WO2009127981A2 - Object with a welded seam, method for producing an object and a friction stirring tool and a device for friction stirring - Google Patents

Object with a welded seam, method for producing an object and a friction stirring tool and a device for friction stirring Download PDF

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WO2009127981A2
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friction stir
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Definitions

  • the invention relates to an article with a welded seam, a method for producing an article, in particular with a friction stir process, and a friction stir and a device for friction stir.
  • Fiber reinforced composites such as fiber reinforced plastics and fiber reinforced metals and alloys have higher strength than the matrix material alone, as well as lower weight than conventional metallic structures. As a result, they are increasingly used in aerospace, railway and automotive engineering.
  • an article is made of at least one fiber-reinforced
  • Material provided with a welded seam, wherein at least one fiber is arranged in the seam.
  • the fiber extends almost the entire length
  • the fiber has a helical or helical shape, in particular a helical shape.
  • This shape has the advantage that the width and the length of the seam are reinforced by the fiber.
  • the pitch and diameter of the helix i.e., the helix
  • a plurality of fibers are arranged in the seam.
  • These fibers may be entangled or juxtaposed.
  • the proportion of fibers in this way in the seam can be increased in order to further increase the strength of the seam. It is advantageous if the strength of the seam approximately corresponds to the strength of the non-welded parts, so that the strength of the object is spatially equal.
  • the fibers introduced into the seam can be continuous fibers, but also short or long fibers.
  • the article according to any one of these embodiments may be a component of an aircraft or a motor vehicle.
  • cracks can be caused by continuous load of the components. Of course, this is to be avoided for safety reasons.
  • the invention also provides a friction stir method which can be used to manufacture the article of any one of the preceding embodiments.
  • MCCs metal-based materials
  • suitable plastic materials can be welded together in this manner as a butt, lap or tee joint.
  • the technique of friction friction is also used in the repair, processing and finishing of workpieces.
  • Point connections can also be generated, whereby forward movement of the welding pin rotatingly in contact with the connection area or a translatory relative movement between the rotating welding pin and workpieces does not take place.
  • the method comprises the following steps.
  • a rotationally driven pin-shaped projection is inserted into a workpiece area or into a connecting area of at least two adjoining workpieces with rotating movement.
  • the workpiece area or joint area is plasticized in at least one contact area between the rotating projection and the workpiece area or bonding area, and a fiber is introduced into the plasticized area.
  • the introduced fiber may be an endless fiber which is preferably fed continuously. But it can also be introduced short or long fibers. In order to simplify the feeding of short fibers or long fibers, they may be embedded in a filler material (fiber-reinforced filler material) which is introduced into the plasticized region.
  • a filler material fiber-reinforced filler material
  • the plasticized area is liquid so that a fiber can be introduced into this liquid area.
  • This plasticized area has circulating currents caused by the rotation of the protrusion.
  • An endless, solid fiber is captured by this circulating weld metal and positioned in the weld metal due to flow or flow. Consequently, after re-solidification of the plasticized area, the endless fiber having a flow-related shape is frozen in the seam between the workpieces.
  • the endless fiber becomes helical, i. spiral or helical, arranged in the seam, wherein the projection along the connecting line is guided linearly.
  • the rotary-driven pin-shaped projection is typically part of a
  • a friction stir tool comprising a rotatably driven tool body. At the drive-remote end of the tool body is provided a shoulder from which extends in the direction away from the drive end of the tool body, the rotatable, pin-shaped projection having a smaller diameter than the shoulder. The shoulder and the pin-shaped projection are independently driven in rotation.
  • the shoulder may have at least one passage opening which extends into
  • a fiber can be arranged in the passage opening and fed to the plasticized area of the workpiece or the connection area during the friction stir process.
  • This method is advantageous when welding thick workpieces, especially plates with a thickness greater than 6 mm. It is important, in turn, that while the rotationally driven pin-shaped projection is in contact with the material or connection region, the shoulder does not perform a rotational movement, so that no additional frictional heat is generated at the workpiece surface by the shoulder.
  • the heat input is significantly reduced by Reibffygener réelle on the surface of the workpieces, creating a so-called low-heat joining is possible.
  • the additional heating on the workpiece surface is eliminated, so that here the heat load is low and at the same time a homogeneous heat load over the entire penetration depth of the welding pin is ensured.
  • the workpiece alloys soften less because the heat affected zone is less pronounced. Another positive effect is that residual stresses are reduced, so that the risk of delay is lower and an occurring delay is easier to handle.
  • the surface of the workpieces pointing in the direction of the pin-shaped projection is, at the given moment, subjected to the required pressure by the action of the shoulder, which is advantageously reduced by a factor of 2 to 3 and is typically between 1 and 200 kN compared to conventional friction-stir methods.
  • you can work with reduced process force which in turn has a simplified system technology result.
  • the process-related change in the residual stress states of the welded, repaired, machined or converted workpieces is reduced.
  • the shoulder is applied to the workpiece area or
  • connection area under at least temporary pressurization, wherein, while the projection is in contact with the workpiece area or connection area, the rotational speed of the shoulder is smaller than the rotational speed of the projection.
  • the projection may be moved relative to the abutting workpieces along the joining line of the adjacent workpieces.
  • the abutting workpieces are moved relative to the projection along the joining line of the abutting workpieces.
  • the invention also provides a friction stir tool having a rotationally drivable
  • Tool body comprises, at its end remote from the drive, a shoulder is provided, extending from the end facing away from the drive tool body rotatable, pin-shaped projection having a smaller diameter than the shoulder, wherein the shoulder and the pin-shaped projection are independently driven to rotate.
  • the shoulder has at least one passage opening which extends in the direction away from the drive end of the tool body.
  • a fiber may be disposed in the through hole and during the
  • Friction stir process in the plasticized region of the workpiece or the connection area are introduced.
  • This arrangement has the advantage that the through-hole and the position of insertion of the fiber are as close as possible to the plasticized region. This allows for reliable insertion of the fiber into the seam.
  • the fiber can be introduced through this passage opening directly above the workpiece in the plasticized area.
  • the passage opening may be substantially perpendicular to one in the direction extend away from the drive surface of the shoulder. This has the advantage that the guide length of the fiber arranged in the shoulder is small.
  • the passage opening extends from a surface of the shoulder facing away from the drive to a surface of the shoulder which is remote from the projection.
  • the central idea here is to design a friction stir tool in such a way that the welding pin and shoulder are decoupled from each other, so that upon rotation of the welding pin the shoulder just does not perform any rotational movement, but with respect to the workpieces to be joined or machined in the sense of rotation or is fixed. However, this does not exclude a displacement of the shoulder in the axial direction of the tool.
  • the shoulder defines a region of the friction stir tool having a larger diameter than the welding pin and ensures that, starting from a certain penetration depth of the welding pin, the shoulder rests positively and positively on the workpiece surface in order to apply the required compressive force to the workpiece surface and escape of plasticized material to prevent.
  • the shoulder is by means of a suitable
  • the shoulder is preferably mounted on the tool body by means of rolling bearings.
  • Such bearings are for example ball, barrel, needle roller bearings or the like.
  • hydrostatic or hydrodynamic plain bearings can be used to support the shoulder, to name but a few more examples.
  • the shoulder is formed as a molded part, which on the in
  • the molded part which is for example a sheet-metal element (eg a steel sheet with a thickness of typically 2 to 5 mm) or a cast components, can for this purpose be provided with a bore for passing the pin-shaped projection, and from below (ie from the direction of the pin-shaped Projection) are pushed onto the bearing. It is important to ensure that the area between the molded part and the pin-shaped projection is formed as tight as possible in order to prevent escape of plasticized material in the axial direction of the friction stir tool. [37] Alternatively, an arrangement with a molded part without storage can be used.
  • the edge region of the molded part is angled in such a way that it at least partially surrounds the bearing. It is particularly advantageous if the molded part at least partially surrounds both the side regions of the bearing and the surface of the bearing pointing in the direction of the tool drive. In this way, it is ensured that when removing the tool or the pin-shaped projection from the workpiece or connecting region, the shoulder does not slip or move in the axial direction of the tool. At the same time it is counteracted by adhesion of the shoulder to the surface of the welded or machined workpieces.
  • the molding is expediently provided with a friction-reducing material, at least on its side pointing in the direction of the projection.
  • a friction-reducing material for example, the material "CC Aluspeed ⁇ (RTM)>" from Cemecon can be applied as a coating.
  • the friction between the molded part and the workpiece surface is additionally reduced, which corresponds to the function of a sliding shoe.
  • the shoulder is moved through in the direction
  • the pin-shaped projection is integral with the pin-shaped projection
  • Tool body formed resulting in a very simple structure and the system technology for driving the tool or the pin-shaped projection is extremely simple, since essentially only one spindle to be driven is required.
  • the friction stir tool is usually rotationally symmetrical.
  • the friction stir tool according to the invention ensures that the work piece material close to the shoulder is not overheated.
  • the root area of the welded joint which otherwise tends to be cold-welded, is welded securely and with high quality, thanks to the higher selectable welding pin speed compared to known friction stir welding tools. It is achieved a uniform temperature distribution over the entire cross section of the workpieces, which is a prerequisite for a high quality welded joint is.
  • the invention also provides a device for friction stir comprising
  • the protrusion is insertable into a workpiece area or a connecting area of at least two workpieces to be connected with rotating movement, so that when it is rotated in contact with the workpiece area or connecting area, the protrusion plasticizes and plastifies this material at least in the contact area.
  • the apparatus further comprises a fiber source, wherein fibers may be introduced into the plasticized material via the passage opening.
  • the fibers can be supplied for example in the form of continuous, short or long fibers.
  • the device may further comprise drive means with which the device can be guided linearly while the drive of the projection is rotating. Alternatively, the workpieces are moved linearly relative to the device, in particular the projection.
  • the shoulder can thus be driven perpendicular to the workpieces, thus causing a pressurization of the workpiece.
  • Embodiments can be used for welding fiber-reinforced plastics, fiber-reinforced metals or fiber-reinforced alloys, or for welding two adjoining workpieces made of fiber-reinforced plastic, fiber-reinforced metal or a fiber-reinforced alloy.
  • FIG. 1 shows a cross section of a device for friction stir of a fiber reinforced material with a friction stir tool and a fiber source
  • Fig. 2 is a plan view of the device according to Fig. 1, and
  • FIG. 3 shows a perspective view of a component of two workpieces, which are welded together with the apparatus of FIG. 1.
  • Fig. 1 shows a cross section of a device 1 for friction stir.
  • the device
  • the fiber-reinforced joining parts 5, 6 have a matrix material made of thermoplastic, for example polypropylene, in which endless fibers, for example carbon fibers, are arranged.
  • the joining parts 5, 6 are arranged adjacent to one another in FIG. 1 in butt joint connection.
  • the joining parts 5, 6, even overlapping or in T-joint connection are welded together, which is not described in detail below, but mutatis mutandis from the following description, so that the invention is not limited to the embodiments described below is.
  • the friction stir tool 2 is rotationally symmetrical and comprises a
  • Tool body 7 which at the top, i. is formed at the drive-facing end, typically in the form of a bearing shaft, to be received in a tool holder of a drive device (e.g., rotary motor) not shown in FIG.
  • a shoulder 8 is provided, from which a rotatable, pin-shaped projection 9 or welding pin 9 extends in the direction of the end of the tool body 7 facing away from the drive.
  • the pin-shaped projection 9 has a smaller diameter than the shoulder 8.
  • the pin-shaped projection 9 is formed integrally with the tool body 7, which is a particularly simple arrangement, since only a drive mechanism for rotating the tool body 7 and thus the pin-shaped projection 9 is required.
  • the axis of rotation of the friction stir welding tool 1 is shown in FIG. 1 by the dot-dash line.
  • the tool body 7 may be a mechanism (not shown) for
  • the shoulder 8 is preferably arranged by means of roller bearings 10 on the tool body 7.
  • Such bearings 10 may be, for example, ball, barrel or needle roller bearings.
  • the shoulder 8 is formed as a molded part.
  • Such moldings may be sheet-like elements (eg steel sheets), castings or the like, which are advantageously provided with a friction-reducing coating on their side facing the welding pin 9 in order to further increase the friction between the shoulder 8 and the surface of the workpieces 5, 6 to diminish.
  • the material CC Aluspeed ⁇ (RTM)> Cemecon can be used.
  • the edge region of the molded part can be angled pointing in the axial direction of the friction stir tool 2 and bear against the side regions of the lower bearing shell.
  • the shaped part can also surround the rolling bearing 10 up to its side facing the drive-facing end.
  • the shoulder 8 further has a passage opening 11 which extends in the direction away from the drive end of the tool body 7, and which is arranged in this embodiment approximately perpendicular to the drive-facing surface of the shoulder 8.
  • the passage opening 11 is arranged in the shoulder 8 next to the welding pin 9 (see also FIG. 2).
  • the endless fiber 4 is supplied from the fiber source 3 through the through-hole 11, so that the end of the fiber 4 is disposed below the end of the tool body 7 remote from the drive.
  • the pin-shaped projection 9 is known under rotating movement in the connecting portion 12 of the joint parts 5, 6 introduced and moved along the connecting line 13 of the joining parts 5, 6 forward. This forward movement is shown by the arrow 14 in FIG. The rotation of the projection 9 is shown by the arrow 15 in Figures 1 and 2.
  • Joining parts 5, 6 generates frictional heat due to the relative movement between tool and workpieces. This frictional heat leads to a plasticization of the adjacent plates in the contact area, so that the rotating welding pin 9 in the Connection area can be introduced.
  • the plasticized material 17 is formed on the connecting line and flows circulating around the welding pin 9 around. This is shown by the arrows 16 in FIG. The currents flow in horizontal circles as well as in vertical circles.
  • the fiber 4 is introduced into this plasticized material 17, wherein the fiber 4 by means of the excited by the welding pin 9 material flow of the matrix material of the joining parts 5, 6 detected by the circulating weld metal and flow-dependent or flow-dependent positioned in the weld metal.
  • Connecting portion 12 is linearly along the connecting line 13 between the two plates 5, 6 moves.
  • the connecting region 12 is plastified in the forward direction and the endless fiber 4 is fed continuously to the plasticized region 17.
  • the connecting region 12 solidifies again, so that the fiber 4 is frozen in the welded seam 18.
  • a fiber reinforced material component 19 is provided in which the seam 18 and the workpieces 5, 6 are fiber reinforced. Due to the flow-dependent or flow-dependent positioning of the fiber 4 in the weld metal, a seam 18 can be provided, in which the fiber 4 in the seam 18 has a helical shape. This is shown in FIG.
  • the object 19 thus has two fiber-reinforced joining parts 5, 6, which are connected to one another via a welded seam 18.
  • An endless fiber 4 having a helical shape is disposed in the seam 18 and extends along the longitudinal direction of the seam 18.
  • the article 19 comprises a fiber reinforced seam 18 and fiber reinforced adherends 5, 6 and may be used as a component for an aircraft or a motor vehicle ,
  • the method according to the invention provides for solid-state welding of endless-fiber-reinforced metals and plastics, in which at the same time targeted fiber positioning in the weld metal is achieved.
  • This has the advantage that not only the matrix materials are welded together.
  • conventional friction stir welding continuous fiber reinforced materials the fibers in the contact area between the welding pin 9 and the joining parts 5, 6 are severed, so that the strength of the compound comes only from the organic or metallic matrix material. This strength is significantly lower than that of the fiber-reinforced material.
  • This is avoided by the inventive targeted positioning of an additional fiber in the welded seam, so that the strength of the seam is increased and the welded component is more reliable and resilient.
  • the shoulder 8 does not rotate while the welding pin 9 rotates.

Abstract

An object (19) made of at least one fiber-reinforced material is provided, comprising a welded seam (18) wherein a fiber (4) is disposed in the seam (18). The object (19) can be produced by introducing a rotationally driven pin-shaped protrusion (9) into a work piece area or into a connection area (12) of at least two adjacent work pieces (5, 6) under rotating motion, plasticizing the work piece area or the connection area (12) in at least one contact area between the rotating protrusion (9) and the work piece area or connection area (12), and introducing a fiber (4) into the plasticized area (17).

Description

Description description
Title of Invention: GEGENSTAND MIT EINER VER-Title of Invention: OBJECT OF A COMPANY
SCHWEISSTEN NAHT, VERFAHREN ZUM HERSTELLENWELDING SEAMS, METHOD OF MANUFACTURING
EINES GEGENSTANDS SOWIE EIN REIBRÜHRWERKZEUGONE OBJECT AND ONE REFILL TOOL
UND EINE VORRICHTUNG ZUM REIBRÜHRENAND A REFRESHING DEVICE
[1] Die Erfindung betrifft einen Gegenstand mit einer verschweißten Naht, ein Verfahren zum Herstellen eines Gegenstands, insbesondere mit einem Reibrührverfahren, sowie ein Reibrührwerkzeug und eine Vorrichtung zum Reibrühren.The invention relates to an article with a welded seam, a method for producing an article, in particular with a friction stir process, and a friction stir and a device for friction stir.
[2] In der Luft- und Raumfahrttechnik, der Schienenverkehrstechnik sowie im Automobilbau werden komplizierte sowie große Teile benötigt, die herkömmlich aus mehreren miteinander verbundenen Komponente hergestellt werden. Das Verbinden von Teilen aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen, beispielsweise durch Schweißtechniken, ist mit neuen Herausforderungen verbunden, da die Teile aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien bestehen, dem Matrixwerkstoff und darin eingebetteten Fasern.[2] Aerospace, railway and automotive applications require complex and large parts, traditionally made of several interconnected components. Joining fiber reinforced composite parts, such as by welding techniques, poses new challenges because the parts are made of at least two different materials, the matrix material and fibers embedded therein.
[3] Faserverstärkte Verbundwerkstoffe wie beispielsweise faserverstärkte Kunststoffe sowie faserverstärkte Metalle und Legierungen weisen eine höhere Festigkeit als das Matrixmaterial alleine auf, sowie ein geringeres Gewicht als herkömmliche metallische Strukturen. Folglich werden sie zunehmend in der Luft- und Raumfahrttechnik, der Schienenverkehrstechnik sowie im Automobilbau eingesetzt.[3] Fiber reinforced composites such as fiber reinforced plastics and fiber reinforced metals and alloys have higher strength than the matrix material alone, as well as lower weight than conventional metallic structures. As a result, they are increasingly used in aerospace, railway and automotive engineering.
[4] Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Herstellen eines Gegenstands bereitzustellen, das geeignet ist, faserverstärkte Materialien zuverlässig miteinander zu verbinden, sowie einen Gegenstand aus zumindest zwei miteinander verbundenen faserverstärkten Materialien zu schaffen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein Werkzeug sowie eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen dieses Verfahren durchgeführt werden kann.[4] It is therefore an object of the invention to provide a method of manufacturing an article which is capable of reliably bonding fiber-reinforced materials together and to provide an article of at least two interconnected fiber-reinforced materials. It is another object of the invention to provide a tool and a device with which this method can be performed.
[5] Gelöst wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche.[5] The problem is solved by the subject matter of the independent claims.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.Further advantageous developments emerge from the respective dependent claims.
[6] Erfindungsgemäß wird ein Gegenstand aus zumindest einem faserverstärkten[6] According to the invention, an article is made of at least one fiber-reinforced
Werkstoff mit einer verschweißten Naht bereitgestellt, wobei zumindest eine Faser in der Naht angeordnet ist.Material provided with a welded seam, wherein at least one fiber is arranged in the seam.
[7] Beim Verschweißen von faserverstärkten Materialien nach herkömmlichen[7] When welding fiber-reinforced materials according to conventional
Verfahren wird nur das Matrixmaterial verschweißt und geschmolzen. Die Fasern bleiben fest und ungeschmolzen. Dies führt zu einer Naht, die nur aus dem Schweißgut besteht. Die Naht weist somit keine verstärkenden Fasern und folglich eine geringere Festigkeit als der Grundkörper der verbundenen Teile auf. Folglich können sich bei mechanischer Belastung des Gegenstands Risse in der Naht bilden bzw. ausbreiten, die zum Bruch der Naht und zum Bruch des Gegenstands führen können. Dies wird mit dem erfindungsgemäßen Gegenstand vermieden, da die Naht zumindest eine Faser aufweist, die die Naht selbst verstärkt.Procedure, only the matrix material is welded and melted. The fibers remain firm and unmelted. This leads to a seam, which consists only of the weld metal. The seam thus has no reinforcing fibers and consequently a smaller one Strength as the main body of the connected parts. Thus, under mechanical stress of the article, cracks in the seam may form or spread which may result in breakage of the seam and breakage of the article. This is avoided with the article according to the invention, since the seam has at least one fiber which reinforces the seam itself.
[8] In einem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Faser nahezu über die gesamte[8] In one embodiment, the fiber extends almost the entire length
Länge der Naht. Dies hat den Vorteil, dass die Naht durch die Faser homogen verstärkt wird, so dass die Zuverlässigkeit der Verbindung erhöht wird.Length of the seam. This has the advantage that the seam is homogeneously reinforced by the fiber, so that the reliability of the connection is increased.
[9] In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Faser eine schrauben- bzw. eine spiralförmige Gestalt, insbesondere eine Helixform, auf. Diese Form hat den Vorteil, dass die Breite sowie die Länge der Naht durch die Faser verstärkt werden. Die Steigung sowie der Durchmesser der Helix (d.h. der Schraube bzw. Spirale) können über die gesamte Länge ungefähr gleich sein, oder variieren.[9] In another embodiment, the fiber has a helical or helical shape, in particular a helical shape. This shape has the advantage that the width and the length of the seam are reinforced by the fiber. The pitch and diameter of the helix (i.e., the helix) may be approximately the same over the entire length, or may vary.
[10] In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind mehrere Fasern in der Naht angeordnet.[10] In a further embodiment, a plurality of fibers are arranged in the seam.
Diese Fasern können miteinander verwickelt oder nebeneinander angeordnet sein. Der Anteil an Fasern kann in dieser Weise in der Naht erhöht werden, um die Festigkeit der Naht weiter zu erhöhen. Vorteilhaft ist es, wenn die Festigkeit der Naht ungefähr der Festigkeit der nicht verschweißten Teile entspricht, so dass die Festigkeit des Gegenstands räumlich gleich ist.These fibers may be entangled or juxtaposed. The proportion of fibers in this way in the seam can be increased in order to further increase the strength of the seam. It is advantageous if the strength of the seam approximately corresponds to the strength of the non-welded parts, so that the strength of the object is spatially equal.
[11] Die in die Naht eingebrachten Fasern können Endlosfasern sein, aber auch Kurzoder Langfasern.[11] The fibers introduced into the seam can be continuous fibers, but also short or long fibers.
[12] Der Gegenstand nach einem dieser Ausführungsbeispiele kann eine Komponente eines Luftfahrzeuges oder eines Kraftfahrzeugs sein. Insbesondere bei Flugzeugen sowie Kraftfahrzeugen können Risse durch Dauerbelastung der Komponenten verursacht werden. Dies ist selbstverständlich aus Sicherheitsgründen zu vermeiden.[12] The article according to any one of these embodiments may be a component of an aircraft or a motor vehicle. In particular, in aircraft and motor vehicles cracks can be caused by continuous load of the components. Of course, this is to be avoided for safety reasons.
[13] Die Erfindung gibt auch ein Verfahren zum Reibrühren an, das verwendet werden kann, den Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele herzustellen.[13] The invention also provides a friction stir method which can be used to manufacture the article of any one of the preceding embodiments.
[14] Beim Reibrühren (Friction Stir Processing) sowie beim Reibrührschweißen (Friction[14] Friction stir processing and friction stir welding (Friction
Stir Welding, FSW) werden bekanntlich zwei miteinander zu verschweißende Werkstücke in Kontakt gebracht und in dieser Position gehalten. In den Verbindungsbereich der Werkstücke wird unter drehender Bewegung ein Schweißstift bzw. ein stiftförmiger Vorsprung eines entsprechenden Werkzeuges eingeführt, bis eine oberhalb des Schweißstiftes an dem Werkzeug angeordnete Schulter auf der Oberfläche der Werkstücke aufliegt. Dabei wird durch die Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstücken Reibungswärme generiert, so dass benachbarte Werkstoffbereiche im Verbindungsbereich einen plastifizierten Zustand einnehmen. Das Werkzeug wird, während der rotierende Schweißstift in Kontakt mit dem Verbindungsbereich steht, entlang der Verbindungslinie der Werkstücke vorwärts bewegt, so dass der sich um den Schweißstift befindende Werkstoff plastifiziert und anschließend konsolidiert. Bevor das Material völlig erhärtet, wird der Schweißstift aus dem Verbindungsbereich bzw. den Werkstücken entfernt.Stir Welding, FSW), two workpieces to be welded together are known to be brought into contact and held in this position. In the connecting region of the workpieces, a welding pin or a pin-shaped projection of a corresponding tool is inserted under rotary motion until a shoulder arranged above the welding pin on the tool rests on the surface of the workpieces. In this case, frictional heat is generated by the relative movement between the tool and workpieces, so that adjacent material regions assume a plasticized state in the connection region. The tool becomes in contact with the tool while the rotating welding pin is in contact with the tool Joining area is moved along the line connecting the workpieces forward, so that plasticized around the welding pin material and then consolidated. Before the material hardens completely, the welding pin is removed from the connection area or the workpieces.
[15] Teile aus faserverstärkten Materialien, wie zum Beispiel Metallverbundmaterialien[15] Parts made of fiber-reinforced materials, such as metal composites
(sogenannte MCCs) oder geeignete Kunststoffmaterialien können auf diese Weise als Stumpfstoß-, Überlappstoß- oder T-Stoß- Verbindung miteinander verschweißt werden. Die Technik des Reibrührens findet aber auch beim Reparieren, Bearbeiten und Veredeln von Werkstücken Anwendung. Punktverbindungen können auch erzeugt werden, wobei eine Vorwärtsbewegung des rotierend mit dem Verbindungsbereich in Kontakt stehenden Schweißstiftes bzw. eine translatorische Relativbewegung zwischen rotierendem Schweißstift und Werkstücken nicht erfolgt.(so-called MCCs) or suitable plastic materials can be welded together in this manner as a butt, lap or tee joint. The technique of friction friction is also used in the repair, processing and finishing of workpieces. Point connections can also be generated, whereby forward movement of the welding pin rotatingly in contact with the connection area or a translatory relative movement between the rotating welding pin and workpieces does not take place.
[16] Erfindungsgemäß weist das Verfahren die folgenden Schritte auf. Ein rotierend angetriebener stiftförmiger Vorsprung wird in einen Werkstückbereich oder in einen Verbindungsbereich von zumindest zwei aneinanderliegenden Werkstücken unter rotierender Bewegung eingeführt. Der Werkstückbereich oder der Verbindungsbereich wird in wenigstens einem Kontaktbereich zwischen dem rotierenden Vorsprung und dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich plastifiziert und eine Faser wird in den plastifizierten Bereich eingeführt.[16] According to the invention, the method comprises the following steps. A rotationally driven pin-shaped projection is inserted into a workpiece area or into a connecting area of at least two adjoining workpieces with rotating movement. The workpiece area or joint area is plasticized in at least one contact area between the rotating projection and the workpiece area or bonding area, and a fiber is introduced into the plasticized area.
[17] Die eingeführte Faser kann eine endlose Faser sein, die vorzugsweise kontinuierlich zugeführt wird. Es können aber auch Kurz- oder Langfasern eingeführt werden. Um das Zuführen von Kurz- bzw. Langfasern zu vereinfachen, können diese in einen Zusatzwerkstoff eingebettet sein (faserverstärkter Zusatzwerkstoff), der in den plastifizierten Bereich eingebracht wird.[17] The introduced fiber may be an endless fiber which is preferably fed continuously. But it can also be introduced short or long fibers. In order to simplify the feeding of short fibers or long fibers, they may be embedded in a filler material (fiber-reinforced filler material) which is introduced into the plasticized region.
[18] Der plastifizierte Bereich ist flüssig, so dass eine Faser in diesen flüssigen Bereich eingeführt werden kann. Dieser plastifizierte Bereich weist zirkulierende Ströme auf, die durch die Rotation des Vorsprungs verursacht werden. Eine endlose, feste Faser wird von diesem zirkulierenden Schweißgut erfasst und strömungsbedingt bzw. strömungsabhängig im Schweißgut positioniert. Folglich wird nach der Wiedererstarrung des plastifizierten Bereichs die endlose Faser mit einer strömungsbedingten Form in der Naht zwischen den Werkstücken eingefroren.[18] The plasticized area is liquid so that a fiber can be introduced into this liquid area. This plasticized area has circulating currents caused by the rotation of the protrusion. An endless, solid fiber is captured by this circulating weld metal and positioned in the weld metal due to flow or flow. Consequently, after re-solidification of the plasticized area, the endless fiber having a flow-related shape is frozen in the seam between the workpieces.
[19] Auf Grund dieser zirkulierenden Ströme wird die endlose Faser helixförmig, d.h. spiral- oder schraubenförmig, in der Naht angeordnet, wobei der Vorsprung entlang der Verbindungslinie linear geführt wird. Durch eine Kombination der linear Bewegung sowie der zirkulierenden Ströme im Schweißgut kann die Steigung der Helix eingestellt werden.[19] Due to these circulating currents, the endless fiber becomes helical, i. spiral or helical, arranged in the seam, wherein the projection along the connecting line is guided linearly. By combining the linear motion and the circulating currents in the weld metal, the pitch of the helix can be adjusted.
[20] Der rotierend angetriebene stiftförmige Vorsprung ist typischerweise Teil eines[20] The rotary-driven pin-shaped projection is typically part of a
Reibrührwerkzeugs, das einen rotierend antreibbaren Werkzeugkörper umfasst. An dem antriebsabgewandten Ende des Werkzeugkörpers ist eine Schulter vorgesehen, von der sich in Richtung antriebsabgewandtem Ende des Werkzeugkörpers der rotierbare, stiftförmige Vorsprung erstreckt, der einen kleineren Durchmesser als die Schulter aufweist. Die Schulter und der stiftförmige Vorsprung sind unabhängig voneinander rotierend antreibbar.A friction stir tool comprising a rotatably driven tool body. At the drive-remote end of the tool body is provided a shoulder from which extends in the direction away from the drive end of the tool body, the rotatable, pin-shaped projection having a smaller diameter than the shoulder. The shoulder and the pin-shaped projection are independently driven in rotation.
[21] Die Schulter kann zumindest eine Durchgangsöffnung aufweisen, die sich in[21] The shoulder may have at least one passage opening which extends into
Richtung antriebsabgewandtem Ende des Werkzeugskörpers erstreckt. Eine Faser kann in der Durchgangsöffnung angeordnet und während des Reibrührverfahrens dem plas- tifizierten Bereich des Werkstücks bzw. des Verbindungsbereichs zugeführt werden.Direction drive remote end of the tool body extends. A fiber can be arranged in the passage opening and fed to the plasticized area of the workpiece or the connection area during the friction stir process.
[22] Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schulter auf den Werkstückbereich oder Verbindungsbereich unter zumindest zeitweiser Druckbeaufschlagung aufgebracht, wobei, während der Vorsprung in Kontakt mit dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich steht, die Drehzahl der Schulter n=0 aufweist.[22] According to one embodiment of the method according to the invention, the shoulder is applied to the workpiece area or connecting area under at least temporary pressurization, wherein, while the projection is in contact with the workpiece area or connecting area, the speed of the shoulder has n = 0.
[23] Dieses Verfahren ist von Vorteil beim Schweißen von dicken Werkstücken, insbesondere Platten mit einer Dicke größer als 6 mm. Wesentlich ist wiederum, dass während der rotierend angetriebene stiftförmige Vorsprung in Kontakt mit dem Werkstoff- oder Verbindungsbereich steht, die Schulter keine Drehbewegung ausführt, so dass durch die Schulter keine zusätzliche Reibungswärme an der Werkstückoberfläche generiert wird. Damit wird der Wärmeeintrag durch Reibwärmegenerierung an der Oberfläche der Werkstücke deutlich reduziert, wodurch ein sogenanntes wärmearmes Fügen möglich ist. Die zusätzliche Erwärmung an der Werkstückoberfläche entfällt, so dass hier die Wärmebelastung gering ist und gleichzeitig eine homogene Wärmebelastung über die gesamte Eindringtiefe des Schweißstiftes gewährleistet ist. Gleichzeitig entfestigen die Werkstück-Legierungen weniger, weil sich die Wärmeeinflusszone weniger stark ausbildet. Ein weiterer positiver Effekt ist, dass Eigenspannungen vermindert werden, so dass das Verzugsrisiko geringer und ein auftretender Verzug besser handzuhaben ist.This method is advantageous when welding thick workpieces, especially plates with a thickness greater than 6 mm. It is important, in turn, that while the rotationally driven pin-shaped projection is in contact with the material or connection region, the shoulder does not perform a rotational movement, so that no additional frictional heat is generated at the workpiece surface by the shoulder. Thus, the heat input is significantly reduced by Reibwärmegenerierung on the surface of the workpieces, creating a so-called low-heat joining is possible. The additional heating on the workpiece surface is eliminated, so that here the heat load is low and at the same time a homogeneous heat load over the entire penetration depth of the welding pin is ensured. At the same time, the workpiece alloys soften less because the heat affected zone is less pronounced. Another positive effect is that residual stresses are reduced, so that the risk of delay is lower and an occurring delay is easier to handle.
[24] Die in Richtung stiftförmigem Vorsprung weisende Oberfläche der Werkstücke wird zu gegebenem Zeitpunkt durch Einwirken der Schulter mit dem erforderlichen Druck beaufschlagt, der vorteilhafterweise im Vergleich zu üblichen Reibrührverfahren um einen Faktor 2 bis 3 reduziert ist und typischerweise zwischen 1 und 200 kN liegt. Somit kann mit verminderter Prozesskraft gearbeitet werden, was wiederum eine vereinfachte Anlagentechnik zur Folge hat. Darüber hinaus reduziert sich die prozessbedingte Veränderung der Eigenspannungszustände der geschweißten, reparierten, bearbeiteten bzw. umgewandelten Werkstücke.[24] The surface of the workpieces pointing in the direction of the pin-shaped projection is, at the given moment, subjected to the required pressure by the action of the shoulder, which is advantageously reduced by a factor of 2 to 3 and is typically between 1 and 200 kN compared to conventional friction-stir methods. Thus, you can work with reduced process force, which in turn has a simplified system technology result. In addition, the process-related change in the residual stress states of the welded, repaired, machined or converted workpieces is reduced.
[25] Dass durch die nicht rotierende Schulter keine zusätzliche Reibung hervorgerufen wird, bewirkt zudem, dass der Prozess mit einer höheren Drehzahl bzw. Rotations- geschwindigkeit des Schweißstiftes durchgeführt werden kann. Die Drehzahl kann im Vergleich zu üblichen Reibrührverfahren um einen Faktor 3 bis 4 erhöht werden und liegt typischerweise zwischen 200 und 5000 Umdrehungen pro Minute.[25] The fact that no additional friction is caused by the non-rotating shoulder also causes the process to run at a higher speed or rotational speed. speed of the welding pin can be performed. The speed can be increased by a factor of 3 to 4 compared to conventional friction stir process and is typically between 200 and 5000 revolutions per minute.
[26] In einer weiteren Ausführungsform wird die Schulter auf den Werkstückbereich oder[26] In another embodiment, the shoulder is applied to the workpiece area or
Verbindungsbereich unter zumindest zeitweiser Druckbeaufschlagung aufgebracht, wobei, während der Vorsprung in Kontakt mit dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich steht, die Drehzahl der Schulter kleiner als die Drehzahl des Vorsprungs ist. Diese Ausführungsform ermöglicht die Form einer endlosen Faser in der Naht einzustellen, da die Form nicht nur von der Strömung des plastifizierten Bereichs, sondern auch durch die Drehzahl der Schulter bestimmt wird.Affixed connection area under at least temporary pressurization, wherein, while the projection is in contact with the workpiece area or connection area, the rotational speed of the shoulder is smaller than the rotational speed of the projection. This embodiment makes it possible to set the shape of an endless fiber in the seam, since the shape is determined not only by the flow of the plasticized portion but also by the speed of rotation of the shoulder.
[27] Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Vorsprung in dem[27] According to another embodiment, the projection in the
Werkstückbereich oder Verbindungsbereich linear bewegt, wobei die Faser kontinuierlich in den plastifizierten Bereich eingeführt wird. Diese Ausführungsform wird verwendet, um eine lange oder endlose Faser in eine lange Naht einzuführen.Workpiece area or connecting area moved linearly, wherein the fiber is continuously introduced into the plasticized area. This embodiment is used to introduce a long or continuous fiber into a long seam.
[28] Zum Verbinden von zwei aneinanderliegenden Werkstücken kann der Vorsprung relativ zu den aneinanderliegenden Werkstücken entlang der Verbindungslinie der aneinanderliegenden Werkstücke bewegt werden. Alternativ werden die aneinanderliegenden Werkstücke relativ zu dem Vorsprung entlang der Verbindungslinie der aneinanderliegenden Werkstücke bewegt.[28] For joining two adjacent workpieces, the projection may be moved relative to the abutting workpieces along the joining line of the adjacent workpieces. Alternatively, the abutting workpieces are moved relative to the projection along the joining line of the abutting workpieces.
[29] Die Erfindung gibt auch ein Reibrührwerkzeug an, das einen rotierend antreibbaren[29] The invention also provides a friction stir tool having a rotationally drivable
Werkzeugkörper umfasst, an dessen antriebsabgewandtem Ende eine Schulter vorgesehen ist, von der sich in Richtung antriebsabgewandtem Ende des Werkzeugkörpers ein rotierbarer, stiftförmiger Vorsprung erstreckt, der einen kleineren Durchmesser als die Schulter aufweist, wobei die Schulter und der stiftförmige Vorsprung unabhängig voneinander rotierend antreibbar sind. Erfindungsgemäß weist die Schulter zumindest eine Durchgangsöffnung auf, die sich in Richtung antriebsabgewandtem Ende des Werkzeugskörpers erstreckt.Tool body comprises, at its end remote from the drive, a shoulder is provided, extending from the end facing away from the drive tool body rotatable, pin-shaped projection having a smaller diameter than the shoulder, wherein the shoulder and the pin-shaped projection are independently driven to rotate. According to the invention, the shoulder has at least one passage opening which extends in the direction away from the drive end of the tool body.
[30] Eine Faser kann in der Durchgangsöffnung angeordnet sein und während dem[30] A fiber may be disposed in the through hole and during the
Reibrührverfahren in den plastifizierten Bereich des Werkstücks bzw. den Verbindungsbereich eingeführt werden. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Durchgangsöffnung und die Position des Einführens der Faser so nah wie möglich an dem plastifizierten Bereich liegen. Dies ermöglicht ein zuverlässiges Einführen der Faser in die Naht.Friction stir process in the plasticized region of the workpiece or the connection area are introduced. This arrangement has the advantage that the through-hole and the position of insertion of the fiber are as close as possible to the plasticized region. This allows for reliable insertion of the fiber into the seam.
[31] In einem weiteren Ausführungsbeispiel weitet sich die Durchgangsöffnung in[31] In a further embodiment, the passage opening widens in
Richtung antriebsabgewandter Oberfläche der Schulter auf. Die Faser kann durch diese Durchgangsöffnung direkt oberhalb des Werkstücks in den plastifizierten Bereich eingeführt werden.Direction drive away surface of the shoulder. The fiber can be introduced through this passage opening directly above the workpiece in the plasticized area.
[32] Die Durchgangsöffnung kann sich im Wesentlichen senkrecht zu einer in Richtung antriebsabgewandten Oberfläche der Schulter erstrecken. Dies hat den Vorteil, dass die Führungslänge der Faser, die in der Schulter angeordnet ist, klein ist.[32] The passage opening may be substantially perpendicular to one in the direction extend away from the drive surface of the shoulder. This has the advantage that the guide length of the fiber arranged in the shoulder is small.
[33] In einem weiteren Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Durchgangsöffnung von einer in Richtung antriebsabgewandten Oberfläche der Schulter bis zu einer in Richtung Vorsprung abgewandten Oberfläche der Schulter. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Faserquelle neben dem Werkzeugkörper angeordnet ist. Dies kann den Aufbau der Anordnung vereinfachen.[33] In another embodiment, the passage opening extends from a surface of the shoulder facing away from the drive to a surface of the shoulder which is remote from the projection. This arrangement has the advantage that the fiber source is arranged next to the tool body. This can simplify the structure of the arrangement.
[34] In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Schulter derart ausgebildet, dass sie bei Rotation des stiftförmigen Vorsprungs eine Drehzahl n=0 aufweist. Der zentrale Gedanke dabei besteht darin, ein Reibrühr- Werkzeug derart auszubilden, dass Schweißstift und Schulter voneinander entkoppelt sind, so dass bei Rotation des Schweißstiftes die Schulter eben gerade keine Drehbewegung ausführt, sondern bezüglich der zu verbindenden oder zu bearbeitenden Werkstücke im Sinne einer Rotation still bzw. fest steht. Dies schließt jedoch eine Verschiebbarkeit der Schulter in axialer Richtung des Werkzeuges nicht aus. Die Schulter definiert dabei einen Bereich des Reibrührwerkzeuges mit größerem Durchmesser als der Schweißstift und gewährleistet, dass ab einer gewissen Eindringtiefe des Schweißstiftes die Schulter auf der Werkstückoberfläche kraft- und formschlüssig aufliegt, um die erforderliche Druckkraft auf die Werkstückoberfläche aufzubringen und ein Entweichen plasti- fizierten Materials zu verhindern.[34] In a further embodiment, the shoulder is designed such that it has a rotational speed n = 0 during rotation of the pin-shaped projection. The central idea here is to design a friction stir tool in such a way that the welding pin and shoulder are decoupled from each other, so that upon rotation of the welding pin the shoulder just does not perform any rotational movement, but with respect to the workpieces to be joined or machined in the sense of rotation or is fixed. However, this does not exclude a displacement of the shoulder in the axial direction of the tool. In this case, the shoulder defines a region of the friction stir tool having a larger diameter than the welding pin and ensures that, starting from a certain penetration depth of the welding pin, the shoulder rests positively and positively on the workpiece surface in order to apply the required compressive force to the workpiece surface and escape of plasticized material to prevent.
[35] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schulter mittels einer geeigneten[35] According to a preferred embodiment, the shoulder is by means of a suitable
Lagerung von dem Werkzeugkörper bzw. von einer den stiftförmigen Vorsprung antreibenden Spindelrotation befreit und trägt so bewusst keine zusätzliche Reibungswärme zum Schweißprozess bei, ist jedoch in der Lage, die notwendige Vertikalkraft auf die zu verbindenden Werkstücke zu übertragen. Die Schulter ist bevorzugt mittels Wälzlager an dem Werkzeugkörper gelagert. Derartige Wälzlager sind beispielsweise Kugel-, Tonnen-, Nadellager oder dergleichen. Alternativ können auch hydrostatische oder hydrodynamische Gleitlager zur Lagerung der Schulter verwendet werden, um nur einige weitere Beispiele zu nennen.Storage of the tool body or of the pin-shaped projection driving spindle rotation freed and thus contributes deliberately no additional frictional heat to the welding process, but is able to transmit the necessary vertical force on the workpieces to be joined. The shoulder is preferably mounted on the tool body by means of rolling bearings. Such bearings are for example ball, barrel, needle roller bearings or the like. Alternatively, hydrostatic or hydrodynamic plain bearings can be used to support the shoulder, to name but a few more examples.
[36] Vorteilhafterweise ist die Schulter als Formteil ausgebildet, welches auf der in[36] Advantageously, the shoulder is formed as a molded part, which on the in
Richtung stiftförmigen Vorsprung weisenden Seite des Lagers angeordnet ist. Das Formteil, das zum Beispiel ein blechförmiges Element (z.B. ein Stahlblech mit einer Dicke von typischerweise 2 bis 5 mm) oder ein Gussbauteile ist, kann hierzu mit einer Bohrung zum Durchführen des stiftförmigen Vorsprungs versehen sein, und von unten (d.h. aus Richtung des stiftförmigen Vorsprungs) auf das Lager aufgeschoben werden. Dabei ist darauf zu achten, dass der Bereich zwischen Formteil und stiftförmigem Vorsprung möglichst dicht ausgebildet ist, um ein Entweichen plastifizierten Materials in axialer Richtung des Reibrühr- Werkzeuges zu verhindern. [37] Alternativ kann eine Anordnung mit Formteil ohne Lagerung verwendet werden.Direction pin-shaped projection facing side of the bearing is arranged. The molded part, which is for example a sheet-metal element (eg a steel sheet with a thickness of typically 2 to 5 mm) or a cast components, can for this purpose be provided with a bore for passing the pin-shaped projection, and from below (ie from the direction of the pin-shaped Projection) are pushed onto the bearing. It is important to ensure that the area between the molded part and the pin-shaped projection is formed as tight as possible in order to prevent escape of plasticized material in the axial direction of the friction stir tool. [37] Alternatively, an arrangement with a molded part without storage can be used.
[38] Ferner ist es von Vorteil, dass der Randbereich des Formteils derart abgewinkelt ist, dass es das Lager zumindest teilweise umgibt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Formteil sowohl die Seitenbereiche des Lagers als auch die in Richtung Werkzeugantrieb weisende Oberfläche des Lagers zumindest teilweise umschließt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass beim Entfernen des Werkzeuges bzw. des stiftförmigen Vorsprungs aus dem Werkstück- bzw. Verbindungsbereich die Schulter nicht in axialer Richtung des Werkzeuges verrutscht bzw. verschoben wird. Gleichzeitig wird dadurch einem Anhaften der Schulter an der Oberfläche der verschweißten oder bearbeiteten Werkstücke entgegengewirkt.[38] Furthermore, it is advantageous that the edge region of the molded part is angled in such a way that it at least partially surrounds the bearing. It is particularly advantageous if the molded part at least partially surrounds both the side regions of the bearing and the surface of the bearing pointing in the direction of the tool drive. In this way, it is ensured that when removing the tool or the pin-shaped projection from the workpiece or connecting region, the shoulder does not slip or move in the axial direction of the tool. At the same time it is counteracted by adhesion of the shoulder to the surface of the welded or machined workpieces.
[39] Zweckmäßigerweise ist das Formteil zumindest auf seiner in Richtung Vorsprung weisenden Seite mit einem reibungsmindernden Material versehen. Hierzu kann beispielsweise das Material "CC Aluspeed<(RTM)>" der Firma Cemecon als Beschichtung aufgebracht werden. Dadurch wird die Reibung zwischen Formteil und Werkstückoberfläche zusätzlich vermindert, was der Funktion eines Gleitschuhs entspricht.[39] The molding is expediently provided with a friction-reducing material, at least on its side pointing in the direction of the projection. For this purpose, for example, the material "CC Aluspeed <(RTM)>" from Cemecon can be applied as a coating. As a result, the friction between the molded part and the workpiece surface is additionally reduced, which corresponds to the function of a sliding shoe.
[40] Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird die Schulter durch die in Richtung[40] According to an alternative embodiment, the shoulder is moved through in the direction
Vorsprung weisende Seite eines entsprechenden am Werkzeugkörper angeordneten Lagers (z.B. Gleit- oder Wälzlager) gebildet. Dies stellt eine besonders einfache Ausgestaltung dar, da auf ein zusätzliches Element (z.B. auf das Formteil) verzichtet werden kann.Projecting side of a corresponding arranged on the tool body bearing (such as sliding or rolling) formed. This represents a particularly simple embodiment, since an additional element (for example, the molded part) can be dispensed with.
[41] Auch bei dieser alternativen Ausführungsform ist es zweckmäßig, die in Richtung[41] Also in this alternative embodiment, it is expedient in the direction
Vorsprung weisende Seite des Lagers mit einem reibungsmindernden Material der zuvor genannten Art zu beschichten, um wiederum die Reibung zwischen Schulter und Werkstückoberfläche zu reduzieren.To coat protruding side of the bearing with a friction-reducing material of the aforementioned type, in turn, to reduce the friction between the shoulder and the workpiece surface.
[42] Zweckmäßigerweise ist der stiftförmige Vorsprung einstückig mit dem[42] Conveniently, the pin-shaped projection is integral with the
Werkzeugkörper ausgebildet, wodurch sich ein sehr einfacher Aufbau ergibt und die Anlagentechnik zum Antreiben des Werkzeuges bzw. des stiftförmigen Vorsprungs extrem einfach ist, da im Wesentlichen lediglich eine anzutreibende Spindel erforderlich ist. Dabei ist das Reibrühr- Werkzeug üblicherweise rotationssymmetrisch ausgebildet.Tool body formed, resulting in a very simple structure and the system technology for driving the tool or the pin-shaped projection is extremely simple, since essentially only one spindle to be driven is required. The friction stir tool is usually rotationally symmetrical.
[43] Durch das erfindungsgemäße Reibrühr- Werkzeug wird sichergestellt, dass das schulternahe Werkstück-Material nicht überhitzt wird. So wird beim Verschweißen von Werkstücken sichergestellt, dass der sonst zur Kaltverschweißung neigende Wurzelbereich der Schweißverbindung dank der im Vergleich zu bekannten Reibrührschweiß-Werkzeugen höher wählbaren Schweißstift- Drehzahl sicher und mit hoher Qualität verschweißt wird. Es wird eine gleichmäßige Temperaturverteilung über den gesamten Querschnitt der Werkstücke erzielt, was Vorraussetzung für eine hochqualitative Schweißverbindung ist.[43] The friction stir tool according to the invention ensures that the work piece material close to the shoulder is not overheated. Thus, when welding workpieces, it is ensured that the root area of the welded joint, which otherwise tends to be cold-welded, is welded securely and with high quality, thanks to the higher selectable welding pin speed compared to known friction stir welding tools. It is achieved a uniform temperature distribution over the entire cross section of the workpieces, which is a prerequisite for a high quality welded joint is.
[44] Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Werkzeug in analoger Weise auch zurIn addition, the tool according to the invention in an analogous manner to the
Reparatur, Bearbeitung und Veredelungen von Werkstücken eingesetzt werden.Repair, machining and finishing of workpieces are used.
[45] Die Erfindung gibt auch eine Vorrichtung zum Reibrühren an, umfassend ein[45] The invention also provides a device for friction stir comprising
Reibrührwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele. Der Vorsprung ist in einen Werkstückbereich oder einen Verbindungsbereich von zumindest zwei zu verbindenden Werkstücken unter rotierender Bewegung einführbar, so dass bei seiner Rotation in Kontakt mit dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich der Vorsprung diesen wenigstens im Kontaktbereich plastifiziert und plastifzierter Stoff erzeugt wird. Die Vorrichtung weist ferner eine Faserquelle auf, wobei Fasern über die Durchgangsöffnung in den plastifizierten Stoff eingeführt werden können. Die Fasern können beispielsweise in Form von Endlos-, Kurz, oder Langfasern zugeführt werden.Friction stir tool according to one of the preceding embodiments. The protrusion is insertable into a workpiece area or a connecting area of at least two workpieces to be connected with rotating movement, so that when it is rotated in contact with the workpiece area or connecting area, the protrusion plasticizes and plastifies this material at least in the contact area. The apparatus further comprises a fiber source, wherein fibers may be introduced into the plasticized material via the passage opening. The fibers can be supplied for example in the form of continuous, short or long fibers.
[46] Die Vorrichtung kann ferner Antriebsmittel aufweisen, mit denen die Vorrichtung unter rotierendem Antrieb des Vorsprungs linear geführt werden kann. Alternativ werden die Werkstücke relativ zu der Vorrichtung, insbesondere dem Vorsprung, linear bewegt.[46] The device may further comprise drive means with which the device can be guided linearly while the drive of the projection is rotating. Alternatively, the workpieces are moved linearly relative to the device, in particular the projection.
[47] In einem Ausführungsbeispiel kann die Schulter auf den Werkstücken außerhalb des[47] In one embodiment, the shoulder on the workpieces outside the
Kontaktbereichs zwischen dem Vorsprung und dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich aufgebracht werden. Die Schulter kann somit senkrecht zu den Werkstücken angetrieben werden, und so eine Druckbeaufschlagung auf das Werkstück bewirken.Contact area between the projection and the workpiece area or connection area can be applied. The shoulder can thus be driven perpendicular to the workpieces, thus causing a pressurization of the workpiece.
[48] Das Reibrührwerkzeug sowie die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden[48] The friction stir tool and the apparatus of any one of the preceding
Ausführungsbeispiele kann zum Verschweißen faserverstärkter Kunststoffe, faserverstärkter Metalle oder faserverstärkter Legierungen, bzw. zum Verschweißen von zwei aneinanderliegenden Werkstücken aus faserverstärktem Kunststoff, faserverstärktem Metall oder einer faserverstärkten Legierung verwendet werden.Embodiments can be used for welding fiber-reinforced plastics, fiber-reinforced metals or fiber-reinforced alloys, or for welding two adjoining workpieces made of fiber-reinforced plastic, fiber-reinforced metal or a fiber-reinforced alloy.
[49] Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.[49] The invention will now be explained in more detail with reference to the drawings.
[50] Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer Vorrichtung zum Reibrühren eines faserverstärkten Materials mit einem Reibrührwerkzeug und einer Faserquelle,[50] FIG. 1 shows a cross section of a device for friction stir of a fiber reinforced material with a friction stir tool and a fiber source, FIG.
[51] Fig. 2 eine Draufsicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1, und[51] Fig. 2 is a plan view of the device according to Fig. 1, and
[52] Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Komponente aus zwei Werkstücken, die mit der Vorrichtung gemäß Fig. 1 miteinander verschweißt werden.[52] Fig. 3 shows a perspective view of a component of two workpieces, which are welded together with the apparatus of FIG. 1.
[53] Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer Vorrichtung 1 zum Reibrühren. Die Vorrichtung[53] Fig. 1 shows a cross section of a device 1 for friction stir. The device
1 weist ein Reibrührwerkzeug 2, eine Faserquelle 3, beispielsweise eine Spule mit einer endlosen Faser 4, sowie einen nicht gezeigten Antrieb auf. Fig.1 zeigt auch die Verwendung der Vorrichtung 1 zum Verbinden von Werkstücken, die in diesem Ausführungsbeispiel zwei faserverstärkte Fügeteile 5, 6, sind. [54] Die faserverstärkten Fügeteile 5, 6 weisen einen Matrixwerkstoff aus Thermoplast, beispielsweise Polypropylen, in dem endlose Fasern, beispielsweise Kohlenstofffasern, angeordnet sind. Die Fügeteile 5, 6, sind in Fig. 1 in Stumpfstoßverbindung aneinanderliegend angeordnet. Selbstverständlich können die Fügeteile 5, 6, auch überlappend oder in T-Stoß- Verbindung miteinander verschweißt werden, was nachfolgend zwar nicht in Einzelheiten beschrieben wird, sich aber sinngemäß aus der nachfolgenden Beschreibung erschließt, so dass die Erfindung nicht auf die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist.1 has a friction stir tool 2, a fiber source 3, for example a coil with an endless fiber 4, and a drive, not shown. 1 also shows the use of the device 1 for joining workpieces, which in this exemplary embodiment are two fiber-reinforced joining parts 5, 6. [54] The fiber-reinforced joining parts 5, 6 have a matrix material made of thermoplastic, for example polypropylene, in which endless fibers, for example carbon fibers, are arranged. The joining parts 5, 6 are arranged adjacent to one another in FIG. 1 in butt joint connection. Of course, the joining parts 5, 6, even overlapping or in T-joint connection are welded together, which is not described in detail below, but mutatis mutandis from the following description, so that the invention is not limited to the embodiments described below is.
[55] Das Reibrühr- Werkzeug 2 ist drehsymmetrisch ausgebildet und umfasst einen[55] The friction stir tool 2 is rotationally symmetrical and comprises a
Werkzeugkörper 7, der am oberen, d.h. am antriebszugewandten Ende, typischerweise in Form eines Lagerschaftes ausgebildet ist, um in einer Werkzeugaufnahme einer in Fig. 1 nicht dargestellten Antriebseinrichtung (z.B. Drehmotor) aufgenommen zu werden. Am antriebsabgewandten Ende des Werkzeugkörpers 7 ist eine Schulter 8 vorgesehen, von der sich in Richtung antriebsabgewandtem Ende des Werkzeugkörpers 7 ein rotierbarer, stiftförmiger Vorsprung 9 bzw. Schweißstift 9 erstreckt. Der stiftförmige Vorsprung 9 weist einen kleineren Durchmesser als die Schulter 8 auf.Tool body 7, which at the top, i. is formed at the drive-facing end, typically in the form of a bearing shaft, to be received in a tool holder of a drive device (e.g., rotary motor) not shown in FIG. At the end of the tool body 7 facing away from the drive, a shoulder 8 is provided, from which a rotatable, pin-shaped projection 9 or welding pin 9 extends in the direction of the end of the tool body 7 facing away from the drive. The pin-shaped projection 9 has a smaller diameter than the shoulder 8.
[56] Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist der stiftförmige Vorsprung 9 einstückig mit dem Werkzeugkörper 7 ausgebildet, was eine besonders einfache Anordnung darstellt, da lediglich ein Antriebsmechanismus zur Rotation des Werkzeugkörpers 7 und damit des stiftförmigen Vorsprungs 9 erforderlich ist. Die Drehachse des Reibrührschweiß-Werkzeuges 1 ist in Fig. 1 durch die strichpunktierte Linie dargestellt.In the embodiment shown in Fig. 1, the pin-shaped projection 9 is formed integrally with the tool body 7, which is a particularly simple arrangement, since only a drive mechanism for rotating the tool body 7 and thus the pin-shaped projection 9 is required. The axis of rotation of the friction stir welding tool 1 is shown in FIG. 1 by the dot-dash line.
[57] Alternativ kann der Werkzeugkörper 7 einen Mechanismus (nicht dargestellt) zur[57] Alternatively, the tool body 7 may be a mechanism (not shown) for
Aufnahme des Schweißstiftes 9 aufweisen, so dass ein Auswechseln oder Verschieben des Schweißstiftes 9 entlang der Drehachse (d.h. in axialer Richtung) leicht möglich ist.Receiving the welding pin 9, so that a replacement or displacement of the welding pin 9 along the axis of rotation (i.e., in the axial direction) is easily possible.
[58] Unabhängig davon, ob der stiftförmige Vorsprung 9 einstückig mit demRegardless of whether the pin-shaped projection 9 integral with the
Werkzeugkörper 7 oder austauschbar ausgebildet ist, ist die Schulter 8 vorzugsweise mittels Wälzlager 10 an dem Werkzeugkörper 7 angeordnet. Derartige Wälzlager 10 können beispielsweise Kugel-, Tonnen- oder Nadellager sein. Durch die Lagerung der Schulter 8 mit den Wälzlagern wird gewährleistet, dass die Schulter 8 und der Schweißstift 9 bzw. der Werkzeugkörper 7 unabhängig voneinander antreibbar sind. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel führt bei Rotation des Schweißstiftes 9 bzw. des Werkzeugkörpers 7 die Schulter 8 keine Rotationsbewegung aus und weist damit eine Drehzahl n = 0 auf. Auf diese Weise wird die Schulter 8 von der des Schweißstifts 9 antreibenden Rotation befreit bzw. entkoppelt.Tool body 7 or interchangeable, the shoulder 8 is preferably arranged by means of roller bearings 10 on the tool body 7. Such bearings 10 may be, for example, ball, barrel or needle roller bearings. By the bearing of the shoulder 8 with the rolling bearings ensures that the shoulder 8 and the welding pin 9 and the tool body 7 are independently driven. In a preferred embodiment, upon rotation of the welding pin 9 or of the tool body 7, the shoulder 8 does not rotate and thus has a rotational speed n = 0. In this way, the shoulder 8 is freed or decoupled from the rotation of the welding pin 9 driving.
[59] Anstelle der Lagerung mittels Wälzlager können auch hydrostatische oder hydrody- namische Gleitlager verwendet werden. Die Funktion der Lagerung ist jedoch dieselbe. Alternative kann auch auf eine Lagerung verzichtet werden.[59] Instead of rolling bearing bearings, hydrostatic or hydrodynamic Namische plain bearings are used. However, the function of storage is the same. Alternative can be dispensed with a storage.
[60] In Fig. 1 ist die Schulter 8 als Formteil ausgebildet. Derartige Formteile können blechförmige Elemente (z.B. Stahlbleche), Gussteile oder dergleichen sein, die vorteilhafterweise auf ihrer in Richtung Schweißstift 9 weisenden Seite mit einer reibungs- mindernden Beschichtung versehen sind, um die Reibung zwischen der Schulter 8 und der Oberfläche der Werkstücke 5, 6 zusätzlich zu vermindern. Hierzu kann beispielsweise das Material CC Aluspeed<(RTM)> der Firma Cemecon verwendet werden. Der Randbereich des Formteils kann in axialer Richtung des Reibrühr- Werkzeuges 2 weisend abgewinkelt sein und an den Seitenbereichen der unteren Lagerschale anliegen. Um ein Anhaften der Schulter 8 an den verschweißten faserverstärkten Fügeteilen 5, 6 bzw. ein Verschieben der Schulter 8 in axialer Richtung zu vermeiden, kann das Formteil das Wälzlager 10 auch bis zu dessen in Richtung antriebszugewandtem Ende weisenden Seite umgeben.[60] In Fig. 1, the shoulder 8 is formed as a molded part. Such moldings may be sheet-like elements (eg steel sheets), castings or the like, which are advantageously provided with a friction-reducing coating on their side facing the welding pin 9 in order to further increase the friction between the shoulder 8 and the surface of the workpieces 5, 6 to diminish. For this purpose, for example, the material CC Aluspeed <(RTM)> Cemecon can be used. The edge region of the molded part can be angled pointing in the axial direction of the friction stir tool 2 and bear against the side regions of the lower bearing shell. In order to prevent the shoulder 8 from sticking to the welded fiber-reinforced joining parts 5, 6 or displacing the shoulder 8 in the axial direction, the shaped part can also surround the rolling bearing 10 up to its side facing the drive-facing end.
[61] Bei der Ausgestaltung des Formteils ist darauf zu achten, dass eine gute Abdichtung zwischen Schulter 8 und Schweißstift 9 gewährleistet ist, so dass plastifizierter Werkstoff nicht in axialer Richtung, d.h. in Richtung antriebszugewandtem Ende des Werkzeugkörpers 7, entweichen kann. Dies kann beispielweise durch eine im Formteil angeordnete Bohrung erzielt werden, die an den Durchmesser des Schweißstiftes 9 angepasst ist. Das Formteil kann zum Beispiel von unten über den Schweißstift 9 auf das Lager 10 aufgeschoben werden.In the design of the molded part, care must be taken to ensure a good seal between the shoulder 8 and the welding pin 9, so that the plasticized material does not act in the axial direction, i.e. in the axial direction. in the direction of the drive-facing end of the tool body 7, can escape. This can be achieved for example by a bore arranged in the molding, which is adapted to the diameter of the welding pin 9. The molded part can be pushed onto the bearing 10, for example, from below via the welding pin 9.
[62] Die Schulter 8 weist ferner eine Durchgangsöffnung 11 auf, die sich in Richtung antriebsabgewandtem Ende des Werkzeugkörpers 7 erstreckt, und die in diesem Ausführungsbeispiel ungefähr senkrecht zu der antriebsabgewandten Oberfläche der Schulter 8 angeordnet ist. Die Durchgangsöffnung 11 ist in der Schulter 8 neben dem Schweißstift 9 angeordnet (siehe auch Figur 2). Die Endlosfaser 4 wird von der Faserquelle 3 durch die Durchgangsöffnung 11 zugeführt, so dass das Ende der Faser 4 unterhalb dem antriebsabgewandten Ende des Werkzeugkörpers 7 angeordnet ist.[62] The shoulder 8 further has a passage opening 11 which extends in the direction away from the drive end of the tool body 7, and which is arranged in this embodiment approximately perpendicular to the drive-facing surface of the shoulder 8. The passage opening 11 is arranged in the shoulder 8 next to the welding pin 9 (see also FIG. 2). The endless fiber 4 is supplied from the fiber source 3 through the through-hole 11, so that the end of the fiber 4 is disposed below the end of the tool body 7 remote from the drive.
[63] Zum Verschweißen der aneinanderliegenden faserverstärkten Fügeteile 5, 6 wird der stiftförmige Vorsprung 9 bekanntlich unter drehender Bewegung in den Verbindungsbereich 12 der Füge teile 5, 6 eingeführt und entlang der Verbindungslinie 13 der Fügeteile 5, 6 vorwärts bewegt. Diese Vorwärtsbewegung ist mit dem Pfeil 14 in der Figur 2 dargestellt. Die Rotation des Vorsprungs 9 ist mit dem Pfeil 15 in den Figuren 1 und 2 gezeigt.For welding the adjoining fiber-reinforced joining parts 5, 6, the pin-shaped projection 9 is known under rotating movement in the connecting portion 12 of the joint parts 5, 6 introduced and moved along the connecting line 13 of the joining parts 5, 6 forward. This forward movement is shown by the arrow 14 in FIG. The rotation of the projection 9 is shown by the arrow 15 in Figures 1 and 2.
[64] Die drehende Bewegung des Schweißstifts 9 auf der Oberfläche der faserverstärkten[64] The rotating movement of the welding pin 9 on the surface of the fiber reinforced
Fügeteile 5, 6 generiert Reibungswärme auf Grund der Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstücken. Diese Reibungswärme führt zu einer Plastifizierung der benachbarten Platten im Kontaktbereich, so dass der rotierende Schweißstift 9 in den Verbindungsbereich eingeführt werden kann. Der plastifizierte Stoff 17 entsteht an der Verbindungslinie und strömt zirkulierend um den Schweißstift 9 herum. Dies ist mit den Pfeilen 16 in der Figur 1 dargestellt. Die Ströme fließen in horizontalen Kreisen sowie in vertikalen Kreisen. Die Faser 4 ist in diesen plastifizierten Stoff 17 eingeführt, wobei die Faser 4 mittels der durch den Schweißstift 9 angeregte Materialströmung des Matrixwerkstoffs der Füge teile 5, 6 von dem zirkulierenden Schweißgut erfasst und strömungsbedingt bzw. strömungsabhängig im Schweißgut positioniert wird.Joining parts 5, 6 generates frictional heat due to the relative movement between tool and workpieces. This frictional heat leads to a plasticization of the adjacent plates in the contact area, so that the rotating welding pin 9 in the Connection area can be introduced. The plasticized material 17 is formed on the connecting line and flows circulating around the welding pin 9 around. This is shown by the arrows 16 in FIG. The currents flow in horizontal circles as well as in vertical circles. The fiber 4 is introduced into this plasticized material 17, wherein the fiber 4 by means of the excited by the welding pin 9 material flow of the matrix material of the joining parts 5, 6 detected by the circulating weld metal and flow-dependent or flow-dependent positioned in the weld metal.
[65] Der Schweißstift 9 wird, während der rotierende Schweißstift 9 in Kontakt mit demThe welding pin 9, while the rotating welding pin 9 in contact with the
Verbindungsbereich 12 steht, linear entlang der Verbindungslinie 13 zwischen den zwei Platten 5, 6 bewegt. Der Verbindungsbereich 12 wird in Vorwärtsrichtung plas- tifiziert und die endlose Faser 4 kontinuierlich dem plastifizierten Bereich 17 zugeführt. In Rückwärtsrichtung erstarrt der Verbindungsbereich 12 wieder, so dass die Faser 4 in der verschweißten Naht 18 eingefroren wird. Folglich wird eine Komponente 19 aus faserverstärkten Werkstoff bereitgestellt, in der die Naht 18 sowie die Werkstücke 5, 6 faserverstärkt sind. Auf Grund der strömungsbedingten bzw. strömungsabhängigen Positionierung der Faser 4 im Schweißgut kann eine Naht 18 bereitgestellt werden, in der die Faser 4 in der Naht 18 eine Helixform aufweist. Dies ist in der Figur 3 dargestellt.Connecting portion 12 is linearly along the connecting line 13 between the two plates 5, 6 moves. The connecting region 12 is plastified in the forward direction and the endless fiber 4 is fed continuously to the plasticized region 17. In the reverse direction, the connecting region 12 solidifies again, so that the fiber 4 is frozen in the welded seam 18. Thus, a fiber reinforced material component 19 is provided in which the seam 18 and the workpieces 5, 6 are fiber reinforced. Due to the flow-dependent or flow-dependent positioning of the fiber 4 in the weld metal, a seam 18 can be provided, in which the fiber 4 in the seam 18 has a helical shape. This is shown in FIG.
[66] Der Gegenstand 19 weist somit zwei faserverstärkte Fügeteile 5, 6 auf, die über eine verschweißte Naht 18 miteinander verbunden sind. Eine endlose Faser 4 mit einer Helixform ist in der Naht 18 angeordnet und erstreckt sich entlang der Längsrichtung der Naht 18. Der Gegenstand 19 weist eine faserverstärkte Naht 18 sowie faserverstärkte Fügeteile 5, 6 auf und kann als Komponente für ein Luftfahrzeug oder ein Kraftfahrzeugs verwendet werden.The object 19 thus has two fiber-reinforced joining parts 5, 6, which are connected to one another via a welded seam 18. An endless fiber 4 having a helical shape is disposed in the seam 18 and extends along the longitudinal direction of the seam 18. The article 19 comprises a fiber reinforced seam 18 and fiber reinforced adherends 5, 6 and may be used as a component for an aircraft or a motor vehicle ,
[67] Das erfindungsgemäße Verfahren sieht ein Festkörperverschweißen von endlosfaserverstärkten Metallen sowie Kunststoffen vor, bei dem gleichzeitig eine gezielte Faserpositionierung im Schweißgut erreicht wird. Dies hat den Vorteil, dass nicht nur die Matrixwerkstoffe miteinander verschweißt werden. Beim herkömmlichen Reibrührschweißen endlosfaserverstärkter Materialien können die Fasern im Kontaktbereich zwischen dem Schweißstift 9 und den Fügeteilen 5, 6 durchtrennt werden, so dass die Festigkeit der Verbindung nur aus dem organischen oder metallischen Matrixwerkstoff stammt. Diese Festigkeit ist deutlich geringer als diejenige des faserverstärkten Materials. Dies wird durch die erfindungsgemäße gezielte Positionierung einer zusätzlichen Faser in der verschweißten Naht vermieden, so dass die Festigkeit der Naht erhöht wird und die verschweißte Komponente zuverlässiger und belastbarer ist.[67] The method according to the invention provides for solid-state welding of endless-fiber-reinforced metals and plastics, in which at the same time targeted fiber positioning in the weld metal is achieved. This has the advantage that not only the matrix materials are welded together. In conventional friction stir welding continuous fiber reinforced materials, the fibers in the contact area between the welding pin 9 and the joining parts 5, 6 are severed, so that the strength of the compound comes only from the organic or metallic matrix material. This strength is significantly lower than that of the fiber-reinforced material. This is avoided by the inventive targeted positioning of an additional fiber in the welded seam, so that the strength of the seam is increased and the welded component is more reliable and resilient.
[68] Vorzugsweise dreht sich die Schulter 8 nicht, während sich der Schweißstift 9 dreht.[68] Preferably, the shoulder 8 does not rotate while the welding pin 9 rotates.
Folglich wird durch die Schulter 8 keine zusätzliche Reibungswärme generiert, sondern es wird lediglich gewährleistet, dass durch die Schulter 8 zu gegebenem Zeitpunkt der erforderliche Druck auf das im Verbindungsbereich zu plastifizierende Material ausgeübt wird. Dadurch, dass die Schulter 8 während des Reibrührschweißprozesses in rotierendem Sinn "fest steht", ist sowohl eine höhere Drehzahl des Schweißstiftes 9 als auch eine Verminderung der durch die Schulter 8 vermittelte Prozesskraft möglich, wobei letztere insbesondere zu einer Vereinfachung der Anlagentechnik führt. Ersteres hat wiederum zur Folge, dass während des Reibrührschweißprozesses eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte Dicke bzw. den gesamten Querschnitt der Fügeteile 5, 6 gewährleistet ist, so dass diese prozesssicher und mit hoher Qualität verschweißt werden können. Die durch die Schulter 8 ansonsten hervorgerufene Reibwärmegenerierung an der Oberfläche der Fügeteile 5, 6 ist deutlich reduziert, wodurch eine Überhitzung an der Oberfläche wirksam verhindert wird.Consequently, no additional frictional heat is generated by the shoulder 8, but it is only ensured that the required pressure is exerted on the material to be plasticized in the connection area by the shoulder 8 at a given time. Due to the fact that the shoulder 8 is "fixed" in a rotational sense during the friction stir welding process, both a higher rotational speed of the welding pin 9 and a reduction in the process force imparted by the shoulder 8 are possible, the latter leading in particular to a simplification of the system technology. The former in turn has the consequence that a uniform temperature distribution over the entire thickness or the entire cross section of the joining parts 5, 6 is ensured during the friction stir welding process, so that they can be welded reliably and with high quality. The friction heat generation otherwise caused by the shoulder 8 on the surface of the joining parts 5, 6 is significantly reduced, whereby overheating on the surface is effectively prevented.
[69] Gemäß einer alternativen Ausbildung des erfindungsgemäßen Reibrühr- Werkzeuges[69] According to an alternative embodiment of the friction stir tool according to the invention
2 kann auf das Formteil verzichtet werden. Dann dient die in Richtung Schweißstift 9 weisende Seite des Lagers 10 als Schulter. Dies stellt auf Grund der reduzierten Komponenten eine besonders einfache Ausgestaltung dar. Die Funktion und Wirkungsweise dieser alternativen Schulter ist dieselbe, wie bei der voranstehend beschriebenen, als Formteil ausgebildeten Schulter 8.2 can be dispensed with the molding. Then the side of the bearing 10 pointing in the direction of the welding pin 9 serves as a shoulder. This is due to the reduced components a particularly simple embodiment. The function and operation of this alternative shoulder is the same as in the above-described, formed as a molded part shoulder. 8
[70] Eine weitere Alternative Ausbildung des Formteils erlaubt es, auf das Lager zu verzichten.[70] Another alternative design of the molding allows to dispense with the bearing.
[71 ] Bezugszeichenliste[71] list of reference numerals
[72] 1 Vorrichtung[72] 1 device
[73] 2 Reibrührwerkzeug[73] 2 friction stir tool
[74] 3 Faserquelle[74] 3 fiber source
[75] 4 Faser[75] 4 fiber
[76] 5 erstes Werkstück[76] 5 first workpiece
[77] 6 zweites Werkstück[77] 6 second workpiece
[78] 7 Werkzeugkörper[78] 7 tool body
[79] 8 Schulter[79] 8 shoulder
[80] 9 Schweißstift[80] 9 welding pin
[81] 10 Lagerung[81] 10 Storage
[82] 11 Durchgangsöffnung[82] 11 passage opening
[83] 12 Verbindungsbereich[83] 12 connection area
[84] 13 Verbindungslinie[84] 13 connecting line
[85] 14 Vorwärtsbewegung[85] 14 forward movement
[86] 15 Rotation des Schweißstifts[86] 15 Rotation of the welding pin
[87] 16 Strömung des Schweißguts [88] 17 plastifizierter Stoff[87] 16 flow of the weld metal [88] 17 plasticized substance
[89] 18 verschweißte Naht[89] 18 welded seam
[90] 19 Gegenstand mit verschweißter Naht [90] 19 Item with welded seam

Claims

Claims Claims
[Claim 1] Gegenstand (19) aus zumindest einem faserverstärkten Werkstoff mit einer verschweißten Naht (18), dadurch gekennzeichnet, dass eine Faser (4) in der Naht (18) angeordnet ist.[Claim 1] Article (19) made of at least one fiber-reinforced material with a welded seam (18), characterized in that a fiber (4) is arranged in the seam (18).
[Claim 2] Gegenstand (19) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Faser (4) nahezu über die gesamte Länge der Naht erstreckt. [Claim 2] Article (19) according to claim 1, characterized in that the fiber (4) extends over almost the entire length of the seam.
[Claim 3] Gegenstand (19) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser (4) eine schraubenförmige Gestallt aufweist.[Claim 3] Article (19) according to claim 1 or claim 2, characterized in that the fiber (4) has a helical shape.
[Claim 4] Gegenstand (19) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Fasern (4) in der Naht (18) angeordnet sind.[Claim 4] Article (19) according to one of Claims 1 to 3, characterized in that a plurality of fibers (4) are arranged in the seam (18).
[Claim 5] Gegenstand (19) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (4) untereinander verworren sind. [Claim 5] Article (19) according to claim 4, characterized in that the fibers (4) are entangled with each other.
[Claim 6] Gegenstand (19) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand (19) eine Komponente eines Luftfahrzeuges oder eines Kraftfahrzeugs ist.[Claim 6] Article (19) according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the object (19) is a component of an aircraft or of a motor vehicle.
[Claim 7] Verfahren zum Reibrühren, das folgende Schritte aufweist:[Claim 7] Method of friction stirring, which comprises the following steps:
- Einführen eines rotierend angetriebenen stiftförmigen Vorsprungs (9) in einen Werkstückbereich oder in einen Verbindungsbereich (12) von zumindest zwei aneinanderliegenden Werkstücken (5, 6) unter rotierender Bewegung,Inserting a rotationally driven pin-shaped projection (9) into a workpiece area or into a connecting area (12) of at least two abutting workpieces (5, 6) while rotating,
- Plastifizieren des Werkstückbereichs oder des Verbindungsbereichs (12) in wenigstens einem Kontaktbereich (17) zwischen dem rotierenden Vorsprung (9) und dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich (12), undPlasticizing the workpiece area or the connecting area (12) in at least one contact area (17) between the rotating projection (9) and the workpiece area or connecting area (12), and
- Einführen einer Faser (4) in den plastifizierten Bereich (17).- Introducing a fiber (4) in the plasticized area (17).
[Claim 8] Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schulter (8) auf den Werkstückbereich oder Verbindungsbereich (12) unter zumindest zeitweiser Druckbeaufschlagung aufgebracht wird, wobei während der Vorsprung (9) in Kontakt mit dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich steht, die Drehzahl der Schulter (8) n=0 beträgt.[Claim 8] A method according to claim 7, characterized in that a shoulder (8) is applied to the workpiece area or connecting area (12) under at least temporary pressurization, while the projection (9) is in contact with the workpiece area or connecting area Speed of the shoulder (8) n = 0.
[Claim 9] Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schulter (8) auf den Werkstückbereich oder Verbindungsbereich unter zumindest zeitweise Druckbeaufschlagung aufgebracht wird, wobei während der Vorsprung (9) in Kontakt mit dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich steht, die Drehzahl der Schulter (8) größer als 0 und kleiner als die Drehzahl des Vorsprungs (9) ist.[Claim 9] A method according to claim 7, characterized in that a shoulder (8) is applied to the workpiece area or connecting area under at least temporary pressurization, wherein during the projection (9) in contact with the workpiece area or Connection range is, the speed of the shoulder (8) is greater than 0 and less than the rotational speed of the projection (9).
[Claim 10] Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (9) in dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich (12) linear bewegt wird, wobei die Faser (4) kontinuierlich in den plastifizierten Bereich (17) eingeführt wird.[Claim 10] Method according to one of claims 7 to 9, characterized in that the projection (9) in the workpiece region or connecting region (12) is moved linearly, wherein the fiber (4) is continuously introduced into the plasticized region (17) ,
[Claim 11] Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (9) relativ zu den aneinanderliegenden Werkstücken (5, 6) entlang der Verbindungslinie (13) der aneinanderliegenden Werkstücke (5, 6) bewegt wird.[Claim 11] Method according to one of Claims 7 to 10, characterized in that the projection (9) is moved relative to the adjoining workpieces (5, 6) along the connecting line (13) of the adjacent workpieces (5, 6).
[Claim 12] Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die aneinanderliegenden Werkstücke (5, 6) relativ zu dem Vorsprung (9) entlang der Verbindungslinie (13) der aneinanderliegenden Werkstücke (5, 6) bewegt werden.[Claim 12] Method according to one of claims 7 to 11, characterized in that the adjacent workpieces (5, 6) relative to the projection (9) along the connecting line (13) of the adjacent workpieces (5, 6) are moved.
[Claim 13] Reibrührwerkzeug (2), umfassend einen rotierend antreibbaren Werkzeugkörper (7) an dessen antriebsabgewandtem Ende eine Schulter (8) vorgesehen ist, von der sich in Richtung antriebsabgewandtem Ende des Werkzeugkörpers (7) ein rotierbarer, stiftförmiger Vorsprung (9) erstreckt, der einen kleineren Durchmesser als die Schulter (8) aufweist, wobei die Schulter (8) und der stiftförmige Vorsprung (9) unabhängig voneinander rotierend antreibbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (8) zumindest eine Durchgangsöffnung (11) aufweist, die sich in Richtung antriebsabgewandtem Ende des Werkzeugskörpers (7) erstreckt.[Claim 13] friction stir tool (2), comprising a rotatably driven tool body (7) at its end remote from the drive a shoulder (8) is provided, from which in the direction away from the drive end of the tool body (7), a rotatable, pin-shaped projection (9) , which has a smaller diameter than the shoulder (8), wherein the shoulder (8) and the pin-shaped projection (9) are independently driven to rotate, characterized in that the shoulder (8) has at least one passage opening (11) extends in the direction away from the drive end of the tool body (7).
[Claim 14] Reibrührwerkzeug (2) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (8) derart ausgebildet ist, dass sie bei Rotation des stiftförmigen Vorsprungs (9) eine Drehzahl n=0 aufweist.[Claim 14] friction stir tool (2) according to claim 13, characterized in that the shoulder (8) is designed such that it has a rotational speed n = 0 upon rotation of the pin-shaped projection (9).
[Claim 15] Reibrührwerkzeug (2) nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (8) mittels Gleit- oder Wälzlager (10) an dem Werkzeugkörper (7) gelagert ist.[Claim 15] friction stir tool (2) according to claim 13 or claim 14, characterized in that the shoulder (8) by means of sliding or rolling bearing (10) is mounted on the tool body (7).
[Claim 16] Reibrührwerkzeug (2) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (8) ein Formteil ist, das auf der in Richtung Vorsprung (9) weisenden Seite des Gleit- oder Wälzlagers (10) angeordnet ist.[Claim 16] friction stir tool (2) according to claim 15, characterized in that the shoulder (8) is a molded part which is arranged on the in the direction of projection (9) facing side of the sliding or rolling bearing (10).
[Claim 17] Reibrührwerkzeug (2) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Randteil des Formteils derart abgewinkelt ist, dass es das Gleitoder Wälzlager (10) zumindest teilweise umgibt.[Claim 17] friction stir tool (2) according to claim 16, characterized in that an edge portion of the molding is angled such that it at least partially surrounds the sliding or rolling bearing (10).
[Claim 18] Reibrührwerkzeug (2) nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil zumindest auf seiner in Richtung Vorsprung (9) weisende Seite mit einem reibungsmindernden Material versehen ist.[Claim 18] friction stir tool (2) according to claim 16 or claim 17, characterized in that the molded part is provided with a friction-reducing material at least on its side pointing in the direction of the projection (9).
[Claim 19] Reibrührwerkzeug (2) nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Werkzeugkörper (7) ein Gleit- oder Wälzlager (10) angeordnet ist, dessen zumindest in Richtung Vorsprung (9) weisende Seite die Schulter (8) bildet.[Claim 19] A friction stir tool (2) according to claim 13 or claim 14, characterized in that on the tool body (7) a sliding or rolling bearing (10) is arranged, whose at least in the direction of protrusion (9) side facing the shoulder (8 ).
[Claim 20] Reibrührwerkzeug (2) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die in Richtung Vorsprung (9) weisende Seite des Gleit- oder Wälzlagers (10) mit einem reibungsmindernden Material versehen ist.[Claim 20] friction stir tool (2) according to claim 19, characterized in that in the direction of projection (9) facing side of the sliding or rolling bearing (10) is provided with a friction-reducing material.
[Claim 21] Reibrührwerkzeug (2) nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der stiftförmige Vorsprung (9) einstückig mit dem Werkzeugkörper (7) ausgebildet ist.[Claim 21] Friction stir tool (2) according to one of claims 13 to 20, characterized in that the pin-shaped projection (9) is formed integrally with the tool body (7).
[Claim 22] Reibrührwerkzeug (2) nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (2) rotationssymmetrisch ausgebildet ist.[Claim 22] friction stir tool (2) according to one of claims 13 to 21, characterized in that the tool (2) is rotationally symmetrical.
[Claim 23] Reibrührwerkzeug (2) nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnung (11) in Richtung antrieb- sabgewandter Oberfläche der Schulter (8) aufweitet.[Claim 23] Friction stir tool (2) according to one of Claims 13 to 22, characterized in that the passage opening (11) widens in the direction of the drive-side-facing surface of the shoulder (8).
[Claim 24] Reibrührwerkzeug (2) nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Durchgangsöffnung (11) im Wesentlichen senkrecht zu der in Richtung antriebsabgewandter Oberfläche der Schulter (8) erstreckt.[Claim 24] Friction stir tool (2) according to one of claims 13 to 23, characterized in that the passage opening (11) extends substantially perpendicular to the drive-facing away from the surface of the shoulder (8).
[Claim 25] Reibrührwerkzeug (2) nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Durchgangsöffnung (11) von der in Richtung antriebsabgewandten Oberfläche der Schulter (8) bis zu der in Richtung Vorsprung (9) abgewandten Oberfläche der Schulter (8) erstreckt.[Claim 25] Friction stir tool (2) according to one of claims 13 to 23, characterized in that the passage opening (11) from the drive-facing away in the direction of the surface of the shoulder (8) up to the projection (9) facing away from the surface of the shoulder (8) extends.
[Claim 26] Vorrichtung (1) zum Reibrühren, umfassend ein Reibrührwerkzeug (2) nach einem der Ansprüche 13 bis 25, wobei der Vorsprung (9) in einen Werkstückbereich oder einen Verbindungsbereich (12) von zumindest zwei zu verbindenden Werkstücken (5, 6) unter rotierender Bewegung einführbar ist, so dass bei seiner Rotation in Kontakt mit dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich (12) der Vorsprung (9) diesen wenigstens im Kontaktbereich plastifiziert und plastifzierten Stoff (17) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ferner eine Faserquelle (3) aufweist, und dass eine Faser (4) über die Durchgangsöffnung (11) in der Schulter (8) in den plastifizierten Stoff (17) einführbar ist.[Claim 26] A device (1) for friction stir comprising a friction stir tool (2) according to any one of claims 13 to 25, wherein the projection (9) into a workpiece region or a connection region (12) of at least two to be connected workpieces (5, 6 ) can be inserted under rotating movement, so that when it is rotated in contact with the workpiece region or connecting region (12) the projection (9) produces this plasticized and plasticized material (17) at least in the contact region, characterized in that the device (1) furthermore a fiber source (3), and that a fiber (4) via the passage opening (11) in the shoulder (8) in the plasticized material (17) is insertable.
[Claim 27] Vorrichtung (1) nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ferner Antriebsmittel aufweist, mit dem die Vorrichtung (1) unter rotierendem Antrieb des Vorsprungs (9) linear geführt werden kann.[Claim 27] Device (1) according to claim 26, characterized in that the device (1) further comprises drive means with which the device (1) can be linearly guided by rotating the projection (9).
[Claim 28] Vorrichtung (1) nach Anspruch 26 oder Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (8) auf den Werkstücken (5, 6) außerhalb des Kontaktbereichs zwischen dem Vorsprung (9) und dem Werkstückbereich oder Verbindungsbereich (12) aufbringbar ist.Device according to claim 26 or claim 27, characterized in that the shoulder (8) can be applied to the workpieces (5, 6) outside the contact region between the projection (9) and the workpiece region or connecting region (12) is.
[Claim 29] Verwendung des Reibrührwerkzeugs (2) nach einem der Ansprüche 13 bis 25 zum Verschweißen von faserverstärkten Kunststoffen, faserverstärkten Metallen oder faserverstärkten Legierungen.Claim 29 Use of the friction stir tool (2) according to one of claims 13 to 25 for welding fiber-reinforced plastics, fiber-reinforced metals or fiber-reinforced alloys.
[Claim 30] Verwendung des Reibrührwerkzeugs (2) nach einem der Ansprüche 13 bis 25 zum Verschweißen von zwei aneinanderliegenden Werkstücken aus faserverstärktem Kunststoff, faserverstärktem Metall oder faserverstärkten Legierungen.[Claim 30] Use of the friction stir tool (2) according to one of claims 13 to 25 for welding two adjoining workpieces made of fiber-reinforced plastic, fiber-reinforced metal or fiber-reinforced alloys.
[Claim 31] Verwendung der Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 26 bis 28 zum Verschweißen von faserverstärkten Kunststoffen, faserverstärkten Metallen oder faserverstärkten Legierungen.Claim 31 Use of the device (1) according to one of claims 26 to 28 for welding fiber-reinforced plastics, fiber-reinforced metals or fiber-reinforced alloys.
[Claim 32] Verwendung der Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 26 bis 28 zum Verschweißen von zwei aneinanderliegenden Werkstücken aus faserverstärktem Kunststoff, faserverstärktem Metall oder faserverstärkten Legierungen. [Claim 32] Use of the device (1) according to one of claims 26 to 28 for welding two adjoining workpieces made of fiber-reinforced plastic, fiber-reinforced metal or fiber-reinforced alloys.
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