder Amplitude messbar ist. Dementsprechend kann ein Kontaktierungssensor als Schwingungssensor (63) ausgebildet sein. Alternativ sind beliebige andere Messverfahren zur Erfassung der Vorliegens und/oder der Stärke einer Kontaktierung zwischen dem Schweißstift (11) und der zweiten Stoßkante (31) möglich. Die Stärke der Kontaktierung kann insbesondere auf eine Soll-Kontaktierungsstärke geregelt werden.
8C zeigt eine weitere Ausführungsvariante des Schweißstifts (11), die mit den oben genannten Aspekten kombiniert oder für sich allein vorgesehen sein kann. Am distalen Ende des Schweißstifts (11) ist eine sich in Radialrichtung erstreckende und über die Mantelfläche (17) des Schweißstifts (11) überstehende Reib- oder Schneidkontur (18) angeordnet. Wie aus der Beispieldarstellung in 8C hervorgeht, kann diese Reib- oder Schneidkontur (18) während des Schweißvorgangs mit der vom FSW-Werkzeug (10) abgewandten Außenoberfläche (35) des zweiten Bauteils (30) in Kontakt gebracht werden, um auch dort eine zusätzliche Aufrauhung oder einen zusätzlichen Aufriss (37) zu erzeugen. Aufgrund der oben genannten Förderwirkung auf das plastifizierte Material (40) kann auch diese zusätzliche Aufrauhung oder der zusätzliche Aufriss (37) zur Bildung eines Makro-Formschlusses (42b) aufgefüllt werden (vgl. Schnittdarstellung in 9).
10 zeigt eine Bearbeitungsvorrichtung zur Durchführung eines Rührreibschweißverfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die Bearbeitungsvorrichtung (60) umfasst eine Bauteilaufnahme (61), die beispielsweise gemäß den obigen Erläuterungen ausgebildet sein kann. Die Bauteilaufnahme (61) kann insbesondere eine Wulstformausnehmung (65) aufweisen.
Die Bearbeitungsvorrichtung (60) umfasst ferner einen Manipulator (62), der bevorzugt als ein 6- oder 7-achsiger Industrieroboter ausgebildet ist. Der Manipulator (62) führt ein FSW-Werkzeug (10), das bevorzugt gemäß einer der oben genannten Varianten ausgebildet ist.
Die Bauteilaufnahme (61) ist dazu ausgebildet, das erste Bauteil (20) und das zweite Bauteil (30) aufzunehmen und zu positionieren. Die Bauteilaufnahme (61) kann ein- oder mehrteilig ausgeführt sein.
Die Bearbeitungsvorrichtung (60) umfasst eine Steuerung (64), insbesondere eine Manipulatorsteuerung, die dazu ausgebildet ist, ein Rührreibschweißverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung auszuführen. Die Bearbeitungsvorrichtung (60) kann bevorzugt den oben genannten Kontaktierungssensor (63) umfassen, der bevorzugt mit der Steuerung (64) verbunden ist. Ferner können in der Steuerung (64) Anweisungen enthalten sein, um die Stärke der Kontaktierung und/oder die Höhe der Anpresskraft (FN) in Abhängigkeit von dem Messergebnis des Kontaktierungssensors (63) zu regeln.
Alternativ oder zusätzlich kann zumindest ein Kraft- oder Momentensensor (66) an der Bearbeitungsvorrichtung (60) und/oder an dem Manipulator (62) vorgesehen sein, um die Anpresskraft (FN) des Schweißstifts gegen die zweite Stoßkante (31) zu erfassen. In der Steuerung (64) können Anweisungen zur Regelung des Schweißverfahrens und insbesondere der Anpresskraft (FN) in Abhängigkeit von dem Messergebnis des mindestens ein Kraft- oder Momentensensors (66) vorliegen.
Aus den Messergebnissen des Kontaktierungssensors (63) und/oder des Kraft- oder Momentensensors (66) können ggfs. Rückschlüsse über das plastifizierte Material (40) gezogen werde, beispielsweise hinsichtlich dessen Duktilität und Viskosität.
Abwandlungen der Erfindung sind in verschiedener Weise möglich.
Alle zu den vorgenannten Beispielen beschriebenen, gezeigten, beanspruchten oder in sonstiger Weise offenbaren Merkmale können in beliebiger Weise miteinander kombiniert, gegeneinander ersetzt, ergänzt oder weggelassen werden.
Die Materialien der beiden Bauteile (20, 30) können auch Nichtmetalle wie Kunststoffe oder Keramiken sein. Der Manipulator (62) kann eine Werkzeugmaschine sein. Anstelle der Führung des FSW-Werkzeugs (10) relativ zu den fest positionierten Bauteilen (20, 30) kann eine beliebige andere Kinematik vorliegen. Beispielsweise können zwei oder mehr Bauteile (20, 30) in einer beweglichen Bauteilaufnahme (61) aufgenommen und positioniert sein. Die Bauteile können durch die Bewegung der Bauteilaufnahme (61) gegenüber einem stationär angeordneten FSW-Werkzeug (10) geführt sein. Gegebenenfalls kann der Manipulator (62) (Industrieroboter) die Bauteilaufnahme (61) bzw. die Bauteile (20, 30) bewegen, um die Eintauchbewegung (Z1), die Anpressbewegung (Z2) sowie die Schweißbewegung (Z3) zu bewirken.
Das FSW-Werkzeug (10) kann während des Schweißverfahrens insgesamt mit einer einheitlichen Rotationsgeschwindigkeit gedreht werden. Alternativ können unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeiten und gegebenenfalls unterschiedliche Rotationsrichtungen für den Schweißstift (11) und die Schulter (12) vorgesehen sein.
Die Rotationsrichtung der Schulter (12) ist bevorzugt im Gegenlauf zur Bewegung des FSW-Werkzeugs (10) entlang der zweiten Stoßkante (31) orientiert (vgl. 1), d.h. entgegen einer Drehrichtung die beim Abwälzen des Schweißstifts (11) auf der Stoßkante (31) auftreten würde. Dasselbe gilt für die Rotationsrichtung des Schweißstifts (11).
Zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gehört eine Technologie zum Verbinden von Bauteilen (20, 30) aus unterschiedlichen Materialien durch Rührreibschweißen (FSW). Sie umfasst ein Verfahren, eine Schweißverbindung (50), ein FSW-Werkzeug (10) und eine Bearbeitungsstation bzw. Bearbeitungsvorrichtung (60). Die Bauteile (20, 30) werden unter Bildung eines Stumpfstoßes zwischen zwei Stoßkanten (21, 31) positioniert. Das FSW-Werkzeug (10) wird neben der Stoßfuge an dem ersten Bauteil, dessen Material eine geringere Schmelztemperatur aufweist, angesetzt und unter Plastifizieren des Materials (40) eingetaucht. Ein Schweißstift (11) wird senkrecht auf die Stoßkante (31) des zweiten Bauteils, dessen Material eine höhere Schmelztemperatur aufweist, aufgepresst (Z2, FN) und dann entlang der Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30) bewegt (Z3, SR). Das FSW-Werkzeug wird bevorzugt unter Anstellung in zwei Winkeln (A1, A2) bewegt. Die erzeugte Schweißverbindung basiert zumindest auf einem Formschluss (42, 42a, 42b) zwischen dem plastifizierten Material (40) in der Schweißnaht und der im Wesentlichen nicht plastifizierten Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30).
Bezugszeichenliste

10: FSW-Werkzeug
11: Schweißstift
12: Schulter
13: Konkave Außenkontur
15: Reib- oder Schneidfläche
16: Riefe / Längs-Riefe
17: Mantelfläche
18: Reib- oder Schneidkontur
20: Erstes Bauteil (niedriger Schmelzpunkt)
21: Erste Stoßkante
22: Außenoberfläche
24: Materialanhäufung
30: Zweites Bauteil (hoher Schmelzpunkt)
31: Zweite Stoßkante
32: Außenoberfläche auf Seite des FSW-Werkzeugs
33: Stoßkantenfläche
34: Materialanhäufung
35: Außenoberfläche von FSW-Werkzeug abgewandt
36: Aufrauhung / Aufriss
37: Aufrauhung / Aufriss
40: Plastifiziertes Material
41: Schweißnaht
42: Formschlüssige Verbindung
42a: Mikro-Formschluss
42b: Makro-Formschluss
43: Diffusions-Zone
50: Schweißverbindung
60: Bearbeitungsvorrichtung
61: Bauteilaufnahme / Spannwerkzeug
62: Manipulator
63: Kontaktierungssensor / Schwingungssensor
64: Steuerung
65: Wulstformausnehmung
66: Kraftsensor / Momentensensor
A1: Erster Anstellwinkel, Neigung zu erstem Bauteil hin
A2: Zweiter Anstellwinkel, Neigung entgegen Schweißrichtung
FN: Anpresskraft (senkrecht auf zweite Stoßkante)
K1: Achse tangential zu Stoßkante
K2: Achse normal zu Stoßkante
SR: Schweißrichtung
Z1: Eintauch-Bewegung
Z2: Anpress-Bewegung
Z3: Schweiß-Bewegung

Claims

Bearbeitungsvorrichtung umfassend eine Bauteilaufnahme (61), einen Manipulator (62) und ein von dem Manipulator (62) geführtes FSW-Werkzeug (10), wobei die Bauteilaufnahme (61) dazu ausgebildet ist, das erste Bauteil (20) und das zweite Bauteil (30) aufzunehmen und zu positionieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsvorrichtung (61) eine Steuerung (64) aufweist, die dazu ausgebildet ist, ein Rührreibschweißverfahren zum Verbinden zweier Bauteile (20, 30) auszuführen, wobei das erste Bauteil (20) aus einem Material mit einer ersten niedrigen Schmelztemperatur, insbesondere aus Aluminium, und das zweite Bauteil (30) aus einem Material mit einer zweiten und deutlich höheren Schmelztemperatur, insbesondere aus Stahl, bestehen, und wobei das Rührreibschweißverfahren die folgenden Schritte umfasst: – Positionieren des ersten und des zweiten Bauteils (20, 30) unter Bildung eines Stumpf-Stoßes zwischen einer ersten Stoßkante (21) des ersten Bauteils (20) und einer zweiten Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30); – Kontaktieren des ersten Bauteils (20) durch ein FSW-Werkzeug (10) in einem Oberflächenbereich (22) neben der Stoßfuge; – Lokales Plastifizieren des Materials des ersten Bauteils (20) und Eintauchen (Z1) des Schweißstiftes (11) des FSW-Werkzeugs (10) in das plastifizierte Material (40); – Im Wesentlichen senkrechtes Anpressen (Z2, FN) des Schweißstiftes (11) des FSW-Werkzeugs (10) an die zweite Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30), insbesondere ohne das Material des zweiten Bauteils (30) zu plastifizieren; – Führen (Z3) des FSW-Werkzeugs (10) in einer Schweißrichtung (SR) entlang der zweiten Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30).
Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Bewegung des FSW-Werkzeugs (10) in der Schweißrichtung (SR) unter Aufrechterhaltung der senkrechten Anpresskraft (FN) an die zweite Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30) erfolgt.
Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die im Wesentlichen nicht plastifizierte zweite Stoßkante (31) durch Formschluss (42, 41a, 42b) in der Schweißnaht (41) aufgenommen wird.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der Bauteilaufnahme (61) eine Wulstformausnehmung (65) vorgesehen ist, die auf der von dem FSW-Werkzeug abgewandten Seite der Bauteile (20, 30) unter der Stoßfuge anordenbar ist.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bearbeitungsvorrichtung (60) einen Kontaktierungssensor (63) umfasst, um das Vorhandensein und/oder die Stärke einer Kontaktierung zwischen einem Schweißstift (11) an dem FSW-Werkzeug (10) und einer zweiten Stoßkante (31) an dem zweiten Bauteil (30) zu erfassen, wobei der Kontaktierungssensor insbesondere mit der Steuerung (64) verbunden ist.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bearbeitungsvorrichtung (60) und/oder der Manipulator (62) mindestens einen Kraft- oder Momentensensor (66) aufweisen, um eine Anpresskraft (FN) eines Schweißstiftes (11) am FSW-Werkzeug (10) an eine zweite Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30) zu erfassen.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Aufrauhungen und/oder Aufrisse (36) in der von dem Schweißstift (11) kontaktierten Stoßkantenfläche (33) des zweiten Bauteils (30) erzeugt werden.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei plastifiziertes Material (40) durch eine Bewegung des FSW-Werkzeugs (10), insbesondere eine Rotation und Führung des Schweißstifts (11), in Aufrauhungen oder Aufrisse (46) an dem zweiten Bauteil, insbesondere an der zweiten Stoßkante (31), eingebracht wird, sodass die Aufrauhungen oder Aufrisse (46) durch Mikro-Formschluss (42a) in der Schweißnaht (41) eingebettet werden.
Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei ein Makro-Formschluss (42b) durch Einbetten der Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30) in dem plastifizierten Material (40) des ersten Bauteils (20) erzeugt wird.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das plastifizierte Material (40) derart geformt wird, dass die daraus gebildete Schweißnaht (41) die Stoßkante (31) im Querschnitt zumindest an zwei, bevorzugt an drei Seiten umgibt.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das FSW-Werkzeug (10) derart um eine tangential zur Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30) verlaufende Achse (K1) zu dem ersten Bauteil (20) hin geneigt (A1) ist, dass das plastifizierte Material (40) durch eine Schulter (12) des FSW-Werkzeugs (10) zu der Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30) hin geformt wird.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das FSW-Werkzeug (10) um eine normal zur Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30) verlaufende Achse (K2) von der Schweißrichtung (SR) weg geneigt (A2) ist.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an dem ersten Bauteil (20) in einem Bereich neben der Stoßfuge vor dem Schweißen eine Materialanhäufung (24) vorgesehen ist, die während des Schweißvorgangs plastifiziert und vom FSW-Schweißwerkzeug (10) geformt wird.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Bauteil (20) zumindest in einem Bereich neben der Stoßfuge im Vergleich zu zweiten Bauteil (30) eine vergrößerte Wandstärke aufweist, insbesondere wobei die Außenoberfläche (22) des ersten Bauteils (20) auf der Eingriffsseite des FSW-Werkzeugs (10) vor dem Schweißen gegenüber der Außenoberfläche (32) des ersten Bauteils (30) unter Bildung einer Materialanhäufung (24) nach außen versetzt ist.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Materialanhäufung (24) durch einen Zusatz-Werkstoff gebildet ist.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Materialanhäufung (24) am ersten Bauteil (20), die insbesondere in einem Bereich neben der Stoßfuge angeordnet ist, während des Schweißvorgangs plastifiziert und durch die Schulter (12) des FSW-Werkzeugs (10) zur Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30) hin geformt wird.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei plastifiziertes Material (40), insbesondere aus der Materialanhäufung (24), über die auf der Seite des FSW-Werkzeugs (10) gelegene Außenoberfläche (32) des ersten Bauteils (30) geformt wird, insbesondere um die Stoßkante (31) des ersten Bauteils (30) in die Schweißnaht (41) durch Makro-Formschluss (42b) einzubetten.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Teil der plastifizierten Materialanhäufung (24) um eine von dem FSW-Werkzeug (10) abgewandte Außenoberfläche (35) des ersten Bauteils (30) geformt wird, insbesondere um die Stoßkante (31) des ersten Bauteils (30) in der Schweißnaht (41) durch Makro-Formschluss (42b) einzubetten.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schweißstift (11) des FSW-Werkzeugs (10) eine im Querschnitt konkave Außenkontur (13) aufweist und wobei zumindest ein Randabschnitt der konkaven Außenkontur (13) während des Schweißens die Stoßkantenfläche (33) des zweiten Bauteils (30) verformt, insbesondere zur Bildung von Aufrauhungen oder Aufrissen (36).
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Anpresskraft (FN) des Schweißstifts (11) an der zweiten Stoßkante (31) erfasst wird.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Höhe einer Anpresskraft (FN) des Schweißstifts (11) gegen die zweite Stoßkante (31) auf eine Soll-Kraft geregelt wird.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vorliegen und ggfs. die Stärke einer Kontaktierung zwischen dem Schweißstift (11) an dem FSW-Werkzeug (10) und der zweiten Stoßkante (31) sensorisch erfasst werden, insbesondere durch einen Schwingungssensor (63).
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stärke einer Kontaktierung zwischen dem Schweißstift (11) und dem FSW-Werkzeug (10) auf eine Soll-Kontaktierungsstärke geregelt wird.
Schweißverbindung zwischen einem ersten Bauteil (20) und einem zweiten Bauteil (30), wobei das erste Bauteil (20) aus einem Material mit einer ersten niedrigen Schmelztemperatur, insbesondere Aluminium, und das zweite Bauteil (30) aus einem Material mit einer zweiten und deutlich höheren Schmelztemperatur, insbesondere Stahl, bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindung durch ein Rührreibschweiß-Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20 erzeugt ist, und dass an dem zweiten Bauteil eine Stoßkante (31) vorliegt, die durch Formschluss (42a, 42b) in einer Schweißnaht (41) eingebettet ist, die überwiegend oder vollständig aus dem plastifizierten Material des ersten Bauteils (20) oder einem Zusatz-Werkstoff gebildet ist.
Schweißverbindung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei an der Stoßkante (31) des zweiten Bauteils (30) Aufrauhungen oder Aufrisse (36) vorliegen, die in dem plastifizierten Material (40) der Schweißnaht (41) durch Mikro-Formschluss (42a) eingebettet sind.
Schweißverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Teilbereich einer neben der Stoßkante (31) liegenden Außenoberfläche (32, 35) in dem plastifizierten Material (40) der Schweißnaht (41) durch Makro-Formschluss (42b) eingebettet ist.
Schweißverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest im Bereich der Stoßkante (31) an dem zweiten Bauteil (30), insbesondere im Bereich von dortigen Aufrauhungen oder Aufrissen (36), eine oder mehrere Diffusions-Zonen (43) vorliegen, in denen ein oder mehrere Atome oder Moleküle des Materials des ersten Bauteils (20) und etwaig eines Zusatz-Werkstoffs in das Material des zweiten Bauteils (30) diffundiert sind.
Rührreibschweiß-Werkzeug (FSW-Werkzeug) zur Verwendung an einer Bearbeitungsvorrichtung oder in einem Rührreibschweißverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei das FSW-Werkzeug (10) einen rotierbaren Schweißstift (11) und eine am dorsalen Ende des Schweißstifts (11) angrenzende und nach außen hin überstehende Schulter (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißstift (11) eine konische Grundform aufweist, deren Öffnungswinkel dem Anstellwinkel (A1) des FSW-Werkzeugs (10) zum ersten Bauteil (20) hin entspricht.
Rührreibschweiß-Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schweißstift (11) auf der Mantelfläche (17) ring- oder spiralförmige angeordnete Reib- oder Schneidflächen (15) aufweist.
Rührreibschweiß-Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schweißstift (11) eine, zwei oder mehr Längs-Riefen (16) in der Mantelfläche (17) aufweist.
Rührreibschweiß-Werkzeug (FSW-Werkzeug) nach dem Oberbegriff von Anspruch 28 oder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißstift (11) eine im Längsschnitt durch die Rotationsachse konkave Außenkontur (13) aufweist.
Rührreibschweiß-Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei am distalen Ende des Schweißstifts (11) eine sich in Radialform erstreckende und über die Mantelfläche (17) überstehende Reib- oder Schneidkontur (18) angeordnet ist.
Rührreibschweiß-Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schulter (12) eine konkave Form aufweist.