EP1901875A1 - Rührreibschweisswerkzeug sowie verfahren und anordnung zur echtzeit-kontrolle eines rührreibschweissprozesses durch erfassung der beschleunigungskräfte und/oder schwingungen an dem werkzeugkörper - Google Patents

Rührreibschweisswerkzeug sowie verfahren und anordnung zur echtzeit-kontrolle eines rührreibschweissprozesses durch erfassung der beschleunigungskräfte und/oder schwingungen an dem werkzeugkörper

Info

Publication number
EP1901875A1
EP1901875A1 EP06764007A EP06764007A EP1901875A1 EP 1901875 A1 EP1901875 A1 EP 1901875A1 EP 06764007 A EP06764007 A EP 06764007A EP 06764007 A EP06764007 A EP 06764007A EP 1901875 A1 EP1901875 A1 EP 1901875A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
friction stir
stir welding
welding tool
tool
friction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06764007A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jean Pierre Bergmann
Johannes Wilden
Frank BARTHELMÄ
Bernd Aschenbach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Ilmenau
Original Assignee
Technische Universitaet Ilmenau
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Ilmenau filed Critical Technische Universitaet Ilmenau
Publication of EP1901875A1 publication Critical patent/EP1901875A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/1245—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding characterised by the apparatus
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/123—Controlling or monitoring the welding process
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/1245—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding characterised by the apparatus
    • B23K20/1255—Tools therefor, e.g. characterised by the shape of the probe

Definitions

  • the invention relates to a friction stir welding tool and a method and an arrangement for real-time control of a friction stir welding process.
  • Friction welding has been used industrially for a number of decades for a variety of joining tasks in which rotationally symmetric or flat workpieces are joined.
  • the heat is generated by friction of the joining surfaces, which is generated by the relative movement of the joining partners to each other.
  • Friction Stir Welding is a further development of friction welding technology and was patented in the early 1990s (GB 2 270 864). This method is due to the low joining ⁇ temperatures and the excellent property profile of the compounds of.
  • both the frictional heat and the pressure are generated by wear-resistant tool stir bolts. These consist of a shoulder and a pin and are pressed in rotation in the joining area in the workpiece material until the shoulder is in contact with the workpiece surface ⁇ piece. The friction between the workpiece material and the shoulder produces the required heat for plasticizing the workpiece material.
  • the plasticized material is stirred by the pin inside the seam and transported to its rear side.
  • It is therefore an object of the present invention to provide a compact, universally applicable friction stir welding tool as well as a method and an arrangement for real-time control provide a Rillonreibsch resumereas with which it is possible the joining process mieren easy and inexpensive to opti ⁇ so that in its result, the quality requirements ⁇ stakes corresponding joint seam without the need for post-processing occurs and the load on the friction stir welding mini ⁇ mized is.
  • Fig. 1 - representation of the velocity field during a friction stir welding process
  • FIG. 2 - schematic representation of a friction stir welding tool according to the invention
  • FIG. 3 schematic representation of a control loop for the friction stir welding process
  • Fig. 1 illustrates the components of a speed ⁇ field, as occurs in an ordinary Rhakreibsch resume polish.
  • FIG. 2 schematically shows a friction stir welding tool according to the invention, which is attached to a non-illustrated
  • Known friction stir welding Tools consist essentially of a tool body 2 made of tempered tool steel and a horrendbolzen 3, the latter being composed of a shoulder and a pin, which are firmly connected together.
  • the attachment of the istrandbolzens 3 on the tool base body 2 ⁇ takes place in a tool holder, for example a collet or chuck for parallel according to DIN 1835 part 1 and 2.
  • FIG. 1 A tool holder, for example a collet or chuck for parallel according to DIN 1835 part 1 and 2.
  • the heat generated in the friction stir welding process is dissipated via a closed cooling system 4.
  • the coolant is supplied to the tool via the inner coolant supply (IKZ) 5 of the machine spindle and via a radially rotatably mounted on the outer circumference of the tool coolant ring 6 derived.
  • IKZ inner coolant supply
  • the supply and discharge can be carried out via a modified coolant ring.
  • a correspondingly designed sensor arrangement 7 enables the detection of selected, process-related irregularities which are essentially due to changes in the material flow or in the friction behavior at the interface pin / substrate surface.
  • This Unre ⁇ larities, which originally result from a change in the rotational speed, the acceleration occurring in the tool can be determined by the measurement.
  • the acceleration can be multiaxial, for example, by means of a commercially available triaxial acceleration sensor based on piezos be measured. After further processing and evaluation of these measured values, it is then possible to make a statement about the vibrations occurring and loads on the machine.
  • the solution presented here offers the unique possibility of actively gaining information about the self-adjusting material flow in the case of non-similar material pairings (eg steel / aluminum, titanium / aluminum, etc.).
  • the different flow properties of the materials used lead to an untypical velocity field, which can only be defined by measuring the resulting velocity changes (accelerations).
  • the compact design according to the invention and the intelligent arrangement of the sensors in the friction stir welding head represent an essential feature of the invention, since thus the user can be offered a holistic, real-time process control "in one hand”.
  • the energy for the tool-internal electronics is inductively fed via a coupling point 9.
  • a stator 10 has the shape of a ⁇ preferably Kreisringaus section.
  • Fig. 3 the control circuit of a fiction, ⁇ friction stir welding system is shown schematically.
  • the respective sensor signals via a data pre-processing and a bidirectional telemetry unit are transmitted ⁇ unit to an evaluation .
  • the data is prepared and commands for controlling the action logic in the welding system are generated.
  • the generated commands for system control are transmitted via suitable interfaces, which in turn transmit the relevant process parameters, such as processing speed. speed, processing power and working temperature. This ensures that the process parameters are adapted to the changing process conditions during the welding process and that the welding process can be carried out in a quality-oriented manner.
  • the compact design of the friction stir welding tool according to the invention which is compatible with various welding systems or machining centers, proves to be very advantageous since it can be used universally and, in particular, offers small companies the possibility of reacting very flexibly to corresponding market requirements.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rührreibschweißwerkzeug sowie ein Verfahren und eine Anordnung zur Echtzeit-Kontrolle eines Rührreibschweißprozesses. Mit der vorliegenden Erfindung soll ein kompaktes, universell einsetzbares Rührreibschweißwerkzeug sowie ein Verfahren und eine Anordnung zur Echtzeit-Kontrolle eines Rührreibschweißprozesses bereitgestellt werden, so dass in seinem Ergebnis eine qualitätsgerechte Fügenaht ohne notwendige Nachbearbeitung entsteht, wobei die Belastungen der Rührreibschweißanlage minimiert werden. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Schwingungen eines Rührreibschweißwerkzeuges in x-, y- und z- Richtung, die vom Rührreibschweißwerkzeug aus wirkenden Bearbeitungskräfte und die Arbeitstemperaturen, die unmittelbar an der Schweißstelle auftreten, während des Rührreibschweißprozesses mit geeigneten im Werkzeuggrundkörper (1) Sensoren (7) erfasst werden, die erfassten Daten telemetrisch durch Einheit (8) an eine Auswerteeinheit übertragen und von dieser rechnergestützt aufbereitet werden und über eine Steuereinheit die Prozessparameter Bearbeitungsgeschwindigkeit, Bearbeitungskraft und Arbeitstemperatur geregelt werden.

Description

RÜHRREIBSCHWEISSWERKZEUG SOWIE VERFAHREN UND ANORDNUNG ZUR ECHTZEIT-KONTROLLE EINES RÜHRREIBSCHWEISSPROZESSES DURCH ERFASSUNG DER BESCHLEUNIGUNGSKRÄFTE UND/ODER SCHWINGUNGEN AN DEM WERKZEUGKÖRPER
Die Erfindung betrifft ein Rührreibschweißwerkzeug sowie ein Verfahren und eine Anordnung zur Echtzeit-Kontrolle eines Rührreibschweißprozesses .
Reibschweißen wird seit einigen Jahrzehnten industriell für eine Vielzahl von Fügeaufgaben eingesetzt, bei denen rotationssymmetrische oder flächige Werkstücke gefügt werden. Beim konventionellen Reibschweißen entsteht die Wärme durch Reibung der Fügeflächen, die durch die Relativbewegung der Fügepartner zueinander erzeugt wird.
Das Rührreibschweißen (FSW - Friction Stir Welding) stellt eine Weiterentwicklung der Reibschweißtechnik dar und ist Anfang der 90er Jahre patentiert (GB 2 270 864) worden. Dieses Verfahren zeichnet sich auf Grund der niedrigen Füge¬ temperaturen und des hervorragenden Eigenschaftsprofils der Verbindungen aus. Beim FSW werden sowohl die Reibungswärme als auch der Druck durch verschleißfeste Werkzeugrührbolzen erzeugt. Diese bestehen aus einer Schulter und einem Stift und werden rotierend im Fügebereich in den Werkstückstoff hineingedrückt, bis die Schulter in Kontakt mit der Werk¬ stückoberfläche ist. Durch die Reibung zwischen Werkstückstoff und Schulter entsteht die erforderliche Wärme zur Plastifizierung des Werkstückstoffes. Bei der Bewegung des Rührreibwerkzeuges entlang des Fügebereiches wird das plasti- fizierte Material durch den Stift im Inneren der Naht verrührt und an seine Rückseite transportiert. Grundlegende Erläuterungen zu dieser Technik finden sich in Dalle Donne, C; Braun, R.; Staniek, G.; Jung, A.; Kaysser, W. A.: Mikro- strukturelle, mechanische und korrosive Eigenschaften reib- rührgeschweißter Stumpfnähte in Aluminiumlegierungen; in: Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 29, (1998), 609-617.
Jedoch stellen die beim Rührreibschweißen in der Phase des Tauchens auftretenden Kräfte besondere Anforderungen an die verwendeten Werzeugmaschinen und Anlagen. Diese müssen ausreichend steif sein, da auftretende Schwingungen während des Rührreibschweißprozesses zu einer unregelmäßigen Nahtaus- bildung führen und die Prozesssicherheit sowie seine Reprodu¬ zierbarkeit dadurch stark beeinflusst werden. In Blach, 0.; Senne, F.: Reibrührschweißen aus der Sicht eines Anwenders im Schienenfahrzeugbau; in: 2. GKSS Workshop, (2002), 85-94; wird als Grund für die mangelnde Reproduzierbarkeit die Über- belastung der verwendeten Bearbeitungszentren angegeben. An der Nahtoberfläche sind trotz angezeigter konstanter Werte der Höhenposition (z-Position) des Werkzeugrührbolzen Schwankungen in der Eintauchtiefe erkennbar. Aufgrund einer unzu¬ reichenden Steifigkeit der Maschine kommt es während des Prozessesablaufes zum „Rucken". Daneben bewirken die im Bear- beitungsprozess auftretenden Axialkräfte von bis zu 30 kN eine Lebensdauerreduzierung der Werkzeugrührbolzen und der Wälzlager der Schweißanlage.
Alle diese negativen Erscheinungen treten vermehrt beim Bearbeiten zäher Werkstoffklassen, wie beispielsweise Stähle oder Mischverbindungen, auf. Um FSW-Verbindungen aus artgleichen und/oder unterschiedlichen Werkstoffen in einem größeren Umfang prozesssicher herstellen zu können, ist daher eine Echtzeit-Prozesskontrolle erforderlich. Um darüber hinaus konstante Rührbedingungen gewährleisten zu können, muss der Verschleiß des Werkzeugrührbolzens (Stift und Schulter) ständig überwacht werden. Die Kontrolle des Schweißprozesses ist jedoch sehr problematisch, da die Fügestelle nur sehr schwer zugänglich ist. In der Literatur wird an vereinzelten Stellen über online-Prozesskontrollsysteme berichtet. So z.B. werden in Kailee, S.; Nicholas, D.E.; Thomas, W.: Friction Stir Welding: Invention, Innovations and Applications; in: 2. GKSS Workshop, (2002), 9-22; die auftretenden Kräfte durch einen Dynamometer und eine Kraftmessdose erfasst, wobei eine Rückkopplung mit der Maschinensteuerung nicht erfolgt. Diese Messung ermöglicht lediglich das Erfassen der Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz und kann zur Überwachung der Eintauchtiefe bei Prozessbeginn eingesetzt werden.
In Kleiner, D.; Bird, CR.: Signal Processing for quality assurance in friction stir welds; in: 42nd Annual British Conference on NDT, (2003), 169-174; werden Schallkörperemissionen während des laufenden Prozesses gemessen und ausgewertet. Durch die Transformation dieser Signale ist es möglich, eine Regelung des Prozesses vorzunehmen. So kann z.B. das Auftreten von Kavitäten und Unregelmäßigkeiten in der Schweißnaht (Kissing Bonds) mit Hilfe eines Verarbei¬ tungs-Algorithmus aus diesen auf diese Weise gewonnenen Signalen sicher abgeleitet werden. Das Monitoring durch Schallkörperemissionen wird jedoch durch die in einer Ferti- gungshalle auftretenden Nebengeräusche stark beeinträchtigt.
Eine weitere Anordnung zur Steuerung des FSW-Prozesses mit einem doppelschulterigen Bolzen wird in der WO 00/2699 Al dargestellt. Auch in diesem Fall werden nur integrierte Informationen über Wegänderung und Druckbeaufschlagung ermittelt. Die Regelung erfolgt dann über einen Aktuator. In der WO 03/064100 Al wird die Kraft zwischen den Schultern als prozessregelnde Größe angenommen und über das Antriebsmo¬ ment gemessen.
In der DE 101 39 687 Cl wird eine Lösung zur Messung der Temperatur im Werkzeug und somit zur Bestimmung des auftre¬ tenden Zeit-Temperatur-Regime im Prozess beschrieben.
Eine deutliche Weiterentwicklung dieses Kontrollprozesses liefert die erst am 12.01.2006 veröffentlichte Patentschrift DE 10 2004 030 381 B3. Hier wird der Einsatz geeigneter Messmethoden und Anordnungen zur Ermittlung der Druckbeaufschlagung (z.B. mittels Dehnungsmesssensor, piezoelektrischem oder magnetostriktivem Element oder mittels einer Druckfolie) sowie der auftretenden Schwingungen (Mikrowellensensor) vorgestellt. Insbesondere werden die Schwingungen über die Lageänderung der am Prozess beteiligten Maschinenteile mit einem Laser oder Mikrowellensensor gemessen. Diese Messelemente können extern oder an der Halterung (Werkzeugfutter) angebracht sein. Die dargestellte Lösung ist eine Weiterent¬ wicklung des bisher bekannten Standes der Technik. Der Nachteil dieser Lösung besteht jedoch darin, dass in allen Fällen die Information über die Vorgänge aus dem Zustand des Rühr¬ bolzen, also unterhalb der Kontaktoberfläche Schulter/Bauteil ermittelt wird. Es ist mit diesem Verfahren zum Beispiel nicht möglich, gezielt den Materialfluss um den Stift herum, sowie Verschleißerscheinungen des Stiftes selbst zu ermit¬ teln. Die Prozesssicherheit sowie das Auftreten von sogenann¬ ten Kissing Bonds beim Rührreibschweißen werden jedoch maßgeblich vom Materialfluss um den Stift herum bestimmt. Ist dieser kontinuierlich, dann ist auf eine gleichmäßige Durchmischung (im festen Zustand, ähnlich wie beim Kneten) zwischen den Fügepartnern zu schließen (vgl. Fig. 1) . Tritt dabei eine Diskontinuität auf, wie z.B. das kurzfristige
Ablösen eines Materialfilmes in der drehenden Bewegung um den
Stift herum, dann ergibt sich eine zeitlich begrenzte Geschwindigkeitsänderung. Diese kann mit den in DE 10 2004
030 381 B3 dargestellten Messmethoden nicht präzise erfasst werden, da hierbei immer eine von mehreren Einflussfaktoren
(Nachgiebigkeit der Werkstoffe, des Rührbolzens, Übertragung an der Grenzfläche im Fall der Messung der Dehnung sowie der Lageänderung) abhängige Information ermittelt wird. Eine direkte Ermittlung des sich im Materialfluss ändernden Geschwindigkeitsfeldes wird nicht realisiert. Eine eindeutige Aussage über die materialspezifischen Gegebenheiten der Fügenaht ist somit nicht möglich. Darüber hinaus ergibt sich gerade bei artfremden Werkstoffpaarungen die Situation, dass auf Grund der unterschiedlichen Fliesseigenschaften ein untypisches Geschwindigkeitsfeld vorliegt. Dieses kann durch die derzeitige Sensorik nicht sicher definiert werden.
Die im Stand der Technik zur Verfügung stehenden Prozesskon- trollsysteme eignen sich daher für die Einzelfertigung auf CNC-Universalmaschinen sowie für die Serienfertigung nur bedingt. Insbesondere liefern die bekannten Messmethoden keine verwertbare Aussage über den Werkzeugverschleiß sowie über Veränderungen des Materialflusses an der Grenzfläche Stift / plastifizierter Werkstückstoff, welche maßgeblich für die Güte der Verbindung sowie für die Auslegung des Stiftes und des Prozesses ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein kompaktes, universell einsetzbares Rührreibschweißwerkzeug sowie ein Verfahren und eine Anordnung zur Echtzeit-Kontrolle eines Rührreibschweißprozesses bereitzustellen, mit denen es gelingt, den Fügeprozess einfach und kostengünstig zu opti¬ mieren, so dass in seinem Ergebnis eine den Qualitätsanforde¬ rungen entsprechende Fügenaht ohne notwendige Nachbearbeitung entsteht und die Belastung der Rührreibschweißanlage mini¬ miert wird.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten, neunten bzw. zwölften Patentanspruches.
Vorteilhafte erfindungsgemäße Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 - Darstellung des Geschwindigkeitsfeldes während eines Rührreibschweißprozesses
Fig. 2 - schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rührreibschweißwerkzeuges
Fig. 3 - schematische Darstellung eines Regelkreises für den Rührreibschweißprozess
Fig. 1 verdeutlicht die Komponenten eines Geschwindigkeits¬ feldes, wie es in einem gewöhnlichen Rührreibschweißprozess auftritt.
Fig. 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Rührreib- schweißwerkzeug, welches an einer nicht näher dargestellten
Maschinenspindel über eine Standardschnittstelle 1, wie z.B. ein Hohlschaftkegel, montiert wird. Bekannte Rührreibschweiß- Werkzeuge bestehen im wesentlichen aus einem Werkzeuggrundkörper 2 aus vergütetem Werkzeugstahl und einem Werkzeugrührbolzen 3, wobei letzterer aus einer Schulter und einem Stift zusammengesetzt ist, die miteinander festverbunden sind. Die Befestigung des Werkzeugrührbolzens 3 an dem Werkzeuggrund¬ körper 2 erfolgt in einer Werkzeugaufnahme, z.B. einer Spannzange oder einem Spannfutter für Zylinderschäfte nach DIN 1835 Teil 1 und 2.
Die im Rührreibschweißprozess anfallende Wärme wird über ein geschlossenes Kühlsystem 4 abgeführt. Das Kühlmittel wird dem Werkzeug über die innere Kühlmittelzufuhr (IKZ) 5 der Maschinenspindel zu- und über einen radial drehbar am Außenumfang des Werkzeuges gelagerten Kühlmittelring 6 abgeleitet. Bei Spindeln ohne IKZ kann die Zu- und Abfuhr über einen modifizierten Kühlmittelring ausgeführt werden.
Erfindungsgemäß ermöglicht eine entsprechend ausgelegte Sensoranordnung 7 die Erfassung ausgewählter, prozessbeding- ter Unregelmäßigkeiten die im wesentlichen auf Veränderungen im Materialfluss oder im Reibverhalten an der Grenzfläche Stift / Substratoberfläche zurückzuführen sind. Diese Unre¬ gelmäßigkeiten, die sich ursprünglich aus einer Veränderung der Rotationsgeschwindigkeit ergeben, können durch die Messung der im Werkzeug auftretenden Beschleunigung ermittelt werden. Die Beschleunigung kann mehrachsig z.B. mittels eines handelsüblichen Triaxialbeschleunigungssensors auf Piezobasis gemessen werden. Nach einer Weiterverarbeitung und Auswertung dieser Messwerte kann dann eine Aussage über die auftretenden Schwingungen und Belastungen auf die Maschine getroffen werden . Eine weitere Instrumentalisierung des Rührreibschweißkopfes, basierend auf den bereits erwähnten Methoden zur Ermittlung der statischen und dynamischen Komponenten der auf die zu schweißenden Werkstücke wirkenden Kraft, wird mit geeigneten Kraftmesssensoren, wie z.B. Dehnmessstreifen oder Piezokraft- sensoren, in geeigneter Anordnung realisiert. Bedingt durch die thermischen Besonderheiten des Rührreibschweißprozesses kann die zum Schutz der Sensorik notwendige Temperaturüberwa¬ chung auch als Prozessgröße aufgenommen werden. Dabei wird durch die im Rührreibschweißwerkzeug befindliche Sensorik notwendige aktive Kühlung des Elektronikbereiches auch als Prozessparameter berücksichtigt. Zur Temperaturmessung befindet sich ein Sensor mit geringer Wärmekapazität nahe der Wirkstelle bzw. nahe dem Werkzeugrührbolzen 3.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann eine Separierung der Effekte erfolgen und die Wichtung der Materialflussänderung, die sich beispielsweise auf Grund der materialspezifischen Eigenschaften, der Temperatur der Werkstoffe (Fliessgrenze) aber auch insbesondere der Anordnung zum Stift (Positionie¬ rung) , der Geometrie des Stiftes sowie dessen Zustand erge¬ ben, erfolgen. Darüber hinaus bietet die hier dargestellte Lösung die einzigartige Möglichkeit, aktiv bei artfremden Werkstoffpaarungen (z.B. Stahl/Aluminium, Titan/Aluminium etc.) Informationen über den sich einstellenden Materialfluss zu gewinnen. In diesem Fall führen die unterschiedlichen Fließeigenschaften der verwendeten Werkstoffe zu einem untypischen Geschwindigkeitsfeld, das nur durch eine Messung der sich ergebenden Geschwindigkeitsänderungen (Beschleunigungen) definiert werden kann. Der erfindungsgemäße kompakte Aufbau und die intelligente Anordnung der Sensorik im Rührreibschweißkopf stellt ein wesentliches Merkmal der Erfindung dar, da somit dem Anwender eine ganzheitliche Echtzeit-Prozessregelung „in einer Hand" angeboten werden kann.
Die Energie für die werkzeuginterne Elektronik wird induktiv über eine Koppelstelle 9 eingespeist.
Mit Hilfe der auf diese Weise erfassten Daten kann man auf veränderte Prozessbedingungen rückschließen und mit auftretenden Schweißunregelmäßigkeiten korrelieren.
Um den Einsatz des Rührreibschweißwerkzeuges auf konventio- nellen Bearbeitungszentren mit automatischem Werkzeugwechsler sicherzustellen und um Kollisionen mit diesem zu vermeiden, hat ein Stator 10 vorzugsweise die Form eines Kreisringaus¬ schnittes .
In Fig. 3 ist schematisch der Regelkreis einer erfindungs¬ gemäßen Rührreibschweißanlage dargestellt. Sobald während des Schweißprozesses infolge von Instabilitäten, z.B. Eintauchtiefe, Werkzeugverschleiß, Kavitäten usw. Änderungen der Beschleunigung und / oder des Kraftverlaufes und / oder der Temperatur am Rührreibschweißwerkzeug auftreten, werden die entsprechenden Sensorsignale über eine Datenvorverarbeitung und eine bidirektionale Telemetrieeinheit zu einer Auswerte¬ einheit übertragen. Dort werden die Daten aufbereitet und Befehle zur Steuerung der Handlungslogik in der Schweißanlage generiert. Über geeignete Schnittstellen werden die generierten Befehle zur Anlagensteuerung übertragen, die ihrerseits die relevanten Prozessparameter, wie Bearbeitungsgeschwindig- keit, Bearbeitungskraft und Arbeitstemperatur, regelt. Damit wird sichergestellt, dass die Prozessparameter während des Schweißprozesses an die sich ändernden Prozessbedingungen angepasst werden und der Schweißprozess qualitätsgerecht ausgeführt werden kann.
Vorteilhaft wirkt sich hierbei der Einsatz von geeigneten kompakten Sensoren kleinster Bauform aus, zur Ermittlung der Beschleunigung, der Kraft und der Temperatur. Dies ermöglicht die Integration dieser Sensoren vorzugsweise im Werkzeuggrundkörper, also nahe der Wirkstelle. Mit dem erfindungsge¬ mäßen Rührreibschweißwerkzeug können insbesondere Veränderun¬ gen des Materialflusses und beispielsweise Verschleißerschei¬ nungen am Werkzeugrührbolzen erkannt werden. Die Regulierung der Bearbeitungskraft und der Arbeitstemperatur ermöglicht einen Werkzeug- und anlagenschonenden, verschleißarmen Prozessablauf.
Des weiteren erweist sich die kompakte und mit verschiedenen Schweißanlagen oder Bearbeitungszentren kompatible Bauweise des erfindungsgemäßen Rührreibschweißwerkzeuges als sehr vorteilhaft, da es universell einsetzbar ist und insbesondere kleinen Unternehmen die Möglichkeit bietet, sehr flexibel auf entsprechende Marktanforderungen zu reagieren.
Bezugszeichenliste
1 - Standardschnittstelle
2 - Werkzeuggrundkörper
3 - Werkzeugrührbolzen
4 - geschlossenes Kühlsystem
5 - innere Kühlmittelzufuhr (IKZ) 6 - äußerer Kühlmittelring
7 - Beschleunigungs-, Kraft- und Temperatursensoren
8 - Datenvorverarbeitung
9 - Koppelstelle
10 - Stator der Werkzeugmaschine

Claims

Patentansprüche
1. Rührreibschweißwerkzeug bestehend aus einem Werkzeug¬ grundkörper und einem Werkzeugrührbolzen mit einer Schul- ter und einem Stift, dadurch gekennzeichnet, dass im
Werkzeuggrundkörper mindestens ein Sensor zur Erfassung der auf den Werkzeuggrundkörper wirkenden Beschleunigungskräfte integriert ist.
2. Rührreibschweißwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der integrierte Sensor angepasst ist, um Beschleunigungskräfte zu bestimmen, die aus Veränderungen im Materialfluss oder Reibverhalten an der Grenzfläche zwischen Stift und zu schweißender Werkstückoberfläche resultieren.
3. Rührreibschweißwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem integrierten Sensor weiterhin die an der Grenzfläche Stift/Werkstückoberfläche auftretenden Bearbeitungskräfte und/oder Arbeitstemperaturen bestimmbar sind.
4. Rührreibschweißwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der integrierte Sensor einen oder mehrere Beschleunigungssensoren umfasst, mit denen die Schwingungen des Rührreibschweißwerkzeuges orthogonal zueinander in x-, y- und z-Richtung erfassbar sind.
5. Rührreibschweißwerkzeug nach Anspruch 4 dadurch gekenn— zeichnet, dass der Sensor ein Triaxialbeschleunigungssen- sor ist.
6. Rührreibschweißwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der integrierte Sensor mindestens einen Kraftmesssensor umfasst, vorzugsweise als Dehnmessstreifen oder Piezokraftsensor, mir dem die Bearbeitungskräfte, mit denen das Rührreibschweißwerkzeug auf die zu schweißenden Werkstücke wirkt, erfassbar sind.
7. Rührreibschweißwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der integrierte Sensor mindestens einen Temperatursensor umfasst, mit dem die Arbeitstemperaturen, die unmittelbar an der Wirkstelle auftreten, erfassbar sind.
8. Rührreibschweißwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass im Werkzeuggrundkörper (2) des Rührreibschweißwerkzeuges Mittel zur Kühlung (4, 5 und 6) des integrierten Sensors (7) und des Werkzeugrührbolzens (3) vorgesehen sind.
9. Verfahren zur Echtzeit-Kontrolle eines Rührreib- schweißprozesses dadurch gekennzeichnet, dass die Schwin¬ gungen eines Rührreibschweißwerkzeuges in x-, y- und z- Richtung während des Rührreibschweißprozesses mit im Rührreibschweißwerkzeug integrierten Sensoren erfasst werden, die erfassten Daten an eine Auswerteeinheit übertragen und von dieser aufbereitet werden und über eine Steuereinheit die Prozessparameter geregelt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin die Bearbeitungskräfte, mit denen das Rührreib- schweißwerkzeug auf die zu schweißenden Werkstücke wirkt, und die Arbeitstemperaturen, die unmittelbar an der Schweißstelle auftreten, mit den im Rührreibschweißwerk- zeug integrierten Sensoren erfasst werden, die erfassten Daten an die Auswerteeinheit übertragen und von dieser aufbereitet werden und über die Steuereinheit als Prozessparameter geregelt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessparameter zumindest Bearbeitungs¬ geschwindigkeit, Bearbeitungskraft und Arbeitstemperatur bestimmt und geregelt werden, wobei die Prozessparameter jeweils an die sich während des Rührreibschweißprozesses ändernden Bedingungen angepasst werden.
12. Anordnung zur Echtzeit-Kontrolle eines Rührreibschwei߬ prozesses gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Werkzeugmaschine mit einem Rührreibschweißwerkzeug gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, Mitteln zur telemetrischen Übertragung der erfassten Daten, einer Auswerteeinheit zu deren Aufbereitung und einer Steuereinheit zur Einstel- lung der Prozessparameter besteht.
EP06764007A 2005-07-09 2006-06-30 Rührreibschweisswerkzeug sowie verfahren und anordnung zur echtzeit-kontrolle eines rührreibschweissprozesses durch erfassung der beschleunigungskräfte und/oder schwingungen an dem werkzeugkörper Withdrawn EP1901875A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200510032170 DE102005032170A1 (de) 2005-07-09 2005-07-09 Rührreibschweißwerkzeug und Verfahren und Anordnung zur online-Kontrolle eines Rührreibschweißprozesses
PCT/EP2006/063758 WO2007006669A1 (de) 2005-07-09 2006-06-30 Rührreibschweisswerkzeug sowie verfahren und anordnung zur echtzeit-kontrolle eines rührreibschweissprozesses durch erfassung der beschleunigungskräfte und/oder schwingungen an dem werkzeugkörper

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP1901875A1 true EP1901875A1 (de) 2008-03-26

Family

ID=37057142

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP06764007A Withdrawn EP1901875A1 (de) 2005-07-09 2006-06-30 Rührreibschweisswerkzeug sowie verfahren und anordnung zur echtzeit-kontrolle eines rührreibschweissprozesses durch erfassung der beschleunigungskräfte und/oder schwingungen an dem werkzeugkörper

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP1901875A1 (de)
DE (1) DE102005032170A1 (de)
WO (1) WO2007006669A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113245687A (zh) * 2021-06-21 2021-08-13 宁波齐云新材料技术有限公司 一种转速智能控制的摩擦搅拌焊接系统

Families Citing this family (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7992761B2 (en) * 2006-10-05 2011-08-09 The Boeing Company Process control system for friction stir welding
US20090255980A1 (en) * 2008-04-15 2009-10-15 Lockheed Martin Corporation Control systems for friction stir welding of titanium alloys and other high temperature materials
CN102149506B (zh) * 2008-08-11 2015-10-07 梅加斯特尔技术公司 用于通过多轴环组件在高温下夹紧工具材料的旋转保持装置
DE102009060138B4 (de) 2009-12-23 2013-08-29 Hochschule Magdeburg-Stendal (Fh) Anordnung zum Reibschweißen kleiner Querschnittsflächen
GB201002717D0 (en) 2010-02-18 2010-04-07 Rolls Royce Plc An apparatus and a method of determining the quality of a friction weld
US8657179B1 (en) 2012-03-26 2014-02-25 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Weld nugget temperature control in thermal stir welding
DE102012010836B3 (de) 2012-05-31 2013-06-20 Grenzebach Maschinenbau Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung der Qualität der Schweißnaht beim Rührreibschweißen, Computerprogramm sowie maschinenlesbarer Träger
DE202012005397U1 (de) 2012-05-31 2012-06-21 Grenzebach Maschinenbau Gmbh Vorrichtung zur Verbesserung der Qualität der Schweißnaht beim Rührreibschweißen
DE202012103219U1 (de) 2012-08-24 2013-12-02 Kuka Systems Gmbh Pressschweißvorrichtung
US8556156B1 (en) * 2012-08-30 2013-10-15 Apple Inc. Dynamic adjustment of friction stir welding process parameters based on weld temperature
DE202014000747U1 (de) 2014-01-28 2014-02-18 Grenzebach Maschinenbau Gmbh Vorrichtung zum Rührreibschweißen bei Materialien unterschiedlicher Dicke und bei Kehlnähten
DE102014001050A1 (de) 2014-01-28 2015-07-30 Grenzebach Maschinenbau Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Rührreibschweißen bei Materialien unterschiedlicher Dicke und bei Kehlnähten
DE102014004331B3 (de) * 2014-03-26 2015-06-11 Grenzebach Maschinenbau Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung der Qualität der Schweißnaht beim Rührreibschweißen sowie Computerprogramm und maschinenlesbarer Träger mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens
DE202014002642U1 (de) 2014-03-26 2014-04-10 Grenzebach Maschinenbau Gmbh Vorrichtung zur Erhöhung der Festigkeit der Schweißnaht beim Rührreibschweißen
EP2965858A1 (de) 2014-07-11 2016-01-13 NELA Razvojni center d.o.o. Podruznica Vincarje Echtzeitwerkzeugbrucherkennung während Reibrührschweißverfahren
EP2965851A1 (de) 2014-07-11 2016-01-13 NELA Razvojni center d.o.o. Podruznica Vincarje Rührreibschweißverfahren mit einer Offline-Werkzeugbrucherkennung
CN104259650B (zh) * 2014-07-31 2017-07-04 上海拓璞数控科技股份有限公司 一种搅拌摩擦焊接压力控制系统
JP6038426B1 (ja) * 2015-01-07 2016-12-07 株式会社山本金属製作所 摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合に用いる回転ツール
DE102015010638A1 (de) 2015-08-13 2017-02-16 Grenzebach Maschinenbau Gmbh Vorrichtung und Verfahren zum homogenen Verschweißen flächig gebogener Strukturen durch Rührreibschweißen
EP3366410A4 (de) * 2015-10-21 2019-09-04 Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha Reibrührpunktschweissvorrichtung und reibrührpunktschweissverfahren
JP6143915B1 (ja) * 2016-04-28 2017-06-07 株式会社日立パワーソリューションズ 摩擦攪拌接合装置
DE102016217025A1 (de) 2016-09-07 2018-03-08 Airbus Defence and Space GmbH Verfahren zum betrieb einer rührreibschweiss-vorrichtung, rührreibschweiss-vorrichtung und rührreibschweiss-system
DE102016221112B4 (de) 2016-10-26 2018-12-20 Airbus Defence and Space GmbH Schweißwerkzeug und Rührreibschweißverfahren zum Verbinden wenigstens zweier Werkstücke mit einem Schweißwerkzeug
DE102016221110B4 (de) 2016-10-26 2018-10-25 Airbus Defence and Space GmbH Schweißwerkzeug und Rührreibschweißverfahren zum Verbinden wenigstens zweier Werkstücke mittels eines Schweißwerkzeugs
CN106891089B (zh) * 2017-03-27 2022-06-03 宁波海天精工股份有限公司 一种多用主轴结构
DK3450081T3 (da) 2017-08-30 2023-12-18 Mazak Corp Friktionssvejseværktøj, friktionssvejsesy stem og anvendelse deraf
DE102018001774B4 (de) 2018-03-06 2020-01-23 Grenzebach Maschinenbau Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Vermeidung einer Unterbrechung des Schweiß - Prozesses beim Rührreibschweißen, insbesondere eines Bruchs des Reibstifts.
CN112238289A (zh) * 2019-07-16 2021-01-19 中国科学院沈阳自动化研究所 一种搅拌摩擦焊机器人温度无线采集系统
AT523465B1 (de) 2020-02-06 2022-04-15 Fill Gmbh Rührreibschweißwerkzeughalter
CN111250862B (zh) * 2020-03-23 2023-11-17 吉林大学 一种搅拌摩擦焊夹具及温度场反馈控制方法
CN111375885B (zh) * 2020-04-29 2021-11-05 桂林航天工业学院 一种2219铝合金板材用的摩擦搅拌焊接装置
CN112345726B (zh) * 2020-10-23 2022-11-18 安阳工学院 一种对搅拌摩擦焊焊缝质量的评价方法
CN113369810A (zh) * 2021-05-31 2021-09-10 张家港沙钢金洲管道有限公司 一种基于搅拌摩擦焊的铝基复合材料管的制备方法
US12151301B2 (en) * 2023-03-24 2024-11-26 National Chung Cheng University Friction stir welding tool holder with thermal sensor

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4782452A (en) * 1986-08-25 1988-11-01 General Electric Company Acoustic detection of milling tool touch to a workpiece
US4918427A (en) * 1989-03-27 1990-04-17 General Electric Company Multi-level tool break detection using multi-mode sensing
WO2000002704A1 (en) * 1998-07-09 2000-01-20 Mts Systems Corporation Control system for friction stir welding
US6497355B1 (en) * 1999-10-13 2002-12-24 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration System for controlling the stirring pin of a friction stir welding apparatus
DE10139687C1 (de) * 2001-08-11 2003-02-20 Eads Deutschland Gmbh Reibrührwerkzeug zum Reibschweißen
SE0200303D0 (sv) * 2002-02-01 2002-02-01 Esab Ab Svetshuvud för friktionsomrörningssvetsning
DE102004030381B3 (de) * 2004-06-23 2006-01-12 Eads Deutschland Gmbh Verfahren zur Online-Qualitätsprüfung beim Reibrührschweißen

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2007006669A1 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113245687A (zh) * 2021-06-21 2021-08-13 宁波齐云新材料技术有限公司 一种转速智能控制的摩擦搅拌焊接系统
CN113245687B (zh) * 2021-06-21 2021-11-02 宁波齐云新材料技术有限公司 一种转速智能控制的摩擦搅拌焊接系统

Also Published As

Publication number Publication date
DE102005032170A1 (de) 2007-01-11
WO2007006669A1 (de) 2007-01-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2007006669A1 (de) Rührreibschweisswerkzeug sowie verfahren und anordnung zur echtzeit-kontrolle eines rührreibschweissprozesses durch erfassung der beschleunigungskräfte und/oder schwingungen an dem werkzeugkörper
DE102014010058B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum schnellen und sicheren Werkzeugwechsel bei dem Vorgang des Rührreibschweißens und ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens
Mendes et al. Machines and control systems for friction stir welding: A review
EP3334557B1 (de) Verfahren zum homogenen verschweissen flächig gebogener strukturen durch rührreibschweissen
EP1262280B1 (de) Vorrichtung zum Festwalzen von Einstichen und Radien der Lagerstellen von Kurbelwellen
DE102014001050A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Rührreibschweißen bei Materialien unterschiedlicher Dicke und bei Kehlnähten
WO2013178215A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur verbesserung der qualität der schweissnaht beim rührreibschweissen
DE102007048961A1 (de) Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einer Werkzeugmaschine
DE202014005571U1 (de) Vorrichtung zum schnellen und sicheren Werkzeugwechsel bei dem Vorgang des Rührreibschweißens
EP3762175B1 (de) Vorrichtung und verfahren zur vermeidung einer unterbrechung des schweiss - prozesses beim rührreibschweissen, insbesondere eines bruchs des reibstifts
US20100183389A1 (en) Method for controlling a drilling machine, and apparatus for carrying out said method
EP2813314B1 (de) Reibrührwerkzeug und Reibrührverfahren für ein Werkstück mit Oberflächenbeschichtung
WO2012048883A1 (de) Werkzeugmaschine mit ultraschall-sensor
DE202015005763U1 (de) Vorrichtung zum homogenen Verschweißen flächig gebogener Strukturen durch Rührreibschweißen
EP3930952B1 (de) Verfahren zum rührreibschweissen sowie vorrichtung hierzu
AT519718B1 (de) Knickarmroboter und Verfahren zum spanenden Bearbeiten eines Werkstückes mittels dem Knickarmroboter
Soylak et al. Investigation of the effect of sloping head fault in solid riveting on the strength of the joint
DE102010019677A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Konditionierung von Lagersystemen für Wellen
EP4063057B1 (de) Verfahren zum widerstandsschweissen von werkstücken
DE102016109970B4 (de) Verfahren zum Rührreibschweißen von metallischen Werkstücken
DE102016005850B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Fügen wenigstens zweier Bauteile, insbesondere für ein Kraftfahrzeug
DE102018206708A1 (de) Belastungserfassung eines bearbeiteten Werkstücks auf Grundlage einer Simulation
DE202016102872U1 (de) Werkzeugmaschine zum Rührreibschweißen von metallischen Werkstücken
DE102016002933A1 (de) Verfahren zum Regeln eines Roboters und Roboter
DE29806822U1 (de) Einrichtung zur Qualitätsüberwachung für Bearbeitungseinrichtungen für Werkstücke

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20080110

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LI LT LU LV MC NL PL PT RO SE SI SK TR

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
17Q First examination report despatched

Effective date: 20080704

GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20100220