Die Anmeldung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum nahezu

verzögerungsfreien Ändern der Schweißrichtung der Schweißschulter einer Anlage zum Rührreibschweißen wenn die geometrische Anordnung der zu verschweißenden Fügepartner oder Materialunebenheiten dies erfordern.

Das Reibrührschweißen oder„Friction Stir Weiding“ (FSW) wird bekanntlich zunehmend in der Luft - und Rumfahrttechnik, in der Schienenverkehrstechnik sowie im Automobilbau eingesetzt, Dieses einfache , saubere und innovative Fügeverfahren zeichnet sich durch sein hohes Automatisierungspotential sowie den Wegfall des Erfordernisses von Nieten aus, wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden und das Gewicht daraus hergestellter Strukturen reduziert wird.

Zum Stand der Technik wird das Dokument DE 10 2014 004 331 B3, das auf die Anmelderin zurückgeht genannt.Dieses Dokument betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erhöhung der Qualität der Schweißnaht beim Rührreibschweißen sowie ein Computerprogramm ind einen maschinenlesbaren Träger mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens.

Diesem Dokument liegt die Aufgabe zugrunde, den Schweißvorgang beim

Rührreibschweißen derart zu optimieren, dass die vollständige Vermeidung des so genannten Endlochs ( der verbleibende Negativ - Abdruck des Rührwerkzeugs am Ende von Schweißnähten ) erreicht wird und sich somit die Qualität der Schweißnaht erhöht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird im Patentanspruch 1 eine Vorrichtung zur Erhöhung der Qualität der Schweißnaht beim Rührreibschweißen mit den folgenden Merkmalen beansprucht:

a) einer Aufnahmeplatte (1) mit einem Antriebskopf (2), wobei dieser einen

Aufnahmeflansch (19) zur Aufnahme einer Halteglocke (3) aufweist, die mittels einer Überwurfmutter (7) mit einem Schweißschuh (4) mit einer Schweißpin - Spitze (5) verbunden ist, b) der Schweißschuh (4) weist eine kreisförmige Grundform auf, auf der sich , über den Querschnitt verlaufend und im rechten Winkel zu dieser Grundform erhebend, ein Quersteg befindet der ungefähr die Breite von 1/4 bis 1/5 des Durchmessers der Grundform aufweist und eine bogenförmige Schuh - Gleitfläche und Schuh - Glättfläche (9) aufweist, wobei sich auf jeder Seite dieser Fläche (9) im Bereich des Randes dieser Fläche (9) eine kleine ebene Fläche in der Form einer kerbartigen Verjüngung (16) befindet,

c) die Schweißpin - Spitze (5) weist im Wesentlichen eine Oberflächenstruktur in der Form eines spitz zulaufenden Gewindes auf, wobei diese gewindeähnliche Struktur nicht rein kreisförmig angeordnet ist, sondern in jedem Gewindegang drei am Umfang verteilte Abplattungen aufweist, wobei die Zentren dieser Abplattungen jeweils in in einem Winkel von 120 Grad zueinander stehen und wobei die Steigung dieser gewindeähnlichen Struktur 0,5 mm beträgt und die Flankenhöhe von 0,25 mm bis 0,05 mm variiert

Bei vielen Schweißprozessen ist es nötig während des Schweißvorgangs den Anstellwinkel des, den Schweißstift führenden, Schweißschuhs, bzw. der

Schweißschulter, entsprechend den Anforderungen die die jeweiligen Fügepartner stellen, rasch und präzise zu ändern. Da zu diesem Zweck die gesamte Maschine die den Prozess des Rührreibschweißens bewegt und steuert den notwendigen

Änderungen mit ihrer gesamten Masse folgen muss, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die örtliche Verlagerung des für den FSW - Prozess notwendigen Schulter - Anstellwinkels aus der Maschine in den Schweißkopf bzw. das Reibwerkzeug zu verlagern.

De Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen im Patentanspruch 1

Vorrichtung zum nahezu verzögerungsfreien Ändern der Schweißrichtung der Schweißschulter einer Anlage zum

Rührreibschweißen wenn die geometrische Anordnung der zu verschweißenden Fügepartner oder Materialunebenheiten dies erfordern, mit den folgenden Merkmalen: a) einem Grundkörper (1) mit einem Schweißtisch (15) und einem

Brückenträger (5) zur Aufhängung (10) eines Reibschweißkopfes (12), wobei der Reibschweißkopf (12) horizontal und vertikal den gesamten Bereich des Schweißtisches (15) stufenlos überfahren kann,

b) eine Pin - Aufnahme (13) zur Halterung und den Antrieb einer

Schweißpin - Spitze (14) des Reibschweißkopfes (12), wobei die Schweißpin - Spitze (14) innerhalb einer Schweißschulter (18) geführt wird die kardanisch von einer mehrfach gelagerten und gesteuerten Schweißschulter - Aufnahme (17) bewegt werden kann, c) die Schweißschulter - Aufnahme, (17) wird an mehreren, im Winkel gegenüber liegenden Punkten von jeweils einem Haupt - Stellantrieb (21), die jeweils an dem Reibschweißkopf (12) angelenkt sind mittels jeweils einer Zug - und Schubstange (16) gegen den Druck eines zentral angreifenden Feder - Packets (25) gesteuert.

Außerdem wird beansprucht, dass an mindestens einer der Zug - und Schubstangen (16) der Haupt - Stellantrieb mit einer Piezo - Feinregulierungs - Einrichtung (22) versehen ist, wobei mittels eines Druckmess - Sensors (23) die jeweils wirkende Kraft überwacht wird und ,dass das Feder - Packet (25) aus einer

Kombination von Federelementen und gesteuerten Piezo - Elementen besteht und, dass die erzeugte Schweißnaht mit mindestens einer Karner (26) mit Mitteln zur Mustererkennung beobachtet wird und dass Mittel zur Messung des Verstellwinkels (31) der Schweißschulter (18) vorgesehen sind und, dass die

Schweißschulter (18) beheizbar ist und dass der Eintrag und der Austrag von Schweißgut mittels spaltförmigen Anordnungen im Bereich der Schweißpin - Spitze (14) während des

Schweißvorgangs möglich ist.

So wie dem Verfahren zum nahezu verzögerungsfreien Ändern der Schweißrichtung der Schweißschulter einer Anlage zum

Rührreibschweißen wenn die geometrische Anordnung der zu

verschweißenden Fügepartner oder Materialunebenheiten dies erfordern, mit den folgenden Verfahrensmerkmalen:: a) ein Grundkörper (1) mit einem horizontal verfahrbaren Brückenträger (5) weist einen, mit diesem, vertikal verstellbaren Reibschweißkopf (12) auf, der eine Pin - Aufnahme (13) zur Halterung und den Antrieb einer Schweißpin - Spitze (14) trägt, wobei eine Schweißschulter (18) eine mehrfach gelagerte

Schweißschulter - Aufnahme (17) aufweist,

b) die Schweißschulter - Aufnahme (17) lässt sich mittels verschiedener Zug - und Druckstangen (16) während des

Schweißvorgangs in beliebigem Anstellwinkel zu den Fügepartnern verstellen.

Beansprucht wird im Verfahren außerdem ,dass die Zug - und Schubstangen (16) Piezo - Feinregulierungs Einrichtungen (22) aufweisen und ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung der Verfahrensschritte, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird sowie einen Maschinenlesbarem Träger mit dem Programmcode eines Computerprogramms zur Durchführung des Verfahrens , wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird.

Die Erfindung wird im Folgenden näher beschrieben.

Es zeigen im Einzelnen:

Fiq.1 : eine perspektivische Gesamtansicht der erfindungsgemäßen

Vorrichtung

Fiq 2 : eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen

Reibschweißkopfes

Fiq 3; eine Seitenansicht und eine Draufsicht von unten auf die Pin -

Aufnahme zur Halterung des Schweißpins

Fiq 4: eine nähere Ansicht der Pin - Aufnahme zur Halterung des

Schweißpins

Fiq.5: einen adaptiven Dichtungsring 36 im Bereich der Schweißschulter 17

Die Fiq.1 zeigt eine perspektivische Gesamtansicht der erfindungsgemäßen

Vorrichtung. Der Grundkörper 1 der erfindungsgemäßen Portalschweißvorrichtung weist an der Oberseite zur Bewegung eines, die Aufhängung 10 eines Reibschweißkopfs 12 tragenden Brückenträgers 5, auf beiden Seiten des Brückenträgers 5 jeweils eine Längsführungs - Schiene 2 auf. Parallel zu der jeweiligen Längsführungs - Schiene 2 wird jeweils mittels einer Antriebs - und Verstellspindel 3 für die Längsverstellung des Brückenträgers 5 die Aufhängung 10 durch einen Antrieb 4 bewegt.

Für die Querbewegung der Aufhängung 10 des Reibschweißkopfs 12 dient der Antrieb 6 der diese Bewegung mittels einer Antriebs - und Verstellspindel 7 über die gezeigten Schienen 11 umsetzt. Versorgungs - und Steuerleitungen 8 für den Betrieb der Portalschweißvorrichtung führen in die Aufhängung 10 und deren Vertikal - Verstellvorrichtung 9. Die Aufhängung 10 trägt eine Pin - Aufnahme 13 zur

Halterung eines Schweißpins mit einer Schweißpin -Spitze 14.

Ein Schweißtisch 15 dient zur Auflage und/ oder Befestigung der zu

verschweißenden Fügepartner.

Die Fiq.2 zeigt eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen

Reibschweißkopfes.

Unterhalb des Reibschweißkopfs 12 befindet sich die Pin - Aufnahme 13 zur Halterung und Steuerung des Schweißpins.

Die Schweiß - Schulter 18, mit der Schweißpin - Spitze 14 wird mittels einer scheibenförmigen Platte die als eine Schweißschulter - Aufnahme 17 mit einer kardanischen Aufhängung dient, durch mehrere Stelleinheiten 20 nahezu ohne Verzögerung präzise gesteuert. Diese Schweißschulter - Aufnahme 17 ermöglicht im Gegensatz zu der Anordnung einer konventionellen Zylinderbohrung zur Lagerung des sich drehenden Reibstifts eine Nickbewegung in jeder Raumrichtung. Während in der einfachsten Ausbaustufe der Schweißschulter - Aufnahme 17 eine solche Nickbewegung lediglich in der Richtung des Vorschubs möglich ist, also

gewissermaßen sich während des Schweißvorgangs ein schleppender Anstellwinkel einstellt, zeigt die Fiq.2 eine weitere Ausbaustufe. In dieser weiteren Ausbaustufe der Schweißschulter - Aufnahme 17 kann die Fassung der scheibenförmigen Schulter sich in jede Raumrichtung neigen, also gewissermaßen eine taumelnde Bewegung ausführen. Die entsprechende Kraftübertragung auf die Schweiß - Schulter 18 erfolgt mittels vier, im Winkel von 90 Grad zueinander angeordneten, Zug - und Schubstangen 16. Nähere Einzelheiten sind der Fiq.3 zu entnehmen. Diese Bauform ist lediglich beispielhaft. So kann das Zusammenspiel der gezeigten Zug - und Schubstangen 16 mittels weiterer Zug - und Schubstangen 16, symmetrisch im Kreis angeordnet, ergänzt werden. Jedoch ist die Lagerung der scheibenförmigen Schulter nicht zwingend rotations - symmetrisch, da jede Schweißverbindung an die Beweg- lichkeit der Nickbewegungen des drehenden Reibstifts andere Anforderungen stellt. Insgesamt ermöglicht die erfindungsgemäße Scheibenform der Schweiß-schulter - Aufnahme 17 eine geringere Reibung und glattere Flächen der Schweißnaht.

Jede Stelleinheit 20 weist Versorgungs - und Steuerleitungen 19 auf.

Die Fiq.2a zeigt eine Detail - Darstellung einer Stelleinheit 20.

Im Bereich einer Zug - und Schubstange 16 ist hier jeweils zur Bewegung einer solchen Zug - und Schubstange 16 ein, in zwei gegen einander gerichteten

Richtungen bewegbarer, doppelt wirkender Kolben 34 angeordnet der mittels zweier, entsprechend ansteuerbarer, Steuerleitungen 35 in einem Hydraulikzylinder 33 tätig ist. Diese Anordnung ist lediglich beispielhaft. Es können natürlich auch elektrische Antriebe jeder Art Verwendung finden. Als weitere besondere Ausbauform ist für die Erwärmung der Schweiß - Schulter eine gesonderte Heizung vorgesehen.

Die Fiq.3 zeigt eine Seitenansicht und eine Draufsicht von unten auf die Pin - Aufnahme zur Halterung des Schweißpins.

In der Fiq.3a ist eine Seitenansicht der Pin - Aufnahme 13 zur Halterung des

Schweißpins zu sehen. Der jeweilige Haupt - Stellantrieb 21 .für die

Schubstangenbewegung einer Zug - und Schubstange 16 kann mittels einer

Hydraulik - Vorrichtung erfolgen. Die Feinregulierung der Bewegung einer

Schubstange 16 wird mittels einer Piezo - Einrichtung 22 gesteuert, wobei ein Druckmess - Sensor 23 für die Registrierung der auftretenden Kräfte dient.

Die, von den vier Zug - und Schubstangen 16 auf vier Seiten mittels jeweils eines Gelenkhebels 24 bewegte Schweißschulter - Aufnahme 17 wird mittels eines, mittig um die Schweißpin - Spitze 14 gelagerten Feder - Packets 25 zentral an die

Schweißschulter 18 gedrückt. Aus dem Wechselspiel der einerseits durch das Feder - Packet 25 aufgebrachten Druckkraft und den verschiedenen, von den vier Zug - und Schubstangen 16 aufgebrachten Gegenkräfte resultiert die kardanische

Aufhängung der scheibenförmignen Platte der Schweißschulter - Aufnahme 17. Eine seitwärts an der Pin - Aufnahme 13 dargestellte Kamera 26 steht sinnbildlich für ein, nicht näher bezeichnetes System von Beobachtungs - Elementen einer gefertigten Schweißnaht.

In der Fiq.3b ist zentral die Schweißpin - Spitze 14 inmitten der Schweißschulter 18 mit dem Schweißpin 28 zu sehen, wobei die Schweißschulter 18 mittels den gezeigten Madenschrauben 27 befestigt wird. Alternativ ist hier eine dauerhafte Verbindung wie Löten oder Aufschrumpfen möglich.

Die Fia.4: zeigt eine nähere Ansicht des Einsatzes der Pin - Aufnahme zur Halterung des Schweißpins.

In der Fiq.4a ist die Halterung während des Schweißvorgangs mit einem

gekennzeichneten Fügepartner 29 gezeigt.

In der Fig.4b ist die Pin - Aufnahme (13) im Einsatz während eines

Schweißvorgangs bei einer leicht schräg gestellten Schweißschulter - Aufnahme 17 mit der Schweißschulter 18 dargestellt. Auf der linken Seite ist hierbei ein Haupt - Stellantrieb 21 mit seiner zugehörigen Schub - Hubstange 16 in einer ausgefahrenen Stellung gezeigt, die eine leichte Neigung der Schweißschulter - Aufnahme 17 unter der Gegendruckwirkung des Feder - Packeis 25 zur Folge hat.. Der resultierende Neigungswinkel, bzw. Verstellwinkel 31 der Schweißschulter zur Oberfläche der Fügepartner darf hierbei maximal 2 bis 5 Grad betragen. In der Regel dürften bis 3 Grad Verstellwinkel 31 ausreichend sein. Der bezeichnete Gelenkhebelkopf 30 des hier sichtbaren Gelenkhebels ist in dieser Ansicht von vorne zu sehen. Die

dargestellte Schweißpin - Spitze 14 führt von der gefertigten Schweißnaht 32 gemäß dem nach rechts zeigenden dick ausgeführten Bezugspfeil in den Bereich des Fügepartners 29.

Zur Messung des Verstellwinkels 31 der Schweißschuh - Schulter sind dem

Fachmann bekannte Mittel vorgesehen.

Die Fiq.5: zeigt einen adaptiven Dichtungsring 36 im Bereich der Schweißschulter - Aufnahme 17.

In der Fiq.5a ist in der Mitte der Schweißschulter 18 dieser Dichtungsring 36 mit seinen, der Beweglichkeit der Schweißpin - Spitze 14 dienenden, abgerundeten Flanken zu erkennen. Die Schweißschulter - Aufnahme 17 und das Feder - Packet 25 im Bereich der Pin - Aufnahme 13 umschließen den Werkzeugschaft 39 zur Fassung der Schweißpin - Spitze 14.

In der Fiq.5b ist der in der Fiq.5a in Richtung des Schnitts A - A gezeigte Querschnitt dargestellt. Die Schweißschulter 18 ist mit jeweils einer der gegenüber liegenden Klemmschrauben 37 an der Aufnahme 17 befestigt, während der adaptive

Dichtungsring 36 mit einer Klemmschraube 38 befestigt wird. Alternativ ist hier eine dauerhafte Verbindung wie Löten oder Aufschrumpfen möglich.

Zu einer Steigerung der beim Rührreibschweißen maximal erreichbaren

Vorschubgeschwindigkeit werden bevorzugt Flartmetall - Schultern mit einem hohen thermischen Leitwert verwendet. Bevorzugt werden Wolframcarbit-Kobalt Hartmetalle verwendet. Durch die Integration einer Heizung der Schweiß - Schulter wird eine wirkortgerechte Temperierung erreicht, sodass der Reibstift auch bei dynamischer Prozessführung nicht auf kaltes Material trifft, welches übermäßig hohen Schub und damit vorzeitiges Stiftversagen bewirken würde. Durch eine Montage der

Schulterheizung zwischen der eigentlichen Schulter und dem zugehörigen Träger ist diese unabhängig vom verschleißenden Werkzeuganteil, wobei kein Wechsel oder ein Umbau erforderlich ist.

Als besondere Ausbauform kann vorgesehen sein, dass der Eintrag und der Austrag von Schweißgut mittels spaltförmigen Anordnungen im Bereich der Schweißpin - Spitze (14) während des Schweißvorgangs möglich ist.

Bezuoszeichenliste

Grundkörper der Portalschweißvorrichtung

Längsführungs - Schiene

Antriebs - und Verstellspindel für die Längsverstellung

Antrieb der Längsverstellung

Brückenträger der Portalschweißvorrichtung

Antrieb für die Querbewegung der Aufhängung 10

Antriebs - und Verstellspindel für die Querbewegung

Versorgungs - und Steuerleitungen für den Betrieb

Vertikal - Verstell - Einrichtung für den Reibschweißkopf

Aufhängung des Reibschweißkopfs

Schienen zur Querführung der Portalschweißvorrichtung

Reibschweißkopf

Pin - Aufnahme zur Halterung des Schweißpins

Schweißpin - Spitze

Schweißtisch

Zug - und Schubstange der Steileinheit 20

Schweßschulter - Aufnahme ( scheibenförmige Platte mit kardanischer Aufhängung )

Schweiß - Schulter (Statonär - Schulter )

Versorgungs - und Steuerleitung der Stelleinheit 20

Stelleinheit zur Verstellung der Schweißschulter - Aufnahme - Scheibe 17

Haupt - Stellantrieb ( z.B. Hydraulik ) für die

Schubstangenbewegung einer Zug - und Schubstange 16 Piezo - Feinregulierungs - Einrichtung einer Schubstange 16 Druckmess - Sensor

Gelenkhebel

Feder - Packet zum Spannungsaufbau an der Aufnahmescheibe 17 (z.B. Tellerfedern )

Kamera zur Mustererkennung für die Kontrolle der Schweißnaht Madenschraube zur Befestigung des Schweißschuhs

Schweißpin Fügepartner

Gelenkhebelkopf

Verstellwinkel des Schweißschuhs zur Oberfläche der Fügepartner ( max-5 Grad )

Schweißnaht

Hydraulikzylinder

doppelt wirkender Kolben

Steuerleitung

adaptiver Dichtungsring

Klemmschraube zur Befestigung der Schulter

Klemmschraube zur Befestigung des Dichtungsrings 36

Werkzeugschaft zur Fassung der Schweißpin - Spitze 14