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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reibrührschweißen, umfassend eine Schweißeinheit,
die einen Schweißkopf,
einen Arbeitstisch mit einer Trägereinheit
zum Stützen
der Werkstücke,
die entlang ihrer Schweißnaht
zusammengeschweißt werden
sollen, sowie Klemmmittel, um die Werkstücke während des Schweißvorgangs
an den Arbeitstisch zu klemmen, aufweist.
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Die
Definition des Reibrührschweißens bezeichnet
ein Schweißverfahren,
bei dem die zusammenzuschweißenden
Werkstücke
entlang ihrer Schweißnaht
plastifiziert werden, indem ihnen Reibungshitze von einer drehenden
Schweißsonde
zugeführt
wird, deren Drehachse sich im Wesentlichen im rechten Winkel zu
der Oberfläche
des Werkstücks erstreckt,
und die Schweißsonde
wird auf einen Schweißkopf
montiert, der die Schweißsonde
entlang der Naht zwischen den Werkstücken verschiebt, während er
gleichzeitig an die Werkstücke
gedrückt wird.
Wie in der
WO93/10935 und
der
WO95/26254 beschrieben,
sollte die Schweißsonde
aus einem härteren
Material als die Werkstücke
bestehen, und während
des Schweißvorgangs
sollten die Werkstücke
sicher bezüglich
einander und bezüglich
des Arbeitstischs befestigt sein. In dieser Beziehung unterscheidet
sich diese Technik von herkömmlichem Reibschweißen, bei
dem die Reibungshitze durch relative Bewegung der Werkstücke erzeugt
wird, wenn diese zusammengedrückt
werden, d. h. die Reibungshitze wird nur von den beiden zusammenzuschweißenden Komponenten
erzeugt. Die Konfiguration der Schweißsonde hängt z. B. von der Art des zu schweißenden Materials
und der beabsichtigten Anwendung ab.
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Die
Reibrührschweißtechnik
ist besonders geeignet, um Aluminiumprofilabschnitte zum Aufbau großer Aluminiumbeplankungen,
die beispielsweise für
Schiffsrümpfe
vorgesehen sind, zusammenzuschweißen. Der Grund hierfür ist, dass
diese Schweißtechnik
eine Schweißnaht
erzeugt, deren Unterseite eine feine und glatte Verarbeitung hat,
bei entsprechend wenigen Belastungskonzentrationspunkten. Außerdem ist
die Stärke
der durch dieses Schweißverfahren
hergestellten Naht fast gleich derjenigen des Ausgangsmaterials.
Die beträchtlichen Kräfte, denen
die Werkstücke
während
des eigentlichen Schweißvorgangs
ausgesetzt sind, stellen jedoch beträchtliche Anforderun gen an die
Stabilität des
Arbeitstischs und die Fähigkeit
der Klemmmittel, die Werkstücke
in ihrer Position zu fixieren.
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Außerdem kann
diese Schweißtechnik
nur verwendet werden, um Werkstücke
zusammenzuschweißen,
die durch einen sehr engen Luftspalt getrennt sind. Sollte der Luftspalt
diesen kritischen Wert überschreiten,
was unter anderem von der Dicke der Profilabschnitte abhängt, wird
eine Naht erzeugt, die innere Hohlräume aufweist und in ihrer Stärke beeinträchtigt ist.
Das führt
dazu, dass extrudierte Aluminiumprofilabschnitte, die durch existierende
Herstellungsverfahren nicht in exakten Abmessungen hergestellt werden
können,
manchmal eine Vorbehandlung brauchen, um zu große Spalte zwischen den Profilabschnitten
zu vermeiden. Dies ist besonders in dem Fall wichtig, wenn langgestreckte
Profilabschnitte zusammengeschweißt werden sollen, bei denen sogar
kleine Verformungen zu inakzeptablen Abweichungen führen können.
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Im
Hinblick darauf, dass Verformungen an den Profilabschnitten auch
während
des eigentlichen Reibrührschweißvorgangs
auftreten können,
da die Abschnitte den Auswirkungen der Hitze ausgesetzt sind, ist
es möglich,
dass die Abmessungen des Endprodukts trotz der Vorbehandlung der
Profilabschnitte nicht innerhalb des akzeptablen Toleranzbereichs liegen.
Die Verformungen sind geringer als beim MIG- und WIG-Schweißen, da
die Temperatur nie den Schmelzpunkt erreicht.
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Eine
weitere Konsequenz der kritischen Größe des Luftspalts ist, dass
die Werkstücke
sich bezüglich
einander nicht bewegen dürfen,
sobald sie in dieser korrekten Schweißposition fixiert wurden. Mit anderen
Worten, auch an die Fähigkeiten
der Klemmmittel zum Fixieren der Positionen der Werkstücke werden
hohe Anforderungen gestellt. Im Hinblick darauf, dass die Schweißsonde während des Schweißvorgangs
mit beiden Werkstücken
in Kontakt stehen muss, werden auch an die Laufgenauigkeit des Schweißkopfs hohe
Anforderungen gestellt.
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Um
die oben genannten Kriterien zu erfüllen, ist eine komplexe und
daher teure Schweißvorrichtung
erforderlich.
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Um
einen vernünftigen
Amortisationszeitraum für
eine Investition dieser Größenordnung
zu gewährleisten,
ist außerdem
eine weitere Anforderung, dass die Schweißvor richtung einen hohen Verfügbarkeitsgrad
hat, was bedeutet, dass die Zeit, die erforderlich ist, um die Schweißvorrichtung
an die Konfiguration der Werkstücke,
die Dicke des Materials, das gewünschte
Aussehen der geplanten Naht, z. B. als Ecknaht, usw. anzupassen,
im Prinzip vernachlässigbar
sein sollte, während
gleichzeitig die oben genannten Anforderungen betreffend die kleine Luftspaltgröße usw.
erfüllt
sein sollten. Dies ist in Werkstätten
ein beträchtliches
Problem, wenn z. B. gewünscht
wird, während
eines Teils des Arbeitstages Hohlprofilabschnitte und während eines
anderen Teils des Tages massive Werkstücke mit identischer oder unterschiedlicher
Materialdicke zusammenzuschweißen,
ohne auf zeitaufwändige
Umstellvorgänge
zurückgreifen
zu müssen,
wenn von einem Arbeitsmodus zum anderen gewechselt wird, während gleichzeitig
die Herstellung einer Hochpräzisions-Schweißnaht, die
entlang der Nahtlinie der Werkstücke
ausgebildet wird, garantiert sein muss.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, das Zusammenschweißen von Werkstücken verschiedener Konfigurationen
mittels der oben genannten Schweißvorrichtung zu ermöglichen,
ohne dass zeitaufwändiges
Umstellen erforderlich ist.
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Die
Aufgabe wird gemäß der erfindungsgemäßen Lehre
durch eine Schweißvorrichtung
gelöst, wie
sie in Anspruch 1 und 8 definiert ist.
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Aufgrund
des zweiteiligen Aufbaus der Schweißvorrichtungs-Trägereinheit,
die aus wenigstens zwei Trägerteilen
oder aus wenigstens einem Trägerteil
und einem zusätzlichen
Schweißkopf
besteht, wird es möglich,
während
des Betriebs vor jedem Schweißvorgang
die Schweißvorrichtung
rasch von einem Schweißmodus,
bei dem massive Werkstücke
zusammengeschweißt
werden, deren Material gleich oder unterschiedlich dick ist, auf
einen Schweißmodus
umzustellen, bei dem Werkstücke
in Form von Hohlprofilabschnitten zusammengeschweißt werden.
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Die
Trägerteile
und/oder der zusätzliche Schweißkopf können in
einer Richtung senkrecht zu der Schweißnaht der Werkstücke verschiebbar
sein.
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Die
Schweißeinheit
und die Klemmmittel können
in einer Richtung senkrecht zu der Bewegungsrichtung der Schweißeinheit
bezüglich
der Trägereinheit
verschiebbar sein, damit die Schweißnaht der Werkstücke verändert werden
kann. Wenigstens ein Trä gerteil
kann mit einer gleichmäßig hohen Oberseite
oder mit einer gestuften Oberseite ausgebildet sein. Ein Trägerteil
kann ein getrenntes Trägerelement
sein, z. B. ein Boden-Trägerelement.
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Die
Trägereinheit
kann ebenso aus drei unterschiedlichen Trägerelementen bestehen, von
denen eines in diesem Fall mit einer planen Oberseite ausgebildet
sein kann, während
die anderen beiden Trägerelemente
mit einer gestuften Oberseite ausgebildet sein können, wobei die Stufen der
letztgenannten Trägerelemente
unterschiedliche Höhen
haben.
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Die
Schweißvorrichtung
kann mit einem Mittel zum Verschieben des zusätzlichen Schweißkopfs aus
einer Position unterhalb der Schweißnaht der Werkstücke in eine
Position oberhalb dieser Naht ausgestattet sein. Der zusätzliche
Schweißkopf
ist bevorzugt ein Reibrührschweißkopf.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
näher beschrieben,
die beispielhalber verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung
zeigen.
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1 ist
eine Vorderansicht einer Schweißvorrichtung
gemäß einer
ersten Ausführungsform.
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2 ist
eine Querschnittsansicht der Schweißvorrichtung von 1,
wobei der Schnitt an der Linie II-II erfolgt.
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3a, 3b und 3c sind
vergrößerte Ansichten
eines Abschnitts der Schweißvorrichtung von 2,
die die Trägereinheit
der Schweißvorrichtung
in unterschiedlichen Positionen zeigen.
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4 ist
eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform der Schweißvorrichtung.
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5 ist
eine Vorderansicht einer Schweißvorrichtung
gemäß einer
dritten Ausführungsform.
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Die
in 1 und 2 dargestellte Schweißvorrichtung 1 ist
dafür vorgesehen,
zwei Werkstücke 2 und 3 wie
Aluminiumprofilabschnitte oder Stahlplatten zusammenzuschweißen, um
ein Zwischen- oder Endprodukt wie eine Aluminium- oder Stahlplatte herzustellen.
Die Vorrichtung umfasst einen Arbeitstisch 4, einen oberen
Maschinenrahmen 5, der auf dem Arbeitstisch gestützt wird,
und eine Schweißeinheit 6.
Im vorliegenden Fall besteht der Arbeitstisch aus einem stationären, stabilen
und horizontalen Maschinentisch 7, auf dem eine Trägereinheit 8 für eine Bewegung
quer zu der Richtung des Vorrückens
der Schweißeinheit
angebracht ist. Die Trägereinheit 8 besteht
aus drei getrennten Trägerelementen 8a, 8b und 8c,
die stationär
auf einer mobilen Platte 8d angebracht sind, wobei Letztere
ihrerseits auf einer Platte 8e angebracht ist, die stationär auf dem
Maschinentisch angebracht ist. Seitliche Bewegungen der Platte 8d bezüglich der
Platte 8e können
z. B. mittels eines nicht gezeigten Druckzylinders bewirkt werden.
Befestigungsmittel (nicht gezeigt) verhindern jedoch, dass die Platte 8d während des
eigentlichen Schweißvorgangs
seitlich verschoben wird.
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Der
Maschinenrahmen 5 besteht aus einem äußeren Paar Balken 9a und 9b und
einem inneren Paar Balken 10a und 10b, wobei die
Balken 9a und 9b des äußeren Paars durch mit den Balken 10a und 10b des
inneren Paars durch nicht gezeigte Riegelverbindungen verbunden
sind, die an den jeweiligen äußeren Balkenenden
vorgesehen sind. Die Balken 9a und 9b des äußeren Paars
sind auch mittels eines Jochs 11 miteinander verbunden
und liegen mittels jeweils zweier Säulen 12a und 12b,
die an den außeren
Enden der Balken positioniert sind, auf dem Maschinentisch 7 auf.
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Bei
dieser Ausführungsform
besteht die Schweißeinheit
6 aus
einem Reibrührschweißkopf
13,
der auf einem Schlitten
15 angebracht ist, wobei dieser
an dem inneren Balkenpaar
10a und
10b für eine Bewegung
darauf angeordnet ist. Der Schlitten ist entlang der Schweißnaht der
Werkstücke
mittels einer Antriebseinheit wie einem Motor (nicht gezeigt) verschiebbar.
Der Reibrührschweißkopf
13 ist
mit einem Führungsmechanismus
(nicht gezeigt) und, wie aus
3a zu
ersehen ist, mit einer Schweißsonde
16 versehen,
die aus einem kegelstumpfförmigen Körper
16a und
einem damit verbundenen Stift
16b besteht, wobei der Stift
während
des Schweißvorgangs
zwischen den Werkstücken
angeordnet ist und mit denjenigen Rändern in Kontakt steht, die
zusammengeschweißt
werden sollen. Der obere Teil des Körpers ist mit einer Drehspindel
17 verbunden,
die von einer Antriebseinheit wie einem Antriebsmotor (nicht gezeigt)
angetrieben wird. Der Körper
und der Stift der Schweißsonde
können
z. B. entsprechend einer der Ausführungsformen konfiguriert sein,
die in der
WO93/10935 oder
in der
WO95/26254 dargestellt
sind.
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Zwei
Gleitschuhe verbinden den Schlitten 15 und die Balken 10a bzw. 10b des
inneren Balkenpaars, und die Schuhe sind so angeordnet, dass sie entlang
zweier an den Balken angebrachten Führungsschienen 20a bzw. 20b laufen.
Diese Anordnung erzeugt eine geradlinige Bewegung bezüglich des
Maschinenrahmens 5 und des Arbeitstischs 4.
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Während des
Schweißens
drücken
die Klemmmittel 21 und 22 die Werkstücke 2 bzw. 3 zueinander
gerichtet gegen den Arbeitstisch 4. Jedes Klemmmittel 21 und 22 besteht
aus einem dreieckigen Druckglied, das über zwei Arme 23 bzw. 24 während des
Schweißens
durch Druckzylinder 25 und 26 in einen Eingriff
mit dem dazugehörigen
Werkstück 2 bzw. 3 gedrückt wird.
Die Druckzylinder 25 und 26 sind mit dem Maschinenrahmen 5 verbunden.
Die Klemmmittel sind einander gegenüberliegend paarweise entlang
der Ränder
der Naht zwischen den Werkstücken
angeordnet. Gemäß dieser
Ausführungsform
beträgt
der Abstand zwischen den Mittellinien zweier benachbarter Paare
ungefähr
500 mm.
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Wie
aus 3a zu ersehen ist, ist das Trägerelement 8b mit
einer planen Oberseite ausgebildet, an der die Unterseiten der Werkstücke während des von
der Schweißsonde 16 durchgeführten Reibrührscheißens anliegen.
Um einen Gegenstand herzustellen, der eine gerade Oberseite hat,
kann diese Variante des Trägerelements
daher nur verwendet werden, um Werkstücke gleicher Materialdicke
zusammenzuschweißen.
Wenn andererseits die Materialdicke der Werkstücke variiert, wird stattdessen das
Trägerelement 8c verwendet,
das mit einer gestuften Oberseite ausgebildet ist, s. 3b,
wobei die Höhe
der Stufe bei dem Trägerelement
gleich der Dickendifferenz ist. Bei Werkstücken, die durch eine Ecknaht
miteinander verbunden werden sollen, wird das Trägerelement 8a verwendet,
wobei die Höhe der
Stufe der Breite des Werkstücks 2 angepasst wurde.
Je nach Konfiguration der zusammenzuschweißenden Werkstücke wird
die Platte 8d zwischen den Schweißvorgängen bezüglich der Schweißnaht der
Werkstücke
verschoben, wodurch sichergestellt wird, dass die Werkstücke während des
Schweißens
durch ein korrekt konfiguriertes Trägerelement gestützt werden.
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4 stellt
eine alternative Ausführungsform der
Schweißvorrichtung
dar, dergemäß die Trägereinheit
aus einem zusätzlichen
Reibrührschweißkopf 30 besteht.
Die Trägereinheit
besteht aus einem zusätzlichen
Reibrührschweißkopf und
einem Trägerteil,
beispielsweise in Form eines separaten Trägerelements. Sie wird vor dem
Reibrühr schweißkopf 13,
aber auf der entgegengesetzten Seite der Schweißnaht zwischen den Werkstücken 2, 3 angeordnet.
Der zusätzliche
Reibrührschweißkopf 30 wird von
einem separaten Schlitten 31 gestützt, der während des Schweißens mittels
einer nicht gezeigten Antriebseinheit entlang der Schweißnaht verschoben werden
kann. Gemäß dieser
abgewandelten Ausführungsform
ist der Maschinentisch 7 mit einem inneren Hohlraum ausgebildet,
in dem der Schweißkopf 30 und
der Schlitten 31 angeordnet sind. Um sicherzustellen, dass
die Schweißkopfsonde
entlang der gesamten Naht dieselbe Position bezüglich der Schweißnaht der
Werkstücke
einnimmt, ist der Schlitten 31 mittels zweier Gleitschuhe 31 mit
dem Maschinentisch verbunden, die so angeordnet sind, dass sie entlang
zweier Führungsschienen 31b laufen.
Diese sind wiederum über
einen Balken 31c mit dem Maschinentisch verbunden. Durch
diese Anordnung wird eine geradlinige Bewegung bezüglich des
Arbeitstischs 4 erzeugt. Diese alternative Ausführungsform
ist besonders geeignet, um Hohlprofilabschnitte zusammenzuschweißen. Sie
kann auch verwendet werden, um massive Werkstücke zusammenzuschweißen, deren
Materialdicke 10 mm überschreitet.
Es ist ebenfalls möglich,
den Schweißkopf 30 und den
Schlitten 31 durch ein stationäres Trägerelement, das auf den Führungsschienen 31b platziert wird,
oder durch eine bewegbare Trägerrolle
zu ersetzen.
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5 schließlich zeigt
eine Ausführungsform
der Schweißvorrichtung,
dergemäß die Trägereinheit
aus einem zusätzlichen
Reibrührschweißkopf 32 besteht,
wie bei der Ausführungsform
von 5. Dieser Kopf ist ebenfalls vor dem Reibrührschweißkopf 13 angeordnet,
jedoch auf der entgegengesetzten Seite der Schweißnaht zwischen
den Werkstücken 2 und 3.
Der Reibrührschweißkopf 32 wird
während
des Schweißvorgangs
mittels eines Schlittens (nicht gezeigt), der in seiner Art dem
Schlitten 31 ähnlich
ist, entlang der Schweißnaht
verschoben. Der zusätzliche
Reibrührschweißkopf 32 ist
jedoch dafür
vorgesehen, durch ein Mittel 33 in Form einer Wiege aus
der Position, die er in dieser Zeichnung einnimmt, in eine Position
oberhalb der Schweißnaht
der Werkstücke
verschoben zu werden. Der Schweißkopf und die Wiege 33 sind
mit Führungen 34 bzw. 35 versehen,
wodurch es möglich
wird, den zusätzlichen
Schweißkopf 32 von
dem Schlitten zu der Wiege zu transportieren, woraufhin er um bis zu
180° verschwenkt
werden kann, nachdem alle verbindenden Mittel gelöst wurden.
In dieser Position trifft Punkt a auf Punkt b, und danach wird es
möglich, den
Schweißkopf
auf derselben Bahn wie den oberen Reibrührschweißkopf 13 zu platzieren.
Um den unte ren Reibrührschweißkopf 32 zu
ersetzen, wird es nötig,
oben auf dem Maschinentisch 7 eine Trägereinheit, z. B. derselben
Art wie die in 2 gezeigte, zu platzieren. Indem
beide Schweißköpfe oberhalb
der Schweißnaht
der Werkstücke
in der Mitte dieser Naht platziert werden, und anschließend die
Schweißköpfe in der
Richtung zu den Endpunkten der Schweißnaht bewegt werden, wird es
damit möglich,
das Zusammenschweißen
der betreffenden Werkstücke
in der halben Zeit durchzuführen,
verglichen mit der Zeit, die erforderlich ist, wenn nur ein Schweißkopf über den
Werkstücken
vorhanden ist. Weil der zusätzliche
Schweißkopf
sowohl als Trägereinheit
dienen oder Teil der Schweißeinheit
sein kann, ist die so hergestellte Schweißvorrichtung extrem flexibel.
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Wenn
die Werkstücke 2 und 3 zusammengeschweißt werden
sollen, um das herzustellende Produkt zu erzeugen, werden die Werkstücke in der Schweißvorrichtung 1 mit
Hilfe der Klemmmittel 21 und 22 gesichert.
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Es
wird bewirkt, dass die Reibrührschweißsonde mit
vorher bestimmter Geschwindigkeit dreht, während sie gleichzeitig mit
vorher bestimmter Geschwindigkeit entlang dem Spalt bewegt wird.
Wie in der Einführung
hierzu erläutert,
werden die zusammenzuschweißenden
Werkstückränder durch
die bei diesem Vorgang entstehende Reibungshitze plastifiziert,
während
sie gleichzeitig an den Arbeitstisch gedrückt werden. Nach dem Festwerden
wird eine gleichförmige
geschweißte
Naht gebildet, die eine hohe Stärke
aufweist. Wenn die Reibrührschweißsonde 16 die
gesamte Naht überquert
hat und der einzelne Schweißvorgang
damit beendet ist, werden die Druckzylinder 25 und 26 wieder
aktiviert und bewirken eine Deaktivierung der Klemmmittel 21 und 22 und
dadurch eine Freigabe des hergestellten Produkts.
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Es
ist hervorzuheben, dass die Erfindung nicht auf die oben genannten
Ausführungsformen
beschränkt
ist, sondern dass zahlreiche Abwandlungen innerhalb des Schutzbereichs
der beigefügten
Ansprüche
möglich
sind. Um die Kapazität
der Schweißvorrichtung
weiter zu vergrößern, kann
eine Vielzahl von Reibrührschweißköpfen über und/oder
unter den Werkstücken
platziert werden. Der Schweißkopf/die Schweißköpfe können mit
speziellen Befestigungs- und Transportmitteln versehen sein, um
das Wechseln der verschiedenen Schweißköpfe zwischen unterschiedlichen
Schweißvorrichtungen
zu erleichtern. Es ist ebenfalls möglich, ein Paletten- oder Transportwagen system
zu verwenden, um die Schweißköpfe zu bewegen
und an verschiedenen Schweißvorrichtungen
anzuschließen.
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In
der oben stehenden Beschreibung wurde die Ausgangsposition verwendet,
in der eine Trägereinheit
in Form eines Trägerelements
und ein Schweißkopf,
der vertikal über
diesem Element arbeitet, verwendet werden, aber selbstverständlich kann
das Schweißen
von unten gegen eine Trägereinheit,
die in Kontakt mit der Oberseite positioniert ist, oder mit vertikal
ausgerichteten Werkstücken
bei horizontal ausgerichtetem Schweißen erfolgen. Bei einer Schweißvorrichtung
von 4 kann der obere Kopf in diesem Fall durch eine
Trägereinheit
ersetzt werden, und das Schweißen
kann von unten erfolgen.