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Diese
Erfindung betrifft das Reibschweißen und insbesondere das Verbinden
von Bauteilen durch Reibpunktschweißen.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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Baugruppen,
wie zum Beispiel diejenigen in der Luft- und Raumfahrtindustrie,
werden häufig
gebaut, indem Bauteile zusammengefügt werden. Die Bauteile können durch
Schweißen
entlang der gemeinsamen Berührungsfläche zwischen
den Teilen oder durch das Verwenden von Verbindungselementen, wie
zum Beispiel Nieten, Schrauben oder Bolzen miteinander verbunden
werden. Es ist häufig
nötig, Bauteile
zusammenzufügen,
die komplexe Geometrien oder Konfigurationen aufweisen, die den
Vorgang des Zusammenfügens
erschweren. Bei dem Verbinden von Bauteilen, die krummlinige Konfigurationen aufweisen,
kann es zum Beispiel schwierig sein, die Teile relativ zueinander
auszurichten und zu befestigen und gleichzeitig die Lückenbildung
zu vermeiden und die gemeinsame Berührungsfläche von Blockierungen frei
zu halten. Auf ähnliche
Weise weisen einige Bauteile Konfigurationen auf, die den Zugang
zu der gemeinsamen Berührungsfläche zwischen
den Teilen beschränken.
Wenn zum Beispiel eine Haube und ein Zylinder zusammengefügt werden,
um einen Tank oder das Äußere eines
Luft- und Raumfahrzeugs zu bilden, wie zum Beispiel eine Rakete
oder einen Lenkflugkörper,
kann es schwierig sein, sowohl die Innenseite als auch die Außenseite
der Haube und des Zylinders gleichzeitig zu stützen und zu befestigen.
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Wenn
Bauteile, die komplexe Konfigurationen und/oder gemeinsame Berührungsflächen aufweisen,
die schwer zugänglich
sind, zusammengefügt
werden, wird üblicherweise
eine zusammengesetzte Konstruktion oder Werkzeuge zwischen den Bauteilen
gebaut, um die Ausrichtung und Befestigung der Bauteile zu unterstützen, während sie
zusammengefügt
werden. Wenn zum Beispiel eine Haube und ein Zylinder zusammengefügt werden, können eine
oder mehrere Spannplatten oder andere Stützelemente („Werkzeuge") dem Zylinder und
der Haube zugefügt
werden, um das Ausrichten der Haube auf dem Zylinder zu erleichtern
und die gemeinsame Berührungsfläche zwischen
den Bauteilen zu stützen,
während
sie zusammengefügt
werden. Die Werkzeuge können
dann entfernt werden, wenn die Bauteile zusammengefügt sind.
Das Bauen der Werkzeuge erfordert jedoch Arbeit, Zeit und Material und
erhöht
somit die Herstellungskosten der Baugruppe. Auf ähnliche Weise erfordert das
Entfernen der Werkzeuge zusätzliche
Arbeit und Maschinenzeit, was die Herstellungskosten noch weiter
steigen lässt.
In einigen Fällen
kann es schwierig oder unmöglich
sein, Zugang zu den Werkzeugen zu erlangen und sie zu entfernen,
nachdem die Bauteile zusammengefügt
worden sind, was sich nachteilig auf das Gesamtgewicht der entstehenden
Baugruppe auswirken kann. Gewicht und Festigkeit sind in der Luft-
und Raumfahrtindustrie von entscheidender Wichtigkeit.
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Bei
dem Versuch, die Herstellungskosten zu senken, sind andere Verfahren
des Zusammenfügens
von Bauteilen, die komplexe Konfigurationen aufweisen, vorgeschlagen
worden. Ein derartiges Verfahren beinhaltet die Verwendung von Verbindungselementen,
wie zum Beispiel Nieten, um die Bauteile miteinander zu verbinden.
Da Nieten jedoch in der Regel vorgebohrte Löcher erfordern, kann das Zusammenfügen von
Bauteilen unter Verwendung von Nieten arbeitsintensiv und zeitaufwendig
sein. Außerdem
sind die Arten von gemeinsamen Konfigurationen, die durch Verwendung
von Nieten zusammengefügt
werden können,
begrenzt, da Nieten erfordern, dass die Bauteile an der gemeinsamen
Berührungsfläche überlappen
oder dass ein Trägerelement
oder eine Spannplatte jedes der Bauteile überlappt. Nieten können sich
auch störend
auf den Vorgang des Ausbildens einer zweiten Schweißverbindung
entlang der gemeinsamen Berührungsfläche zwischen
den Bauteilen auswirken. Insbesondere können die Nieten nicht vollständig in
der Schweißverbindung überschweißt sein,
was zu Spannungskonzentrationen in der fertigen Baugruppe führen kann,
die die Gestaltfestigkeit der Baugruppe verringern können.
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In
einigen Fällen
können
alternativ überlappende
Teile mit einem nietenähnlichen
Element zusammengefügt
werden. Das U.S.-Patent Nr. 3,477,115 beschreibt zum Beispiel ein
Verfahren der Befestigung von Teilen durch Reibschweißen. In
diesem Verfahren können
zwei oder mehr Platten oder ähnliches
durch Reibschweißen
mit einem nietenähnlichen
Befestigungselement, das schnell gedreht wird und unter Druck mit
einer oder mehreren Platten in Berührung gebracht wird, befestigt
werden.
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JP-A-11179668
beschreibt ein Verfahren der Befestigung von Teilen durch Rührreibschweißen (FSW),
wonach die Teile vor dem FSW provisorisch durch TIG-, MIG- oder
FSW-Schweißen
geschweißt werden.
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Somit
bleibt der Bedarf nach einem verbesserten Verfahren zum Zusammenfügen von
Bauteilen, um Baugruppen zu bilden. Das Verfahren sollte kostengünstig sein
und sollte das Verbinden von Bauteilen, die eine Vielzahl von Konfigurationen
aufweisen, erleichtern, einschließlich Bauteilen, die komplexe
Konfigurationen oder gemeinsame Berührungsflächen aufweisen, die schwer
zugänglich
sind. Das Verfahren sollte wirksam sein, ungeachtet dessen, ob die
Bauteile überlappen.
Zusätzlich
sollte das Verfahren mit anderen Verbindungsverfahren vereinbar
sein, wie zum Beispiel Schmelzschweißtechniken und Rührreibschweißverfahren.
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Kurzdarstellung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zur Herstellung einer
Baugruppe vor, wie in Anspruch 1 und seinen Unteransprüchen beschrieben. Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Verfahren die Schritte
des Anordnens eines ersten Bauteils, mindestens teilweise benachbart
zu einem zweiten Bauteil, um zwischen diesen eine Berührungsfläche zu definieren.
Ein rotierender Stift wird dann in das erste und das zweite Bauteil
an der Berührungsfläche eingeführt, um
dadurch das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil zu verbinden.
Eine lang gestreckte Schweißverbindung wird
zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil entlang der Berührungsfläche ausgebildet,
wobei durch die lang gestreckte Schweißverbindung der Stift mindestens
teilweise überschweißt wird.
In einer Ausführungsform
beinhaltet das Herstellungsverfahren das Bohren einer Öffnung in
mindestens einem der ersten und zweiten Bauteile. Die Öffnung ist
zur Aufnahme des Stiftes gestaltet. In einer anderen Ausführungsform
wird der Stift zu vorgegebenen Abmessungen maschinell bearbeitet,
bevor er in das erste und das zweite Bauteil eingeführt wird.
In einer weiteren Ausführungsform
wird mindestens ein Ende des Stiftes nach der Einführung des
Stiftes derart maschinell bearbeitet, dass das Ende des Stiftes
bündig mit
der äußeren Oberfläche des
entsprechenden Bauteils abschließt. Nach einer Ausführungsform wird
zum Beispiel die lang ge streckte Schweißverbindung gebildet, indem
eine rotierende Rührreibschweißspitze
in das erste und das zweite Bauteil an der Berührungsfläche eingeführt und die rotierende Rührreibschweißspitze
durch das erste und das zweite Bauteil entlang eines durch die Berührungsfläche definierten
Weges bewegt wird. In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Verfahren
das Wiederholen des Schrittes des Einführens an Stellen entlang der
Berührungsfläche. Gemäß einer
Ausführungsform
wird zum Beispiel ein rotierender Stift an einer Stelle eingeführt, die
mindestens teilweise einen vorhandenen Stift überlappt. In einer weiteren Ausführungsform
beinhaltet das Verfahren das Befestigen der Baugruppe an anderen
Baugruppen, um den Rahmen eines Luft- und Raumfahrzeugs zu bilden.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Die
vorangehenden und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sowie
die Art und Weise, in der diese erreicht werden, werden leichter
ersichtlich nach Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung,
die in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen erfolgt, die bevorzugte und beispielhafte Ausführungsformen
veranschaulichen und die nicht notwendigerweise maßstabsgerecht gezeichnet
sind, wobei:
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1 eine
Aufrissansicht ist, die eine Baugruppe veranschaulicht, die durch
das Verbinden von Bauteilen mit einer Reibpunktschweißung gebildet wird;
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2 eine
Aufrissansicht ist, die einen Stift veranschaulicht, der maschinell
zu vorgegebenen Abmessungen bearbeitet wurde;
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3 eine
Aufrissansicht ist, die zwei Bauteile, die zum Verbinden angeordnet
sind, veranschaulicht;
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4 eine
Aufrissansicht ist, die die beiden Bauteile aus 3 veranschaulicht,
die vor der Einführung
des Stifts aus 2 auf einem Stützamboss angeordnet
sind;
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5 eine
Aufrissansicht ist, die die Einführung
des Stifts aus 2 in die beiden Bauteile aus 3 unter
Verwendung einer umlaufenden Maschine veranschaulicht;
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6 eine
Aufrissansicht ist, die den Stift und die Bauteile aus 5 veranschaulicht,
wobei der Stift vollständig
in die Bauteile unter Verwendung der umlaufenden Maschine eingeführt ist.
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7 eine
Aufrissansicht ist, die zwei Bauteile veranschaulicht, die durch
mehrere Reibpunktschweißungen
verbunden sind;
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8 eine
Aufrissansicht ist, die zwei Bauteile veranschaulicht, die durch
mehrere Reibpunktschweißungen
verbunden sind, wobei jede Reibpunktschweißung maschinell bearbeitet
wurde, damit sie bündig
mit den äußeren Oberflächen der
Bauteile abschließt;
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9 eine
Draufsicht der Reibpunktschweißungen
aus 8 ist, die das Überlappen der Reibpunktschweißungen veranschaulicht.
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10 eine
Aufrissansicht ist, die einen Stift veranschaulicht, der derart
in zwei Bauteile eingeführt
ist, dass die Richtung der Mittelachse des Stifts einen spitzen
Winkel mit einer Ebene bildet, die durch die gemeinsame Berührungsfläche zwischen
den Bauteilen festgelegt ist;
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11 eine
perspektivische Ansicht ist, die zwei aneinander stoßende Bauteile
und einen Stift veranschaulicht, der für die Einführung in die Bauteile an der
gemeinsamen Berührungsfläche angeordnet ist.
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12 eine
perspektivische Ansicht ist, die die Bildung einer lang gestreckten
Rührreibschweißverbindung
veranschaulicht, die nach einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung die vorhandenen Reibpunktschweißungen überschweißt;
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13 ein
Ablaufdiagramm ist, das ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe
gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
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14 ein
Ablaufdiagramm ist, das ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe
gemäß einer weiteren
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wird jetzt im Folgenden ausführlicher
beschrieben werden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in denen
bevorzugte und beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung
gezeigt sind. Die Erfindung kann jedoch in vielen verschiedenen
Formen ausgeführt
werden und sollte nicht als auf die hier dargelegten Ausführungsformen
begrenzt ausgelegt werden; diese Ausführungsformen sind eher vorgesehen,
damit diese Offenbarung genau und vollständig ist und den Rahmen der
Erfindung den Fachleuten vollständig
zu vermitteln, wie in den beigefügten
Ansprüchen
festge legt. Gleiche Nummern beziehen sich immer auf gleiche Elemente.
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Es
wird jetzt auf die Zeichnungen Bezug genommen und insbesondere auf 1,
auf der eine Baugruppe 21 veranschaulicht ist. Die Baugruppe 21 weist
eine Reibpunktschweißung 24 auf,
die das erste Bauteil 4 und das zweite Bauteil 5 verbindet.
Es wird auf 2 Bezug genommen, in der ein
Stift 1 veranschaulicht ist, der die Reibpunktschweißung 24 bildet.
Der Stift 1 kann eine Vielzahl von Konfigurationen aufweisen,
die von den Abmessungen und Konfigurationen der zu schweißenden Bauteile
abhängen.
Gemäß der in 2 veranschaulichten
Ausführungsform
weist der Stift 1 einen zylindrischen Körper 1a mit einem
konischen Ende 2 auf. In anderen Ausführungsformen kann das Ende 2 des
Stiftes 1 stumpf oder abgerundet sein. Der Stift 1 weist
einen Schaft 3 auf, der derart angeordnet ist, dass er
mit der Spindel einer Fräsmaschine,
einer Bohrmaschine oder einer anderen Vorrichtung (nicht dargestellt) zum
Rotieren des Stiftes 1 verbunden werden kann. Da der Stift 1 überschweißt werden
kann, kann der Stift 1 aus einer Vielzahl von Metallen
und Metalllegierungen gebildet sein, abhängig von den Werkstoffen, die
verwendet werden, um die Bauteile 4, 5 zu bilden,
wie unten ausführlicher
erörtert
wird. Nach einer Ausführungsform
zum Beispiel ist der Stift 1 aus Aluminium, Aluminiumlegierungen,
Titan, Titanlegierungen oder Stahllegierungen gebildet.
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Es
wird Bezug genommen auf 3, in der das erste Bauteil 4 und
das zweite Bauteil 5 veranschaulicht sind, bevor sie zusammengefügt werden, um
die Baugruppe 21 zu bilden.
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Jedes
Bauteil 4, 5 kann mit bekannten Fertigungsmitteln
aus einem einzelnen Werkstück
in einer vorgegebenen Form und Stärke maschinell hergestellt
werden, wie durch die spezifischen Lastannahmen und Spezifikationen
der entstehenden Baugruppe 21 erforderlich ist. Eine CNC-Fräsmaschine
kann zum Beispiel verwendet werden, um jedes Bauteil 4, 5 je
nach Erfordernis maschinell zu bearbeiten. Die Bauteile 4, 5 können in
einer Vielzahl von Konfigurationen hergestellt werden, einschließlich beispielsweise
und nicht einschränkend
Platten, Blöcke, Rohrelemente
und krummlinige Elemente. Auf ähnliche
Art und Weise kann jedes Bauteil 4, 5 aus einer Vielzahl
von Werkstoffen gebildet sein, wie durch die spezifischen Lastannahmen
und Spezifikationen der entstehenden Baugruppe 21 erforderlich
ist. Außerdem
ist die Anzahl der Bauteile, die zusammengefügt werden können, indem das Verbindungsverfahren aus
der vorliegenden Erfindung verwendet wird, nicht auf zwei begrenzt,
sondern kann drei oder mehr Bauelemente aufweisen. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
(nicht dargestellt) können
die Enden eines einzelnen Bauteils zusammengefügt werden. Die Bauteile 4, 5 sind
vorzugsweise aus Werkstoffen gebildet, die ein großes Verhält nis von
Festigkeit zu Gewicht aufweisen, einschließlich beispielsweise und nicht
einschränkend
Aluminium, Aluminiumlegierungen, Titan, Titanlegierungen und Stahllegierungen. Mindestens
ein Abschnitt des ersten Bauteils 4 ist in Berührung mit
einem Abschnitt des zweiten Bauteils 5, um dadurch eine
Berührungsfläche 15 zwischen dem
ersten Bauteil 4 und dem zweiten Bauteil 5 festzulegen.
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Ein
oder beide Bauteile 4, 5 können vorbereitet werden, um
den Stift 1 aufzunehmen. Wie in 4 veranschaulicht,
können
zum Beispiel eine oder mehrere Öffnungen 6 in
einem oder in beiden Bauteilen 4, 5 unter Verwendung
bekannter Fertigungsverfahren, wie zum Beispiel Bohren oder Stanzen,
ausgebildet werden. Die Abmessungen und die Konfiguration jeder Öffnung 6 beruhen
auf den Abmessungen und der Konfiguration des Stifts 1 sowie auf
den Werkstoffeigenschaften und Konfigurationen der Bauteile 4, 5.
Die Öffnung 6,
die in 4 veranschaulicht ist, läuft zum Beispiel konisch zu,
damit sie mit dem Winkel des Endes 2 des Stiftes 1,
der in 2 veranschaulicht ist, zusammenpasst. In anderen
Ausführungsformen
kann die entsprechende Öffnung 6 mehr
oder weniger konisch als das Ende 2 des Stiftes 1 zulaufen,
oder die Öffnung 6 kann
gar keine Verjüngung
aufweisen. Jede Öffnung 6 weist vorzugsweise
Abmessungen auf, die mindestens leicht unter den Abmessungen des
Stiftes 1 liegen, so dass eine ausreichende Reibung zwischen
dem Stift und den Bauteilen 4, 5 er zeugt wird.
In anderen Ausführungsformen
(nicht dargestellt) sind keine Öffnungen
in den Bauteilen 4, 5 gebildet. Falls zum Beispiel
der Stift 1 ein verhältnismäßig spitzes
Ende 2 aufweist oder falls die Bauteile 4, 5 verhältnismäßig dünn sind
oder aus ausreichend weichen Werkstoffen bestehen, können Öffnungen 6 gar
nicht erforderlich sein.
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Es
wird Bezug genommen auf 5, in der die Einführung des
Stiftes 1 in die Bauteile 4, 5 veranschaulicht
ist, um die Reibpunktschweißung 24 zu bilden.
Der Schaft 3 des Stifts 1 wird unter Verwendung
eines Spannfutters oder einer Spannpatrone 11 an einer
drehbaren Spindel 12 befestigt. Die drehbare Spindel 12 ist
mit einer Vorrichtung verbunden, wie zum Beispiel einer Bohr- oder
Fräsmaschine
(nicht dargestellt), die die Spindel dreht, um dadurch den Stift 1 zu
drehen, wie durch den Pfeil 10a in 5 angezeigt.
Die drehbare Spindel 12 ist vorzugsweise ebenfalls so aufgebaut,
dass der Stift 1 durch das erste Bauteil 4 und
die Berührungsfläche 15 und
mindestens teilweise in das zweite Bauteil 5 getrieben wird.
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Wie
in 4–6 veranschaulicht,
kann eine Stützplatte
oder ein Stützamboss 7 angeordnet sein,
um das erste Bauteil 4 und das zweite Bauteil 5 während des
Reibpunktschweißvorgangs
zu stützen. Der
Amboss 7 legt eine Vertiefung 8 fest, die eine Konfiguration aufweist,
die derart angeordnet ist, dass sie das Ende 2 des Stiftes 1 aufnimmt.
Die Vertiefung 8 des Ambosses 7 kann zum Beispiel
konisch zulaufen, um mit dem Ende 2 des Stifts 1 übereinzustimmen.
In anderen Ausführungsformen
(nicht dargestellt) legt der Amboss 7 keine Vertiefung 8 fest.
In noch anderen Ausführungsformen
(nicht dargestellt) wird kein Amboss 7 oder Stützplatte
verwendet, zum Beispiel, wenn die Bauteile 4, 5 eine
ausreichende Festigkeit oder Stärke
aufweisen, um selbsttragend zu sein.
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Wird
der rotierende Stift durch die äußere Oberfläche 9 des
ersten Bauteils 4, durch die gemeinsame Berührungsfläche 15 und
mindestens teilweise in das zweite Bauteil 5 getrieben,
wird Reibung zwischen dem Stift 1 und den Bauteilen 4, 5 erzeugt. Der
Stift 1 kann in die Bauteile 4, 5, die
senkrecht zu der Berührungsfläche 15 verlaufen,
eingeführt
werden, wie in 5 veranschaulicht, oder in einem Winkel
zu der Berührungsfläche 15,
wie in 10 veranschaulicht. Es wird
Bezug genommen auf 10, in der die Längsachse
des Stifts 1 einen spitzen Winkel mit der äußeren Oberfläche 9 des
ersten Bauteils 4 und der Berührungsfläche 15 zwischen den
Bauteilen 4, 5 bildet. Der Stift 1 wird
entlang der Berührungsfläche 15 zwischen
den Bauteilen 4, 5 eingeführt. Wie zum Beispiel in 11 veranschaulicht,
wird ein Stift 1 zur Einführung in die Bauteile 4, 5 in
einer Richtung angeordnet, die innerhalb der Ebene der Berührungsfläche 15 liegt.
Dieses Verfah ren des Verbindens der Bauteile 4, 5 ist
unter einigen Umständen
vorteilhaft, weil die Bauteile 4, 5 sich nicht
gegenseitig überlappen
müssen.
Stattdessen können
die Bauteile 4, 5 nebeneinander angeordnet sein
und an der Berührungsfläche 15 verbunden sein.
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Die
Reibung erzeugt ausreichend Wärmeenergie,
um den Stift 1 und die Abschnitte des ersten Bauteils 4 und
des zweiten Bauteils 5 neben dem Stift zu plastifizieren.
Wie in 5 veranschaulicht, wird der Stift 1 durch
das erste Bauteil 4 und das zweite Bauteil 5 getrieben.
Der Stützamboss 7 ist
derart angeordnet, dass er das erste Bauteil 4 und das
zweite Bauteil 5 gegen die von dem Stift 1 ausgeübte Kraft stützt und
dass die Vertiefung 8 des Ambosses 7 das Ende 2 des
Stifts 1 aufnimmt, wenn der Stift das zweite Bauteil 5 verlässt. Danach
endet, wie in 6 veranschaulicht, die Rotation
der Spindel 12, so dass der Stift 1 aufhört zu rotieren.
Es wird eine Reibpunktschweißung 24 gebildet,
die die Bauteile 4, 5 zu einer einheitlichen Baugruppe 21 verbindet,
indem die plastifizierten Bereiche 13, 14 des
Stifts 1 und die Bauteile zusammenfließen und in der Schweißzone neben
der Außenseite
des Stifts abkühlen.
Die plastifizierten Bereiche 13 des Stifts 1 und
die plastifizierten Bereiche 14 des ersten Bauteils 4 können einen Bereich
von Wulsten oder verformtem Werkstoff bilden, der durch maschinelle
Bearbeitung entfernt werden kann. Mindestens ein Ende des Stifts 1 wird
maschinell bearbeitet, nachdem der Stift 1 in die Bauteile 4, 5 eingeführt ist
und die Reibpunktschweißung 24 gebildet
ist. Der Stift 1 kann zusammen mit einem Wulst 14 auf
den äußeren Oberflächen des
ersten Bauteils 4 und des zweiten Bauteils 5 derart
maschinell bearbeitet werden, dass das Ende des Stifts 1 bündig mit
der entsprechenden äußeren Oberfläche abschließt.
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Es
wird Bezug genommen auf 7–9, in denen
zwei oder mehr Stifte 1 in die Bauteile 4, 5 entlang
der Berührungsfläche 15 eingeführt werden können, um
die Bauteile weiter zu verbinden. Gemäß einer Ausführungsform
werden die Stifte 1 entlang der Berührungsfläche 15 mit vorgegebenen
Abständen
untereinander eingeführt.
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
werden die Stifte 1 derart eingeführt, dass jeder Stift 1 mindestens
teilweise einen anderen Stift 1 überlappt. Wie in 7 veranschaulicht,
werden die Bauteile 4, 5 der Baugruppe 21 zum Beispiel
durch mehrere Reibpunktschweißungen 24 verbunden,
die an beiden Enden maschinell bearbeitet wurden, damit sie bündig mit
den äußeren Oberflächen der
Baugruppe 21 abschließen
und wobei jede der Reibpunktschweißungen 24 mindestens eine
andere Reibpunktschweißung 24 überlappt.
Der Vorgang des Überlappens
von Reibpunktschweißungen 24 kann
verwendet werden, um die Bauteile 4, 5 auf der
gesamten Länge
der Berührungsfläche 15 oder
nur eines Abschnittes davon zu verbinden.
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Zwar
veranschaulichen die Figuren Baugruppen 21, die durch zwei
Bauteile 4, 5 gebildet sind, wie oben erörtert, jedoch
kann die vorliegende Erfindung auch verwendet werden, um drei oder mehr
Bauteile zu verbinden, um die Baugruppe 21 zu bilden, oder
um zwei Enden eines einzelnen Bauteils zu verbinden. Eine oder mehrere
Reibpunktschweißungen 16 können verwendet
werden, um die Bauteile zu verbinden, wobei jede der Reibpunktschweißungen 16 einige
oder sämtliche
Bauteile miteinander verbinden kann.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung, wie in 12 veranschaulicht, können die
Reibpunktschweißungen 24 verwendet
werden, um eine provisorische Schweißung 16 zu bilden,
wie zum Beispiel eine Heftschweißung, die die Bauteile provisorisch derart
relativ zueinander anordnet und befestigt, dass eine dauerhaftere
Schweißverbindung
gebildet werden kann. Wie in 12 veranschaulicht,
kann dann ein Rührreibschweißwerkzeug 19 verwendet werden,
um eine dauerhaftere lang gestreckte Rührreibschweißverbindung 20 zu
bilden, durch die mindestens teilweise die Reibpunktschweißungen 24 überschweißt werden.
Andere Arten von lang gestreckten Schweißverbindungen 25 können gemäß anderen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung (nicht dargestellt) gebildet werden,
einschließlich,
aber nicht beschränkt
auf Schmelzschweißverbindungen,
wie zum Beispiel eine Lichtbogenschweißverbindung, eine Widerstandsschweißverbindung
oder eine Gasschweißverbindung. Durch die
lang gestreckte Schweißverbindung 25 werden vorzugsweise
die Reibpunktschweißverbindung(en) 24 der
provisorischen Schweißung 16 mindestens teilweise überschweißt und besser
noch jede der Reibpunktschweißverbindungen
vollständig überschweißt. Vorteilhafterweise
beseitigt die lang gestreckte Schweißverbindung 25 die
Spannungskonzentrationen, die mit herkömmlichen Nieten verknüpft sind,
indem sie die Reibpunktschweißungen 24 der
provisorischen Schweißung 16 vollständig überschweißt. Außerdem werden
die entstehenden Spannungskonzentrationen wesentlich gesenkt, auch
wenn die Reibpunktschweißungen 24 der
provisorischen Schweißung 16 nur
teilweise überschweißt werden,
da, wie unten ausführlicher
erörtert
wird, die Reibpunktschweißungen 24,
die gemäß der vorliegenden
Erfindung gebildet werden, Werkstoffeigenschaften aufweisen, die
im Wesentlichen denen der Bauteile 4, 5 gleichen
oder sie sogar übertreffen.
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Rührreibschweißen wird
verwendet, um Bauteile zu verbinden, um Baugruppen zu bilden, die bei
der Herstellung von militärischen
Flugzeugen und Verkehrsflugzeugen sowie bei anderen Anwendungen,
die Schweißverbindungen
mit hoher Festigkeit erfordern, verwendet werden können. Wie
in 12 veranschaulicht, beinhaltet das Rührreibschweißen das
Einführen
des Gewindestifts 19a eines rotierenden Rührreibschweißwerkzeugs 19 in
die Berührungsfläche 15 zwischen
den gegenüberliegenden Seiten
eines Paares von Bauteilen 4, 5, wäh rend die Bauteile 4, 5 zusammengepresst
werden. Die Rotation des Gewindestifts 19a in der Berührungsfläche 15 zwischen
den Bauteilen 4, 5 oder zwischen den Enden eines
einzelnen Bauteils erzeugt Reibung, die ausreichende Wärmeenergie
erzeugt, um den Werkstoff des Werkstücks in der Schweißzone zu
plastifizieren. Das Rührreibschweißwerkzeug 19 weist ebenfalls
eine konkave Schulter auf, die geeignet ist, den plastifizierten
Werkstoff des Werkstücks
innerhalb der Schweißzone
zu verfestigen, wenn das Rührreibschweißwerkzeug 19 entlang
der provisorischen Schweißung 16 bewegt
wird. Es bildet sich eine Rührreibschweißverbindung 20,
die die Bauteile 4, 5 in einer einheitlichen Baugruppe 21 zusammenfügt, wenn
die plastifizierten Bereiche der Bauteile 4, 5 zusammenfließen und
in der Schweißzone
abkühlen.
Für eine
allgemeine Erörterung
des Rührreibschweißens siehe
U.S.-Patent Nr. 5,460,317 von Thomas et al.
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Ein
besonderer Vorteil von Rührreibschweißungen 20 und
Reibpunktschweißungen 24 besteht darin,
dass die Bildung der Schweißverbindung
autogen ist und durch die Verfestigung der plastifizierten Grundwerkstoffe
statt eines Füllmaterials
erzeugt wird, wie es üblicherweise
bei herkömmlichen Schweißverfahren
verwendet wird. Die Rührreibschweißverbindung 20 oder
die Reibpunktschweißung 24 weist
eine Schweißlinse
auf, die ein Feinkorngefüge
mit einer Körnung
aufweist, die eine gleichachsige Form und Korngrößen aufweist, die sich in einer
Größenordnung
von etwa ,0001 bis ,0002 Inch (etwa 3 bis 5 Mikrometer) befinden.
Aufgrund des verbesserten Korngefüges halten die Rührreibschweißverbindung 20 und
die Reibpunktschweißverbindungen 24 der
Bildung und Verbreitung von Mikrorissen stand und besitzen eine
verbesserte Festigkeit, Leitfähigkeit
und Belastbarkeit sowie verbesserte Korrosions- und Ermüdungsbeständigkeit.
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Wie
oben erörtert
können
die Bauteile 4, 5 entweder aus ähnlichen
oder aus unähnlichen
Metallen gebildet sein. Vorteilhafterweise können die Bauteile bei Ausführungsformen,
bei denen die Bauteile 4, 5 verbunden werden,
indem nur Reibpunktschweißungen 24 verwendet
werden oder indem Reibpunktschweißungen 24 als provisorische
Schweißverbindung 16 und
eine lang gestreckte Rührreibschweißung 20 als
dauerhaftere Schweißverbindung 25 verwendet
werden, aus unähnlichen
Metallen gebildet werden, die mit herkömmlichen Schmelzschweißtechniken
nicht schweißbar
oder unrentabel zu verbinden wären.
Nicht schweißbare
Werkstoffe erzeugen verhältnismäßig schwache
Schweißverbindungen,
die dazu neigen, während
der Verfestigung der Schweißung
zu brechen, wenn sie durch herkömmliche
Schmelzschweißtechniken
verbunden sind. Zu den nicht schweißbaren Werkstoffen gehören üblicherweise
Aluminium und einige Aluminiumlegierungen, insbesondere AA-Legierungen der Serien
2000 und 7000. Durch die Verwendung des Rührreibschweißens und
des Reibpunktschweißens können Bauteile 4, 5,
die aus nicht schweißbaren
Werkstoffen gebildet sind, fest verbunden werden. Rührreibschweißen und
Reibpunktschweißen
kann auch verwendet werden, um schweißbare Werkstoffe mit anderen
schweißbaren
und mit nicht schweißbaren Werkstoffen
fest zu verbinden. Mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung
können
somit die Werkstoffe, die die Bauteile 4, 5 bilden,
aus einer größeren Vielzahl
von Metallen und Legierungen mit geringem Gewicht und hoher Festigkeit
ausgewählt
werden, wodurch die Verringerung des Gesamtgewichts der entstehenden
Baugruppe 21 erleichtert wird.
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Es
wird jetzt auf 13 Bezug genommen, in der die
Vorgänge
veranschaulicht sind, die durchgeführt werden, um Bauteile zu
verbinden, um eine Baugruppe 21 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung herzustellen. Das Verfahren umfasst das
Anordnen eines ersten Bauteils mindestens teilweise benachbart zu
einem zweiten Bauteil, um zwischen diesen eine Berührungsfläche zu definieren.
Siehe Block 30. In einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren
das Bohren einer Öffnung
in mindestens eines der ersten und zweiten Bauteile, wobei die Öffnung zur
Aufnahme des Stiftes gestaltet ist. Siehe Block 31. In
einer anderen Ausführungsform
beinhaltet das Verfahren das maschinelle Bearbeiten des Stiftes
zu vorgegebenen Abmessungen. Siehe Block 32. Ein rotierender
Stift wird dann in das erste und das zweite Bauteil an der Berührungsfläche einge führt, um
dadurch das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil zu verbinden.
Siehe Block 33. Der Schritt des Einführens kann an Stellen entlang
der Berührungsfläche wiederholt
werden, um die Bauteile unter Verwendung mehrerer Reibpunktschweißungen zu
verbinden. Siehe Block 34. Mehrere Reibpunktschweißungen können zum
Beispiel verwendet werden, um die Bauteile durch Heftschweißung zusammenzufügen, so
dass die Bauteile relativ zueinander fest angeordnet sind, während eine
dauerhaftere Schweißverbindung
gebildet wird. Gemäß einer Ausführungsform
wird mindestens ein rotierender Stift an einer Stelle eingeführt, die
mindestens teilweise einen vorhandenen Stift überdeckt. Siehe Block 35.
Mindestens ein Ende des Stiftes wird vorzugsweise derart maschinell
bearbeitet, dass das Ende des Stiftes bündig mit der äußeren Oberfläche des
entsprechenden Bauteils abschließt. Siehe Block 36.
Bei Baugruppen, die eine dauerhaftere Schweißverbindung oder eine Verbindung,
die durchgehend ist, erfordern, kann das Verfahren die Bildung einer lang
gestreckten Schweißverbindung
zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil entlang der Berührungsfläche beinhalten.
Siehe Block 37. Gemäß einer
Ausführungsform
wird durch die lang gestreckte Schweißverbindung der Stift oder
die Stifte mindestens teilweise überschweißt. Eine
rotierende Rührreibschweißspitze
kann zum Beispiel in das erste und das zweite Bauteil an der Berührungsfläche eingeführt werden.
Siehe Block 38. Die rotierende Rührreibschweißspitze
wird dann durch das erste und das zweite Bauteil entlang eines durch
die Berührungsfläche definierten Weges
bewegt. Siehe Block 39. Das Verfahren kann dann das Befestigen
der Baugruppe an anderen Baugruppen beinhalten, um den Rahmen eines
Luft- und Raumfahrzeugs zu bilden. Siehe Block 40.
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Es
wird jetzt auf 14 Bezug genommen, in der die
Vorgänge
veranschaulicht sind, die durchgeführt werden, um Bauteile zu
verbinden, um eine Baugruppe gemäß einer
weiteren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung herzustellen. Das Verfahren umfasst das Anordnen
eines ersten Bauteils mindestens teilweise benachbart zu einem zweiten
Bauteil, um zwischen diesen eine Berührungsfläche zu definieren. Siehe Block 41.
In einer Ausführungsform beinhaltet
das Verfahren das Bohren einer Öffnung
in mindestens eines des ersten und zweiten Bauteils, wobei die Öffnung zur
Aufnahme eines Stiftes gestaltet ist. Siehe Block 42. In
einer anderen Ausführungsform
beinhaltet das Verfahren das maschinelle Bearbeiten des Stiftes
zu vorgegebenen Abmessungen. Siehe Block 43. Ein Stift
wird dann neben der äußeren Oberfläche des
ersten Bauteils angeordnet. Siehe Block 44. Der Stift wird
gedreht. Siehe Block 45. Dann wird gleichzeitig mit dem
Schritt des Rotierens der Stift in das erste und das zweite Bauteil
an der Berührungsfläche eingeführt, um
dadurch das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil zu verbinden.
Siehe Block 46. Der Schritt des Einführens kann an Stellen entlang
der Berührungsfläche wiederholt
werden, um die Bauteile unter Verwendung mehrerer Reibpunktschweißungen zu
verbinden. Siehe Block 47. Mehrere Reibpunktschweißungen können zum
Beispiel verwendet werden, um die Bauteile durch Heftschweißung zusammenzufügen, so
dass die Bauteile relativ zueinander fest angeordnet sind, während eine
dauerhaftere Schweißverbindung
gebildet wird. Gemäß einer
Ausführungsform
wird mindestens ein rotierender Stift an einer Stelle eingeführt, die
einen vorhandenen Stift mindestens teilweise überdeckt. Siehe Block 48.
Mindestens ein Ende des Stiftes wird vorzugsweise derart maschinell
bearbeitet, dass das Ende des Stiftes bündig mit der äußeren Oberfläche des
entsprechenden Bauteils abschließt. Siehe Block 49.
Bei Baugruppen, die eine dauerhaftere Schweißverbindung oder eine Verbindung
erfordern, die durchgehend ist, kann das Verfahren die Bildung einer
lang gestreckten Schweißverbindung
zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil entlang der Berührungsfläche beinhalten.
Siehe Block 50. Gemäß einer
Ausführungsform
wird durch die lang gestreckte Schweißverbindung der Stift oder
die Stifte mindestens teilweise überschweißt. Eine
rotierende Rührreibschweißspitze
kann zum Beispiel in das erste und das zweite Bauteil an der Berührungsfläche eingeführt werden.
Siehe Block 51. Die rotierende Rührreibschweißspitze
wird dann durch das erste und das zweite Bauteil entlang eines durch
die Berührungsfläche definierten
Weges bewegt. Siehe Block 52. Das Verfahren kann dann das
Befestigen der Baugruppe an anderen Baugruppen beinhalten, um den
Rahmen eines Luft- und Raumfahrzeugs zu bilden. Siehe Block 53.
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Dem
Fachmann werden viele Abwandlungen und andere Ausführungsformen
der Erfindungen in den Sinn kommen, die diese Erfindung betreffen,
die den Vorteil der Lehren aufweisen, die in den vorstehenden Beschreibungen
und den zugehörigen
Zeichnungen dargelegt wurden. Daher versteht es sich, dass die Erfindung
sich nicht auf die offenbarten spezifischen Ausführungsformen beschränken soll
und dass Abwandlungen und andere Ausführungsformen ebenfalls in den
Schutzbereich der beigefügten
Ansprüche
fallen sollen. Obwohl hierin Fachbegriffe verwendet werden, werden
sie in einem allgemeinen und beschreibenden Sinn verwendet und nicht
für einschränkende Zwecke.