Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reibungsschweissen für beliebig berandete Schweissflächen.
Das Reibungsschweissen wird meist so ausgeführt, dass die zu verschweissenden Werkstücke in eine relative Drehbewegung versetzt und dabei in der Schweissfläche aneinandergedrückt werden. Dieses Verfahren liefert bei der Verschweissung rohrförmiger Gegenstände in zur Rohrachse normalen Schweissflächen zufriedenstellende Ergebnisse, da in diesem Fall die relative Bewegungsgeschwindigkeit der in der Schweissfläche aneinanderliegenden Querschnittbereiche an allen Stellen etwa gleich gross oder nur unwesentlich voneinander verschieden ist, so dass die beim Reibungsschweissen allgemein gültige Forderung, dass die Wärmeproduktion pro Flächeneinheit etwa über den gesamten Schweissquerschnitt konstant sein soll, im wesentlichen erfüllt ist.
Schon beim Verschweissen von Rohren, deren Wandstärke vergleichbar mit ihrem Durchmesser gross ist, wie auch beim Schweissen von vollzylindrischen Werkstücken ergeben sich jedoch Schwierigkeiten, da die relative Bewegungsgeschwindigkeit der beiden Werkstücke in den achsennäheren Bereichen der Schweissquerschnitte deutlich geringer ist als in den achsenfernern Bereichen. Diese Schwierigkeiten treten in gleichem oder sogar verstärktem Ausmass natürlich bei Schweissflächen auf, die nicht kreisförmig berandet sind.
Um die geschilderten Schwierigkeiten zu beheben, sind Reibschweissverfahren und -vorrichtungen bekanntgeworden, bei denen die in der Schweissfläche zusammengedrückten Werkstücke durch eine relative hin und her gehende Schwingungsbewegung auf die Schweisstemperatur erwärmt werden.
Je nach der Grösse der Werkstücke können diese Schwingungen mit einer mehr oder weniger grossen Frequenz erfolgen. und im Grenzfall werden sogar Schall- oder Ultraschallschwingungen zur Bewegung der Werkstücke verwendet.
Es hat sich gezeigt, dass die beschriebenen bekannten Verfahren nur in wenigen Fällen zu befriedigenden Ergebnissen führen. Die Anwendung hoher Frequenzen ist gewöhnlich auf verhältnismässig kleine Werkstücke beschränkt, und es ist dabei insbesondere nur in sehr beschränktem Umfang möglich, die Schwingungsfrequenz und die Schwingungsamplitude frei zu wählen, so dass man in zahlreichen Fällen nicht unter optimalen Bedingungen arbeiten kann.
Werden verhältnismässig niedrige Schwingungsfrequenzen verwendet, wie es insbesondere bei grossen und schweren Werkstücken notwendig ist, so macht sich die Ungleichförmigkeit der relativen Bewegungsgeschwindigkeit der beiden Werkstücke störend bemerkbar, und es kann insbesondere vorkommen, dass in den Umkehrpunkten der Schwingung, wo die-relative Bewegungsgeschwindigkeit Null wird, ein ungewolltes Verschweissen in gewissen Teilbereichen der Schweissfläche eintritt, so dass der Schweissvorgang gestört oder sogar ganz unterbrochen wird.
Alle bekannten Reibungsschweissverfahren haben ferner den Nachteil, dass es schwierig ist, möglichst schnell und unter definierten Bedingungen aus der Bewegungsphase zum Stillstand zu kommen sowie genau die gewünschte Position der beiden zu verbindenden Werkstücke zueinander zu erreichen.
Die Erfindung geht deshalb von der Aufgabe aus, ein Reibungsschweissverfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei denen die geschilderten Nachteile und Schwierigkeiten nicht vorhanden sind und bei beliebig berandeten Schweissflächen die Schweissung unter weitgehend frei wählbaren, definierten Bedingungen abläuft und zu gleichmässigen und reproduzierbaren Ergebnissen führt.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe bezüglich des Verfahrens geht die Erfindung aus von einem Verfahren zum Reibungsschweissen für Schweissflächen beliebiger Berandung, bei dem zwei zu verschweissende Werkstücke in der Schweissfläche aneinandergelegt und durch eine in der Schweissfläche verlaufende relative Schwingungsbewegung auf die Schweisstemperatur erwärmt werden. Das erfindungsgemässe Verfahren ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass als relative Schwingungsbewegung in der Schweissfläche eine relative Umlaufbewegung mit im wesentlichen parallel zu sich selbst bleibenden Werkstücken ausgeführt wird.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren ergibt sich im Vergleich zu den bekannten Verfahren mit hin und her gehenden Schwingungen der entscheidende Vorteil, dass zu keinem Zeitpunkt während der gegenseitigen Umlaufbewegung die Relativgeschwindigkeit der Werkstücke in der Schweissfläche zu Null wird. Hinzu kommt der Vorteil, dass die bei hin und her gehenden Schwingungsbewegungen zwangläufig aufgetretenen Resonanzprobleme und starken mechanischen Belastungen der Schweissvorrichtungen grundsätzlich vermieden werden. Ausserdem ergibt sich der entscheidende Vorteil, dass die Relativgeschwindigkeit der Werkstücke an allen Stellen der Schweissfläche gleich gross ist.
Man kann deshalb nach dem erfindungsgemässen Verfahren beliebig grosse und beliebig berandete Schweissflächen mit einer bisher nicht möglichen Gleichmässigkeit, Reproduzierbarkeit und Betriebssicherheit schweissen, wobei man überdies weitgehende Freiheit bei der Wahl von Grösse und Frequenz der Umlaufbewegung hat und durch zeitliche Veränderungen dieser Grössen den Schweissvorgang sehr weitgehend beeinflussen kann.
Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, bei der wenigstens ein Werkstück an einer parallel zu sich selbst bewegbaren und antreibbaren Halterung befestigbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass zum Antrieb der Halterung ein um eine Drehachse antreibbarer Exzenterkörper vorgesehen ist, auf dem eine kreisförmige Umlaufbahn mit einer einstellbaren Exzentrizität bezüglich der Drehachse definiert ist, und dass die Halterung wenigstens zweidimensional in einer der Orientierung der Schweissfläche entsprechenden Fläche bewegbar und auf der Umlaufbahn des Exzenterkörpers geführt ist, so dass bei Drehung des Exzenterkörpers um die Drehachse alle Teile der Halterung parallel zu sich selbst gleich grosse kreisförmige Umlaufbewegungen ausführen, deren Radius gleich der aus der Einstellung resultierenden Exzentrizität des Exzenterkörpers ist.
Die Verwendung von Exzentern ist beim Reibungsschweissen schon vorgeschlagen worden, jedoch lediglich zu dem Zweck, eine hin und her gehende Schwingungsbewegung zu erzeugen, deren Nachteile eingangs beschrieben worden sind.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
Fig. 1 erläutert die Erfindung anhand einer ganz schematisch dargestellten Vorrichtung im Axialschnitt.
Fig. 2 ist ein ganz schematischer Radialschnitt nach der Linie II-II der Fig. 1.
Fig. 3 erläutert in einer ähnlichen Schnittdarstellung wie Fig. 2 eine andere mögliche Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer anderen möglichen Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung enthält einen Exzenterkörper 2 mit einer kreisförmigen Umlaufbahn 4 in Form einer Zylinderfläche. Der Exzenterkörper 2 ist um eine Drehachse 6 antreibbar. Der Abstand zwischen der Drehachse 6 und der Achse der Umlaufbahn 4, d. h. die resultierende Exzentrizität Er des Exzenterkörpers 2, ist kontinuierlich veränderbar. Zum Einstellen oder Verstellen der Exzentrizität des Exzenterkörpers sind zahlreiche Vorrich tungen brauchbar, die im wesentlichen darauf beruhen, dass der Exzenterkörper mit der darauf fest orientierten Umlaufbahn relativ zu der Drehachse verstellt wird. Zu diesem Zweck ist bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtung an dem Exzenterkörper 2 eine zweite kreisförmige Umlaufbahn 10 definiert, die bei der in den Figuren gewählten Darstellung ebenfalls als Zylinderfläche ausgebildet ist.
Die beiden Umlaufbahnen 4 und 10 umschliessen sich mit einer festen Exzentrizität E, und es ist ein zweiter Exzenterkörper 8 vorgesehen, auf dem eine dritte kreisförmige Umlaufbahn 12 definiert ist, die zu der zweiten Umlaufbahn 10 des ersten Exzenterkörpers 2 passt und verdrehbar auf dieser gelagert ist. Die Exzentrizität E der ersten Umfangsbahn 4 in bezug auf die zweite Umfangsbahn 10 ist gleich der Exzentrizität E der dritten Umfangsbahn 12 in bezug auf die Drehachse 6.
Auf der ersten Umfangsbahn 4 des ersten Exzenterkörpers 2 ist eine Halterung 14 geführt, und zwar besteht bei der dargestellten Ausführungsform die Halterung 14 aus einem auf der Umfangsbahn 4 gleitend gelagerten Ring 16 und einer daran befestigten Platte 18, an der das eine Werkstück 20 so befestigt ist, beispielsweise mit den dargestellten Schrauben 22, 24, dass die gewünschte Schweissfläche 26, in der das Werkstück 20 mit einem anderen Werkstück 28 verbunden werden soll, normal zur Achse liegt. Das andere Werkstück 28 wird in irgendeiner (nicht dargestellten) Weise stationär gehalten. Es wäre natürlich auch möglich, dieses zweite Werkstück ebenfalls zu bewegen. Die Halterung 14 ist parallel zu sich selbst normal zur Achse verschiebbar, jedoch undrehbar.
Dies wird bei der dargestellten Ausführungsform dadurch erreicht, dass entsprechend der Darstellung in Fig. 2 der Ring 16 über ein aus den Stangen 30, 32 bestehendes Parallelogrammgestänge an einem Schlitten 34 angelenkt ist, der auf einer Führung 36 normal zur Achse 6 verschiebbar ist. Die Stangen 30, 32 sind an den Stellen 38, 40 und 42, 44 am Ring 16 bzw. am Schlitten 34 angelenkt.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, wenn zum Einstellen der resultierenden Exzentrizität eine während der Drehung des Exzenterkörpers betätigbare Stelleinrichtung vorgesehen ist. Dem Fachmann sind zahlreiche Möglichkeiten bekannt, um an rotierenden Teilen Verstellungen vorzunehmen; es sei nur auf die zahlreichen bekannten Möglichkeiten zur Einstellung von Turbinenschaufeln, Luftschraubenblättern u. dgl. erinnert.
Die beiden Exzenterkörper 2 und 8 sind mittels einer Koppelungseinrichtung drehfest miteinander verbunden und gemeinsam um die Achse 6 drehbar; die Koppelungseinrichtung ist jedoch auf verschiedene relative Drehlagen der Exzenterkörper 2, 8 einstellbar. Zu diesem Zweck ist ein um die Drehachse 6 drehbares Stellglied in Form einer Hülse 46 vorgesehen. Die Hülse 46 ist auf einer mit dem zweiten Exzenterkörper 8 fest verbundenen, zur Drehachse 6 koaxialen Welle 48 drehverstellbar, jedoch axial unverschiebbar gelagert und hat einen Ansatz 50 mit einem Radialschlitz 52.
In den Radialschlitz 52 greift ein vom ersten Exzenterkörper 2 abgehender Finger 54 ein. Diese Schlitzführung 52, 54 verbindet somit die Hülse 46 und den ersten Exzenterkörper 2 zu gemeinsamer Drehbarkeit relativ zum zweiten Exzenterkörper 8. Zur Einstellung und Festlegung der relativen Drehlage zwischen der Hülse 46 und der Welle 48, d. h.
also zur Einstellung und Festlegung der relativen Drehlage der beiden Exzenterkörper 2, 8 und damit ihrer an der Halterung 14 zur Wirkung kommenden resultierenden Exzentrizität Er, sind in der Hülse 46 und in der Welle 48 im gleichen Axialbereich Schlitze 56 bzw. 58 vorgesehen, die gegensinnig schräg zur achsparallelen Richtung verlaufen, und die Koppelung zwischen der Hülse 46 und der Welle 48 erfolgt durch einen beide Schlitze 56, 58 passend durchsetzenden radialen Stift 60, der an einer im Hohlraum der Welle 48 verschiebbaren Stange 62 befestigt ist. Vorzugsweise ist die Stange 62 mit der Welle 48 zusätzlich durch eine Keilnutverzahnung 64 oder eine entsprechende Profilierung in Drehrichtung verbunden.
Gegenseitige Axialbewegungen der Hülse 46 und der Welle 48 werden in irgendeiner Weise verhindert, beispielsweise durch einen von der Welle 48 abgehenden Ansatz 66 md einen Sicherungsring 68, der in einer Umfangsnut der Welle 48 einsitzt.
Man erkennt, dass die Axiallage der Stange 62 die relative
Drehlage der beiden Exzenterkörper 2 und 8 und damit ihre resultierende Exzentrizität Er bestimmt. Wenn a der Winkel ist, den die Exzentrizitätsradien der beiden Exzenterkörper miteinander bilden, ergibt sich die resultierende Exzentrizi tät Er zu
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Die resultierende Exzentrizität Er ist also maximal im Bereich zwischen Null und 2E einstellbar. In Fig. 1 und in den ausgezogenen Linien der Fig. 2 ist der Zustand Er gleich Null dargestellt.
Der Zustand E, = 2 E (maximale resultierende Exzentrizität) ist in Fig. 2 in strichpunktierten Linien dargestellt, wobei gegenüber dem Zustand mit Er = Null der erste Exzenterkörper 2 entsprechend dem Pfeil 72 um 900 im Gegenuhrzeigersinn und der zweite Exzenterkörper 8 entsprechend dem Pfeil 70 um 900 im Uhrzeigersinn verdreht ist.
Hält man eine (von der Axiallage der Stange 62 bestimmte) relative Drehlage der Exzenterkörper 2 und 8 fest und lässt die Exzenterkörper um die Drehachse 6 rotieren, so führen alle Stellen der Halterung 14 und des damit verbundenen Werkstücks 20 parallel zu sich selbst und normal zur Achse 6 gleich grosse Umlaufbewegungen in Kreisbahnen aus. Die Grösse der Umlaufbewegungen ist durch den Radius dieser Kreisbahnen bestimmt, und dieser Radius ist gleich der resultierenden Exzentrizität Er, die während der gemeinsamen Rotation der beiden Exzenterkörper 2 und 8 durch Axialverschiebung der Stange 62 kontinuierlich und beliebig zwischen Er = 0 und einem Maximalwert verändert werden kann.
Der Drehantrieb der Exzenterkörper 2 und 8 kann in beliebiger Weise erfolgen. Als Beispiel ist in Fig. 1 angedeutet, dass die in einem Lager 74 gelagerte Hülse 46 mit einem Zahnkranz 76 versehen ist, der mit einem Ritzel 78 eines Antriebsmotors 80 in Eingriff steht. Zur Erzeugung und Aufnahme der beim Schweissen angewandten Axialkräfte können irgendwelche Mittel vorgesehen sein, beispielsweise ein Kugellager 82 zwischen den einander zugewandten Stirnflächen des zweiten Exzenterkörpers 8 und der Halterung 14, und ein (nicht dargestelltes) Axialdrucklager am freien Ende der Welle 48.
Zur Einstellung der Stange 62 in Axialrichtung kann eine beliebige Stelleinrichtung dienen. Bei der in Fig. 1 schematisch angedeuteten Möglichkeit hat die Stange 62 ausserhalb der Welle 48 einen Flansch 84 mit beiderseitigen Laufflächen, und eine mittels eines Getriebemotors 86 axial verstellbare Gabel 88 greift über den Flansch 84 und steht unter Zwischenschaltung von Kugellagern 90 spielarm mit den Laufflächen des Flansches 84 in Berührung.
Zum Getriebemotor 86 gehört ein Regler 92 zur wählbaren Einstellung der Axiallage der Stange 62 und damit der resultierenden Exzentrizität Er. Zum Antriebsmotor 80 gehört ein Regler 94 zur wählbaren Einstellung der Drehzahl des Antriebsmotors 80. Die Regler 92 und 94 sind entweder getrennt einstellbar oder, wie in Fig. 1 dargestellt, über eine Steuereinrichtung 96 so miteinander verbunden, dass eine bestimmte, vorzugsweise veränderbare Abhängigkeit zwischen der Drehzahl des Antriebsmotors und der resultierenden Exzentrizität Er vorgegeben ist.
Mit der als Beispiel dargestellten Vorrichtung ist es möglich, einen Schweissvorgang zunächst mit der resultierenden Exzentrizität Null zu beginnen; dabei bleibt bei sich drehenden Exzenterkörpern 2 und 8 das Werkstück 20 in Ruhe, so dass die Werkstücke 20, 28 genau zueinander positioniert werden können. Sodann wird durch entsprechende Verstellung der Schubstange 62 die resultierende Exzentrizität Er von Null aus allmählich gesteigert, so dass das Werkstück 20 relativ zu dem anderen Werkstück 28 eine an allen Stellen gleich grosse und mit gleicher Bahngeschwindigkeit erfolgende kreisförmige Umlaufbewegung ausführt. Dabei wird die zum Schweissen erforderliche Reibungswärme erzeugt.
Die Wärmeleistung hängt wesentlich von der Drehzahl der Exzenterkörper 2, 8 und der resultierenden Exzentrizität Er ab, und es ist ohne weiteres möglich, beispielsweise automatisch mit Hilfe der Steuereinrichtung 96, dafür zu sorgen, dass die relative Bahngeschwindigkeit der Werkstücke 20, 28 innerhalb eines bestimmten Variationsbereiches der esultierenden Exzentrizität Er konstant bleibt oder sich in einer gewünschten, vorgegebenen Weise ändert. Sobald in der Schweissfläche 26 die zum Schweissen erforderliche Temperatur erreicht ist (was beispielsweise durch Abfall der Leistungsaufnahme des Antriebsmotors 80 erkennbar ist), wird durch entsprechende Verschiebung der Stange 62 die resultierende Exzentrizität Er kontinuierlich bis auf Null vermindert, so dass schliesslich die Werkstücke in einer exakt der Ausgangsposition entsprechenden gegenseitigen Lage miteinander verschweisst sind.
Die Stetigkeit und Gleichmässigkeit des ganzen Vorganges sichern eine optimale Qualität der erhaltenen Schweissverbindung.
Die Einrichtungen zum Erzeugen einer axialen Anpresskraft zwischen den Werkstücken 20 und 28 sind nicht dargestellt; sie können z. B. in üblicher Weise ausgeführt sein.
Es kann eine Auswuchteinrichtung vorhanden sein, die in Abhängigkeit von der jeweils eingestellten resultierenden Exzentrizität so verstellbar ist, dass die resultierende Unwucht bezüglich der Drehachse bei allen einstellbaren Werten der resultierenden Exzentrizität im wesentlichen ausgeglichen ist.
Bei der Ausführungsform mit zwei Exzenterkörpern kann dies dadurch erfolgen, dass mit den beiden Exzenterkörpern je eine mit vorgegebenem Abstand von der Achse angeordnete Ausgleichsmasse drehfest verbunden ist, wobei in jedem Paar Exzenterkörper-Ausgleichmasse die Schwerpunkte des Exzenterkörpers und der Ausgleichmasse in gleichen Axialebenen, jedoch zu entgegengesetzten Seiten der Achse liegen, und dass die Grössen der beiden Ausgleichsmassen dadurch bestimmt sind, dass die Vorrichtung bei zwei verschiedenen resultierenden Exzentrizitäten ausgewuchtet ist, beispielsweise sowohl bei der resultierenden Exzentrizität Null als auch bei maximaler resultierender Exzentrizität. Bei einer derartigen Ausbildung der Auswuchteinrichtung ergibt sich bei allen einstellbaren resultierenden Exzentrizitäten ein Massenausgleich.
Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 sind zwei Ausgleichsmassen 98 und 100 vorgesehen, die mit den Exzenterkörpern 8 bzw. 2 drehfest verbunden sind. Die Ausgleichsmasse 98 ist an dem von der Welle 48 ausgehenden Ansatz 66 in einer darin vorgesehenen axialen Führung axial verstellbar befestigt; zur Festlegung der axialen Position dient eine Feststellschraube 99. Die Ausgleichsmasse 100 ist an dem Ansatz 50 der Hülse 46 in entsprechender Weise axial verstellbar befestigt, zur Festlegung der axialen Position dient wieder eine Feststellschraube 101. Die radialen Abmessungen der Ansätze 50 und 66 müssen natürlich so gross sein, dass die Einstellung auf maximale resultierende Exzentrizität Er ohne Behinderung durch die Ausgleichsmassen 100 bzw. 98 möglich ist. Dies ist in den Fig. 1 und 2 angedeutet.
Bei der in Fig. 2 punktiert dargestellten Einstellung maximaler resultierender Exzentrizität ist vernachlässigt, dass sich dabei die beiden Ausgleichsmassen gegenseitig behindern würden.
Dies kann konstruktiv leicht vermieden werden; man kann aber auch im praktischen Betrieb auf diese Einstellung verzichten.
Man erkennt, dass die Ausgleichsmassen 98 und 100 in der üblichen Weise den Schwerpunkten ihrer zugehörigen Exzenterkörper 8 bzw. 2 radial gegenüberliegen und beide einen vorgegebenen radialen Abstand von der Drehachse 6 haben. Dies bedeutet insbesondere, dass sich bei einer relativen Verdrehung der Exzenterkörper 2 und 8 die Ausgleichsmassen 100 bzw. 98 ebenfalls nur in Umfangsrichtung relativ zueinander bewegen, jedoch keine Bewegung in Radialrichtung ausführen, obwohl sich der mit der Ausgleichsmasse 100 drehfest verbundene Exzenterkörper 2 dabei in Radialrichtung verlagert. Die Grössen der Ausgleichsmassen 98 und 100 werden durch die Forderung bestimmt, dass bei zwei verschiedenen Werten der resultierenden Exzentrizität die Unwucht behoben ist, beispielsweise für Er = 0 und Er = 2E.
Dann ist die Unwucht auch bei allen anderen Werten von Er behoben.
Die Ausgleichsmassen können bei der dargestellten Ausführungsform nicht nur axial verschoben werden, sondern natürlich auch ausgewechselt werden. Dadurch ist es möglich, Grösse und Lage der Ausgleichsmassen an die Beschaffenheit des jeweils an der Halterung 14 befestigten Werkstückes anzupassen. Dabei dient insbesondere die axiale Verstellbarkeit der Ausgleichsmassen 98, 100 dem Zweck, die Ausgleichsmassen möglichst in demjenigen Axialbereich wirken zu lassen, in dem auch die von den Exzenterkörpern und dem an der Halterung 14 befestigten Werkstück hervorgerufenen Unwuchtkräfte wirken. Dadurch werden die resultierenden Kräfte quer zur Achse 6 klein gehalten. Natürlich können die Ausgleichsmassen auch radial verstellbar angebracht werden, beispielsweise so, dass die Ansätze 50 und 66 aus zwei in einer radialen Führung relativ verstellbaren Teilen ausgeführt werden.
Derartige Einrichtungen sind in den Figuren nicht dargestellt.
Um die Unwucht von vornherein gering zu halten, oder aus anderen Gründen können die Exzenterkörper natürlich auch in leichter, nicht massiver Bauweise konstruiert sein.
Auch ist es nicht erforderlich, dass alle Umfangsbahnen der Exzenterkörper 2, 8 und der Halterung 14 in der dargestellten Weise als durchgehende Zylinderflächen ausgebildet sind.
Fig. 3 zeigt ganz schematisch ein Beispiel einer anderen möglichen Ausführungsform, bei der die Verschiebung des ersten Exzenterkörpers 2 relativ zur Drehachse 6 nicht mit einem zweiten Exzenterkörper, sondern mit einem nach Art einer Schlittenführung verstellbaren Nabenkörper erfolgt.
Der erste Exzenterkörper 2 besteht hier aus einer Kreisscheibe 102, auf der am Aussenumfang die erste Umfangsbahn 10 in Form einer kreiszylindrischen Ringfläche angebracht ist. In der Scheibe 102 ist ein Schlitten 104 in einer Führung 106 entlang einem Durchmesser der Scheibe verschiebbar. Der Schlitten ist an einer zur Drehachse 6 konzentrischen hohlen Welle 48 befestigt. Wie bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 ist auf der Hohlwelle 48 ein Stellglied in Form einer Hülse 46 verdrehbar, aber axial unverschiebbar gelagert. Die Hülse 46 hat einen Flansch 108 mit einem Zahnsegment 110, das mit einer an der Kreisscheibe 102 befestigten Zahnstange 112 kämmt.
Somit kann durch Drehen der Hülse 46 relativ zur Welle 48 der Exzenterkörper 2 in der durch die Schlittenführung 106 gegebenen Richtung relativ zur Drehachse 6 kontinuierlich auf verschiedene resultierende Exzentrizitäten verstellt werden. Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform können zur Koppe lung und relativen Verdrehung von Hülse 46 und Welle 48 analoge Mittel wie bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 verwendet werden. Im Hohlraum der Welle 48 ist wieder eine Schubstnage 62 axial verschiebbar gelagert.
Ein an der Stange 62 befestigter Stift 60 tritt durch (nicht dargestellte) Schrägschlitze, die in der Welle 46 bzw. der Hülse 48 ausgebildet sind, so dass sich wie bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 bei einer Axialverschiebung der Stange 62 relativ zur Welle 48 eine Drehung der Hülse 46 relativ zur Welle 48 und damit eine entsprechende Verstellung der resul tierenden Exzentrizität Er erigbt. Die Halterung 14 ist hier mittels Rollen 114 auf der Umfangsbahn des Exzenterkörpers 2 geführt und ebenfalls parallel zu sich selbst senkrecht zur Drehachse 6 zweidimensional bewegbar, so dass sich bei
Drehung der Welle 48 und des damit über die Schlittenführung 106 drehfest verbundenen Exzenterkörpers 2 die ge wünschte Umlaufbewegung mit dem Radius Er an allen Stellen der Halterung 14 ergibt, ebenso wie bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2.
Zur Gewichtsersparnis und zur
Verminderung der Unwuchtkräfte ist die Scheibe 102 mit
Löchern 116 versehen.
Statt der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten mechanischen Eimichtungen zur Veränderung der resultierenden Exzentrizität Er können natürlich auch hydraulische, elektrische und andere Einrichtungen verwendet werden. Zum Beispiel kann ein ähnlich wie in Fig. 3 ausgeführter Schlitten, an dem die zur Drehachse 6 konzentrische Antriebswelle befestigt ist, auch über eine hydraulische Stelleinrichtung mit dem Exzenterkörper gekoppelt sein. Entwurf und Herstellung derartiger und anderer Stelleinrichtungen wie auch die freie Wahl bekannter mechanischer, elektrischer, pneumatischer und hydraulischer Mittel zur Verwirklichung konstruktiver Abwandlungen sind dem Fachmann ohne weiteres möglich.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensparameter, insbesondere die in der Schweissfläche angewandte Anpresskraft und/oder die Frequenz und/oder die Grösse der Umlaufbewegung, in Abhängigkeit vom Zustand der Werkstücke in der Reibfläche und/oder von der Grösse der Reibfläche verändert werden. Man kann auf diese Weise die zeitliche Wärmeproduktion pro Einheit der Schweissfläche in weiten Grenzen beliebig steuern, und zwar auch dann, wenn sich die Grösse der Reibfläche ändert, z. B.
beim stirnseitigen Verschweissen relativ dünnwandiger Hohlkörper, die sich ab einer bestimmten Grösse der relativen Umlaufbewegung nur noch in einem Teil ihrer Stirnflächen reibend berühren, wobei dieser Teil im Verlauf der Umlaufbewegung über die Stirnfläche wandert. Insbesondere besteht in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die vorteilhafte Möglichkeit, dass die Frequenzen und die Grösse der Umlaufbebewegung in gegenseitiger Abhängigkeit verändert werden, vorzugsweise derart, dass die relative Bewegungsgeschwindigkeit der Werkstücke in einem vorgegebenen Bereich gehalten wird, vorzugsweise etwa konstant bleibt. Man kann also beispielsweise beim Verringern der Grösse der Umlaufbewegung (gegen Ende des Schweissvorgangs) gleichzeitig die Frequenz der Umlaufbewegung erhöhen und so die relative Bewegungsgeschwindigkeit bis kurz vor Ende des Schweissvorganges annähernd konstant halten.
Diese Verfahrensweise ist dadurch begünstigt, dass beim Verringern der Grösse der relativen Umlaufbewegung der bekannte Effekt auftritt, dass der Drehimpuls der umlaufenden Masse die Umlaufgeschwindigkeit zu erhöhen versucht.
Die Veränderung der Verfahrensparameter, insbesondere die voneinander abhängige Steuerung oder Regelung von Frequenz und Grösse der Umlaufbewegung, ist auch von Vorteil, wenn vor dem eigentlichen Schweissvorgang die zu verbindenden Flächen der Werkstücke geglättet werden sollen oder wenn die Werkstücke zunächst auf ein bestimmtes Mass abgearbeitet werden sollen. Derartige Vorgänge, bei denen letztlich nur eine Materialabtragung erwünscht ist, werden vorteilhaft bei hoher Frequenz, aber kleiner Grösse der relativen Umlaufbewegung ausgeführt. Es ist natürlich möglich, derartige Vorgänge vollautomatisch ablaufen zu lassen.
So kann man beispielsweise bei Serienfertigungen die zu verschweissenden Werkstücke mit relativ grossem Längen Übermass einsetzen und unter Überwachung durch eine Lehren- oder Längenmessvorrichtung zunächst mit hoher Frequenz und niedriger Grösse der relativen Umlaufbewegung verkürzen, bis beim Erreichen einer vorgegebenen Soll Länge die Lehrenvorrichtung ein Signal abgibt, das die Einleitung des eigentlichen Schweissvorganges bewirkt, z. B.
durch Erhöhen der Grösse der Umlaufbewegung und/oder des Anpressdruckes unter gleichzeitiger Verringerung der Umlauffrequenz. Dabei kann natürlich auch eine beim Schweissen eintretende Längenänderung, beispielsweise die übliche Verkürzung, schon entsprechend berücksichtigt werden. Auch der eigentliche Schweissvorgang kann ohne weiteres automatisch ablaufen, beispielsweise mit Hilfe einer auf Grund der Vorversuche programmierten Programmsteuereinrichtung, so dass man das gewünschte Serienprodukt mit grosser Gleichmässigkeit erhält.
Eine besonders einfache Ausführungsform des effindungs- gemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens das eine Werkstück mi wesentlichen parallel zu sich selbst in eine Umlaufbewegung um eine normal zur Schweissfläche verlaufende Achse versetzt wird.
Eine andere mögliche Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Werkstücke in zueinander normale lineare Schwingungsbewegungen mit gleicher Frequenz, jedoch gegeneinander verschobener Phase versetzt werden.
Diese Ausführungsform bietet besonders den Vorteil, dass übliche lineare Schwingungsantriebe verwendet werden können, die mit solchen linearen Schwingungsantrieben unvermeidlichen Schwierigkeiten in bezug auf Resonanzphänomene und mechanische Belastungen der Schweissvorrichtungen fallen vielfach nicht ins Gewicht gegenüber dem auch bei dieser Ausführungsform vorhandenen grundsätzlichen Vorteil, dass die Relativgeschwindigkeit der beiden Werkstücke zu keiner Zeit Null wird, also auch nicht in den Umkehrpunkten der linearen Schwingungsbewegungen.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Umlaufbewegung eine .Kreisbewegung ist, deren Grösse durch ihren Radius bestimmt ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Relativgeschwindigkeit der Werkstücke nicht nur an allen Stellen der Schweissfläche, sondern auch zeitlich innerhalb der Umlaufbewegung konstant, und man erhält demgemäss auch bei verhältnismässig niedrigen Frequenzen der Umlaufbewegung, wie sie insbesondere bei grossen Werkstücken angewendet werden können, eine äusserst gleichmässige Wärmeproduktion mit allen sich daraus ergebenden Vorteilen.
Wenn in der vorher beschriebenen Weise die Umlaufbewegung dadurch erhalten wird, dass beide Werkstücke je eine lineare Schwingungsbewegung ausführen, erhält man gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens die besonders günstige Kreisform der Umlaufbewegung dadurch, dass die beiden linearen Schwingungsbewegungen als harmonische Schwingungen gleicher Amplitude mit einer Phasenverschiebung von 900 ausgeführt werden.
Fig. 4 erläutert ganz schematisch eine Vorrichtung, bei der die relative Umlaufbewegung der beiden Werkstücke 20, 28 dadurch erzielt wird, dass die Werkstücke in zwei zueinander normalen Richtungen 120 bzw. 122 hin und her beweg bar gelagert und durch je einen in diesen Richtungen wirksamen Schwingantrieb 124 bzw. 126 bewegbar sind. Die Werkstücke sind mittels Halterungen 128 bzw. 130 mit den Schwingantrieben gekoppelt und berühren sich in einer Schweissfläche, die im Sinne der Fig. 4 durch die obere Oberfläche 132 des Werkstücks 20 und die untere Oberfläche des Werkstücks 28 gebildet wird und parallel zu der durch die beiden Schwingungsrichtungen 120, 122 definierten Ebene liegt. Die Schwingantriebe sind über eine Synchronisiereinrichtung 134 synchronisiert.
Ferner ist eine Steuereinrichtung 136 vorgesehen, mit der die Schwingungsfrequenz sowie die relative Phasenlage und die Amplituden der beiden Schwingantriebe verändert werden können. Mit Hilfe einer üblichen Presseinrichtung 138, die eine Grundplatte 140, einen Presszylinder 142 und eine Druckplatte 144 aufweist, kann in der üblichen Weise ein Pressdruck senkrecht zur Schweissfläche auf die Werkstücke ausgeübt werden. Es ist natürlich auch möglich, in bekannter Weise einen der Schwingantriebe 124, 126 gleichzeitig als Presseinrichtung auszubilden und zu verwenden. Die Presseinrichtung 138 ist über Steuerleitungen 146 beispielsweise von der Steuereinrichtung 136 aus steuerbar.
Wenn beide Schwingantriebe 124, 126 mit gleicher Frequenz und Amplitude und einer Phasenverschiebung von 900 arbeiten, ergibt sich eine kreisförmige relative Umlaufbewegung der Werkstücke ähnlich wie bei den Ausführungen nach den Fig. 1 bis 3. Sind die Amplituden verschieden, so ergeben sich elliptische relative Umlaufbewegungen. Durch Abweichungen von der harmonischen Schwingungsform lassen sich weitere Abwandlungen der Form der relativen Umlaufbewegung erzielen. Wie bei den in den Fig. 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsformen ist es auch hier möglich, Frequenz und Amplitude der Schwingungsbewegung in gegenseitiger Abhängigkeit zu steuern, insbesondere gegensinnig zu verändern.
Dies kann beispielsweise so erfolgen, dass die Schwingungsamplitude kontinuierlich von Null aus gesteigert und nach Erreichen der gewünschten Schweisstemperatur wieder auf Null vermindert wird, wobei zumindest in einem gewissen Bereich von Amplituden die Relativgeschwindigkeit der Werkstücke durch entsprechend gegensinnige Veränderung der Frequenz etwa konstant gehalten wird.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 tritt die für Schwingantriebe typische Schwierigkeit auf, dass besonders bei schweren und grossen Werkstücken Abweichungen vom harmonischen Bewegungsablauf vorkommen; dieser ist jedoch die Voraussetzung dafür, dass die Relativbewegung der beiden Werkstücke kreisförmig und die Relativgeschwindigkeit konstant ist. In dieser Beziehung sind Ausführungsformen wie die nach Fig. 1 bis 3, bei denen mindestens das eine Werkstück eine echte Umlaufbewegung ausführt, erheblich vorteilhafter; überdies tritt dabei keine schwingende Beanspruchung irgendwelcher Bauteile auf. Es ist natürlich auch ohne weiteres möglich, Umlaufbewegungen mit beiden Werkstücken auszuführen.
Einrichtungen zur Veränderung der Drehzahl des Exzenterkörpers, sowie Einrichtungen zur vorgebbaren Koppelung von Veränderungen der resultierenden Exzentrizität mit Ver änderungen der Drehzahl des Exzenterkörpers können vorhanden sein. Mit derartigen Vorrichtungen können die im Zusammenhang mit den Verfahrensschritten angegebenen vorteilhaften Verfahrensführungen ausgeführt werden, bei denen die Frequenz und/oder die Grösse der Umlaufbewegung für sich oder in gegenseitiger Abhängigkeit verändert werden. Entsprechende Vorrichtungsmassnahmen lassen sich natürlich auch bei der Ausführungsform mit zwei zueinander senkrechten linearen Schwingungen vorsehen.
PATENTANSPRUCH 1
Verfahren zum Reibungsschweissen für beliebig berandete Schweissflächen, bei dem zwei zu verschweissende Werkstücke in der Schweissfläche aneinandergelegt und durch eine in der Schweissfläche verlaufende relative Schwingungsbewegung auf die Schweisstemperatur erwärmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass als relative Schwingungsbewegung in der Schweissfläche eine relative Umlaufbewegung mit im wesentlichen parallel zu sich selbst bleibenden Werkstücken ausgeführt wird.
UNTERANSPRÜCHE
1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn des Schweissvorganges die Grösse der relativen Umlaufbewegung von Null aus erhöht wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass gegen Ende des Schweissvorganges die Grösse der relativen Umlaufbewegung nach Null hin vermindert wird.
3. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensparameter, insbesondere die in der Schweissfläche angewandte Anpresskraft und/oder die Frequenz und/oder die Grösse der Umlaufbewegung, in Abhängigkeit vom Zustand der Werkstücke in der Reibfläche und/oder von der Grösse der Reibfläche verändert werden.
4. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz und die Grösse der Umlaufbewegung in gegenseitiger Abhängigkeit verändert werden, vorzugsweise gegensinnig, derart, dass die relative Bewegungsgeschwindigkeit der Werkstücke in einem vorgegebenen Bereich gehalten wird, vorzugsweise etwa konstant bleibt.
5. Verfahren nach Patentanspruch I oder einem der Unteransprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens das eine Werkstück im wesentlichen parallel zu sich selbst in eine Umlaufbewegung um eine normal zur Schweissfläche verlaufende Achse versetzt wird.
6. Verfahren nach Patentanspruch I oder einem der Unteransprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Werkstücke in zueinander normale lineare Schwingungsbewegungen mit gleicher Frequenz, jedoch gegeneinander verschobener Phase versetzt werden.
7. Verfahren nach Patentanspruch I oder einem der Unteransprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlaufbewegung eine Kreisbewegung ist, deren Grösse durch ihren Radius bestimmt ist.
8. Verfahren nach Unteranspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius der Kreisbewegung zur Anpassung an vorliegende geometrische und/oder schweisstechnische Forderungen während des Schweissvorganges zumindest zeitweise, vorzugsweise kontinuierlich, verändert wird.
9. Verfahren nach den Unteransprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden linearen Schwingungsbewegungen als harmonische Schwingungen gleicher Amplitude mit einer Phasenverschiebung von 900 ausgeführt werden.
PATENTANSPRUCH II
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, bei der wenigstens ein Werkstück an einer parallel zu sich selbst bewegbaren und antreibbaren Halterung befestigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Antrieb der Halterung (14) ein um eine Drehachse (6) antreibbarer Exzenterkörper (2) vorgesehen ist, auf dem eine kreisförmige Umlaufbahn (4) mit einer einstellbaren Exzentrizität bezüglich der Drehachse (6) definiert ist, und dass die Halterung (14) wenigstens zweidimensional in einer der Orientierung der Schweissfläche entsprechenden Fläche bewegbar und auf der Umlaufbahn (4) des Exzenterkörpers (2) geführt ist, so dass bei Drehung des Exzenterkörpers (2) um die Drehachse (6) alle Teile der Halterung (14) parallel zu sich selbst gleich grosse kreisförmige Umlaufbewegungen ausführen,
deren Radius gleich der aus der Einstel
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The invention relates to a method and a device for friction welding for welding surfaces with random edges.
Friction welding is usually carried out in such a way that the workpieces to be welded are set in a relative rotational movement and are pressed against one another in the welding area. This method provides satisfactory results when welding tubular objects in welding surfaces normal to the pipe axis, since in this case the relative speed of movement of the cross-sectional areas adjacent to one another in the welding surface is approximately the same or only slightly different from one another at all points, so that the requirement generally applicable for friction welding that the heat production per unit area should be constant approximately over the entire weld cross section is essentially fulfilled.
However, difficulties arise even when welding pipes whose wall thickness is comparable to their diameter, as well as when welding fully cylindrical workpieces, since the relative speed of movement of the two workpieces in the areas of the welding cross-sections closer to the axis is significantly lower than in the areas further away from the axis. These difficulties naturally occur to the same or even to a greater extent in the case of welding surfaces that are not bordered in a circular manner.
In order to remedy the described difficulties, friction welding methods and devices have become known in which the workpieces pressed together in the welding surface are heated to the welding temperature by a relative oscillating movement going back and forth.
Depending on the size of the workpieces, these vibrations can occur with a more or less high frequency. and in borderline cases even sonic or ultrasonic vibrations are used to move the workpieces.
It has been shown that the known methods described only lead to satisfactory results in a few cases. The use of high frequencies is usually limited to relatively small workpieces, and in particular it is only possible to a very limited extent to freely choose the oscillation frequency and the oscillation amplitude, so that in many cases it is not possible to work under optimal conditions.
If relatively low vibration frequencies are used, as is necessary in particular with large and heavy workpieces, the non-uniformity of the relative movement speed of the two workpieces is noticeable in a disturbing manner, and it can happen in particular that at the reversal points of the vibration where the relative movement speed is zero unwanted welding occurs in certain partial areas of the welding surface, so that the welding process is disturbed or even completely interrupted.
All known friction welding processes also have the disadvantage that it is difficult to come to a standstill as quickly as possible and under defined conditions from the movement phase and to precisely reach the desired position of the two workpieces to be connected to one another.
The invention is therefore based on the object of creating a friction welding process and a device in which the disadvantages and difficulties described do not exist and in which welding surfaces with arbitrary edges the welding takes place under largely freely selectable, defined conditions and leads to uniform and reproducible results.
To solve the problem posed with regard to the method, the invention is based on a method for friction welding for welding surfaces of any desired border, in which two workpieces to be welded are placed against one another in the welding surface and heated to the welding temperature by a relative oscillating movement in the welding surface. The method according to the invention is characterized in that a relative orbital movement with workpieces that remain essentially parallel to themselves is carried out as the relative oscillation movement in the welding surface.
In the method according to the invention, compared to the known methods with oscillations going back and forth, there is the decisive advantage that at no point in time during the mutual orbital movement does the relative speed of the workpieces in the welding surface become zero. In addition, there is the advantage that the inevitable resonance problems and strong mechanical loads on the welding devices, which inevitably occur with reciprocating vibratory movements, are avoided. In addition, there is the decisive advantage that the relative speed of the workpieces is the same at all points on the welding surface.
The process according to the invention can therefore be used to weld any size and any bordered welding surfaces with a previously unattainable uniformity, reproducibility and operational reliability, while also having extensive freedom in the choice of size and frequency of the orbital movement and the welding process to a great extent by changing these sizes over time can affect.
An advantageous device for carrying out the method according to the invention, in which at least one workpiece can be fastened to a holder that can be moved and driven parallel to itself, is characterized in that an eccentric body which can be driven about an axis of rotation and on which a circular orbit is provided to drive the holder is defined with an adjustable eccentricity with respect to the axis of rotation, and that the holder can be moved at least two-dimensionally in a surface corresponding to the orientation of the welding surface and is guided on the orbit of the eccentric body, so that when the eccentric body rotates about the axis of rotation, all parts of the holder are parallel to itself even perform circular orbital movements of the same size, the radius of which is equal to the eccentricity of the eccentric body resulting from the setting.
The use of eccentrics has already been proposed in friction welding, but only for the purpose of generating a reciprocating oscillating movement, the disadvantages of which were described at the beginning.
The invention is described in more detail below with reference to exemplary embodiments.
Fig. 1 explains the invention on the basis of a very schematically illustrated device in axial section.
FIG. 2 is a very schematic radial section along the line II-II in FIG. 1.
FIG. 3 explains another possible embodiment of the invention in a similar sectional view as FIG.
4 is a schematic representation of another possible embodiment of a device according to the invention.
The device shown in FIGS. 1 and 2 contains an eccentric body 2 with a circular orbit 4 in the form of a cylinder surface. The eccentric body 2 can be driven about an axis of rotation 6. The distance between the axis of rotation 6 and the axis of the orbit 4, i. H. the resulting eccentricity Er of the eccentric body 2 is continuously variable. To set or adjust the eccentricity of the eccentric body, numerous devices can be used which are based essentially on the fact that the eccentric body with the orbit fixed thereon is adjusted relative to the axis of rotation. For this purpose, in the device shown in FIGS. 1 and 2, a second circular orbit 10 is defined on the eccentric body 2, which is also designed as a cylindrical surface in the representation selected in the figures.
The two orbits 4 and 10 surround each other with a fixed eccentricity E, and a second eccentric body 8 is provided on which a third circular orbit 12 is defined, which fits the second orbit 10 of the first eccentric body 2 and is rotatably mounted on it . The eccentricity E of the first circumferential path 4 in relation to the second circumferential path 10 is equal to the eccentricity E of the third circumferential path 12 in relation to the axis of rotation 6.
A holder 14 is guided on the first circumferential track 4 of the first eccentric body 2, and in the embodiment shown, the holder 14 consists of a ring 16 slidingly mounted on the circumferential track 4 and a plate 18 attached to it, to which one workpiece 20 is attached is, for example with the screws 22, 24 shown, that the desired welding surface 26, in which the workpiece 20 is to be connected to another workpiece 28, lies normal to the axis. The other workpiece 28 is held stationary in some manner (not shown). It would of course also be possible to move this second workpiece as well. The holder 14 can be displaced parallel to itself normal to the axis, but cannot be rotated.
In the embodiment shown, this is achieved in that, as shown in FIG. 2, the ring 16 is articulated via a parallelogram linkage consisting of the rods 30, 32 on a slide 34 which can be displaced on a guide 36 normal to the axis 6. The rods 30, 32 are articulated at the points 38, 40 and 42, 44 on the ring 16 and on the slide 34, respectively.
According to a further embodiment of the invention, it is particularly advantageous if an adjusting device which can be actuated during the rotation of the eccentric body is provided for setting the resulting eccentricity. Numerous possibilities are known to those skilled in the art for making adjustments to rotating parts; it is only to the numerous known options for setting turbine blades, propeller blades and the like. Like. Recalls.
The two eccentric bodies 2 and 8 are non-rotatably connected to one another by means of a coupling device and can be rotated together about the axis 6; however, the coupling device can be set to different relative rotational positions of the eccentric bodies 2, 8. For this purpose, an actuator in the form of a sleeve 46 that is rotatable about the axis of rotation 6 is provided. The sleeve 46 is rotatably adjustable on a shaft 48 that is fixedly connected to the second eccentric body 8 and is coaxial with the axis of rotation 6, but is mounted so that it cannot be displaced axially and has an attachment 50 with a radial slot 52.
A finger 54 extending from the first eccentric body 2 engages in the radial slot 52. This slot guide 52, 54 thus connects the sleeve 46 and the first eccentric body 2 for mutual rotatability relative to the second eccentric body 8. To set and fix the relative rotational position between the sleeve 46 and the shaft 48, i. H.
So for setting and determining the relative rotational position of the two eccentric bodies 2, 8 and thus their resulting eccentricity Er coming into effect on the holder 14, slots 56 and 58 are provided in the same axial area in the sleeve 46 and in the shaft 48, which are in opposite directions run obliquely to the axially parallel direction, and the coupling between the sleeve 46 and the shaft 48 is effected by a radial pin 60 which fits through both slots 56, 58 and which is fastened to a rod 62 displaceable in the cavity of the shaft 48. The rod 62 is preferably additionally connected to the shaft 48 by a spline toothing 64 or a corresponding profile in the direction of rotation.
Mutual axial movements of the sleeve 46 and the shaft 48 are prevented in some way, for example by a projection 66 extending from the shaft 48 and a locking ring 68 seated in a circumferential groove of the shaft 48.
It can be seen that the axial position of the rod 62 is the relative
The rotational position of the two eccentric bodies 2 and 8 and thus their resulting eccentricity He is determined. If a is the angle that the eccentricity radii of the two eccentric bodies form with one another, the resulting eccentricity Er zu
EMI2.1
The resulting eccentricity Er can therefore be set in the range between zero and 2E. In FIG. 1 and in the solid lines in FIG. 2, the state Er is shown equal to zero.
The state E, = 2 E (maximum resulting eccentricity) is shown in Fig. 2 in dash-dotted lines, with the first eccentric body 2 corresponding to the arrow 72 by 900 in the counterclockwise direction and the second eccentric body 8 corresponding to the arrow 70 is rotated by 900 clockwise.
If you hold a relative rotational position of the eccentric bodies 2 and 8 (determined by the axial position of the rod 62) and let the eccentric bodies rotate about the axis of rotation 6, all points of the holder 14 and the workpiece 20 connected to it lead parallel to themselves and normal to Axis 6 makes equal orbital movements in circular paths. The size of the orbital movements is determined by the radius of these circular paths, and this radius is equal to the resulting eccentricity Er, which is continuously and arbitrarily changed between Er = 0 and a maximum value during the common rotation of the two eccentric bodies 2 and 8 by axial displacement of the rod 62 can.
The rotary drive of the eccentric bodies 2 and 8 can take place in any way. As an example, it is indicated in FIG. 1 that the sleeve 46 mounted in a bearing 74 is provided with a ring gear 76 which meshes with a pinion 78 of a drive motor 80. Any means can be provided to generate and absorb the axial forces applied during welding, for example a ball bearing 82 between the facing end faces of the second eccentric body 8 and the holder 14, and an axial thrust bearing (not shown) at the free end of the shaft 48.
Any adjusting device can be used to adjust the rod 62 in the axial direction. In the possibility schematically indicated in Fig. 1, the rod 62 outside the shaft 48 has a flange 84 with running surfaces on both sides, and a fork 88, axially adjustable by means of a gear motor 86, engages over the flange 84 and is with the interposition of ball bearings 90 with little play with the running surfaces of the flange 84 in contact.
The gear motor 86 includes a controller 92 for the selectable adjustment of the axial position of the rod 62 and thus the resulting eccentricity Er. The drive motor 80 includes a controller 94 for the selectable setting of the speed of the drive motor 80. The controllers 92 and 94 can either be set separately or, as shown in FIG. 1, connected to one another via a control device 96 in such a way that a certain, preferably variable, dependency between the speed of the drive motor and the resulting eccentricity Er is specified.
With the device shown as an example, it is possible to start a welding process first with the resulting eccentricity zero; while the eccentric bodies 2 and 8 are rotating, the workpiece 20 remains at rest, so that the workpieces 20, 28 can be positioned precisely with respect to one another. Then, by appropriate adjustment of the push rod 62, the resulting eccentricity Er is gradually increased from zero, so that the workpiece 20 executes a circular orbital movement of the same size at all points and at the same path speed relative to the other workpiece 28. The frictional heat required for welding is generated.
The heat output depends essentially on the speed of the eccentric bodies 2, 8 and the resulting eccentricity Er, and it is easily possible, for example automatically with the help of the control device 96, to ensure that the relative speed of the workpieces 20, 28 within a certain Range of variation of the resulting eccentricity He remains constant or changes in a desired, predetermined manner. As soon as the temperature required for welding is reached in the welding surface 26 (which can be seen, for example, from the drop in the power consumption of the drive motor 80), the resulting eccentricity Er is continuously reduced to zero by shifting the rod 62 accordingly, so that finally the workpieces in one are welded together exactly the starting position corresponding mutual position.
The continuity and uniformity of the entire process ensure an optimal quality of the welded joint obtained.
The devices for generating an axial pressing force between the workpieces 20 and 28 are not shown; you can z. B. be carried out in the usual way.
There may be a balancing device which can be adjusted as a function of the resulting eccentricity set in each case so that the resulting imbalance with respect to the axis of rotation is essentially balanced for all adjustable values of the resulting eccentricity.
In the embodiment with two eccentric bodies, this can be done in that a balancing mass arranged at a predetermined distance from the axis is connected to the two eccentric bodies in a rotationally fixed manner, with the centers of gravity of the eccentric body and the balancing mass in the same axial planes in each pair of eccentric body balancing masses, however opposite sides of the axis, and that the sizes of the two balancing weights are determined by the fact that the device is balanced with two different resulting eccentricities, for example both with the resulting eccentricity zero and with the maximum resulting eccentricity. With such a design of the balancing device, there is a mass balance for all adjustable resulting eccentricities.
In the embodiment according to FIGS. 1 and 2, two balancing weights 98 and 100 are provided, which are non-rotatably connected to the eccentric bodies 8 and 2, respectively. The balancing mass 98 is fastened in an axially adjustable manner in an axial guide provided therein on the projection 66 extending from the shaft 48; A locking screw 99 is used to determine the axial position. The balancing mass 100 is attached axially adjustable in a corresponding manner to the extension 50 of the sleeve 46, and a locking screw 101 is again used to determine the axial position. The radial dimensions of the extensions 50 and 66 must of course be so It must be large that the adjustment to the maximum resulting eccentricity Er is possible without being hindered by the balancing weights 100 or 98. This is indicated in FIGS. 1 and 2.
In the case of the setting of maximum resulting eccentricity shown in dotted lines in FIG. 2, it is neglected that the two balancing masses would hinder each other.
This can easily be avoided constructively; however, this setting can also be dispensed with in practical operation.
It can be seen that the balancing masses 98 and 100 lie radially opposite the centers of gravity of their associated eccentric bodies 8 and 2 in the usual manner and both have a predetermined radial distance from the axis of rotation 6. This means in particular that when the eccentric bodies 2 and 8 are rotated relative to each other, the balancing masses 100 and 98 also only move in the circumferential direction relative to one another, but do not move in the radial direction, although the eccentric body 2, which is non-rotatably connected to the balancing mass 100, moves in the radial direction relocated. The sizes of the balancing weights 98 and 100 are determined by the requirement that the imbalance is eliminated with two different values of the resulting eccentricity, for example for Er = 0 and Er = 2E.
Then the imbalance is corrected for all other values of Er as well.
In the embodiment shown, the balancing weights can not only be shifted axially, but of course also be exchanged. This makes it possible to adapt the size and position of the balancing weights to the nature of the workpiece fastened to the holder 14. In particular, the axial adjustability of the balancing masses 98, 100 serves the purpose of allowing the balancing masses to act as much as possible in that axial area in which the imbalance forces caused by the eccentric bodies and the workpiece attached to the holder 14 also act. As a result, the resulting forces across the axis 6 are kept small. Of course, the balancing masses can also be attached in a radially adjustable manner, for example in such a way that the attachments 50 and 66 are made from two parts that are relatively adjustable in a radial guide.
Such devices are not shown in the figures.
In order to keep the imbalance low from the outset, or for other reasons, the eccentric bodies can of course also be constructed in a light, non-massive design.
It is also not necessary for all of the circumferential paths of the eccentric bodies 2, 8 and the holder 14 to be designed as continuous cylindrical surfaces in the manner shown.
Fig. 3 shows very schematically an example of another possible embodiment in which the displacement of the first eccentric body 2 relative to the axis of rotation 6 does not take place with a second eccentric body, but with a hub body adjustable in the manner of a slide guide.
The first eccentric body 2 here consists of a circular disk 102, on which the first circumferential track 10 is attached to the outer circumference in the form of a circular cylindrical annular surface. In the disk 102, a slide 104 is displaceable in a guide 106 along a diameter of the disk. The slide is attached to a hollow shaft 48 which is concentric to the axis of rotation 6. As in the embodiment according to FIGS. 1 and 2, an actuator in the form of a sleeve 46 is mounted on the hollow shaft 48 so that it can rotate but cannot be displaced axially. The sleeve 46 has a flange 108 with a toothed segment 110 which meshes with a toothed rack 112 fastened to the circular disk 102.
Thus, by rotating the sleeve 46 relative to the shaft 48, the eccentric body 2 can be continuously adjusted to various resulting eccentricities in the direction given by the slide guide 106 relative to the axis of rotation 6. In the embodiment shown in Fig. 3, means analogous to those in the embodiment of FIGS. 1 and 2 can be used for Koppe treatment and relative rotation of the sleeve 46 and shaft 48. In the cavity of the shaft 48, a push rod 62 is again mounted axially displaceably.
A pin 60 fastened to the rod 62 passes through inclined slots (not shown) which are formed in the shaft 46 or the sleeve 48, so that, as in the embodiment according to FIGS. 1 and 2, when the rod 62 is axially displaced, relative to the shaft 48 a rotation of the sleeve 46 relative to the shaft 48 and thus a corresponding adjustment of the resulting eccentricity He erigbt. The holder 14 is guided here by means of rollers 114 on the circumferential path of the eccentric body 2 and can also be moved two-dimensionally parallel to itself perpendicular to the axis of rotation 6, so that at
Rotation of the shaft 48 and the eccentric body 2 connected to it in a rotationally fixed manner via the slide guide 106 results in the desired rotational movement with the radius Er at all points of the bracket 14, as in the embodiment according to FIGS. 1 and 2.
To save weight and to
The disk 102 also reduces the imbalance forces
Holes 116 provided.
Instead of the mechanical equipment shown in FIGS. 1 to 3 for changing the resulting eccentricity He can of course also be used hydraulic, electrical and other devices. For example, a slide designed similarly to that in FIG. 3, on which the drive shaft concentric to the axis of rotation 6 is attached, can also be coupled to the eccentric body via a hydraulic adjusting device. Design and manufacture of such and other actuating devices as well as the free choice of known mechanical, electrical, pneumatic and hydraulic means for realizing constructive modifications are easily possible for the person skilled in the art.
Another advantageous embodiment of the method according to the invention is characterized in that the method parameters, in particular the contact pressure applied in the welding surface and / or the frequency and / or the size of the orbital movement, are dependent on the condition of the workpieces in the friction surface and / or on the size the friction surface can be changed. In this way, the temporal heat production per unit of the welding surface can be controlled as desired within wide limits, even if the size of the friction surface changes, e.g. B.
when welding relatively thin-walled hollow bodies on the front side, which, above a certain size of the relative rotational movement, only touch a part of their end faces with friction, this part migrating over the end face in the course of the rotational movement. In particular, in a further embodiment of the invention, there is the advantageous possibility that the frequencies and the size of the circular movement are changed in mutual dependence, preferably such that the relative movement speed of the workpieces is kept in a predetermined range, preferably remains approximately constant. For example, when reducing the size of the orbital movement (towards the end of the welding process), the frequency of the orbital movement can be increased at the same time and the relative movement speed can thus be kept approximately constant until shortly before the end of the welding process.
This procedure is favored by the fact that when the size of the relative rotational movement is reduced, the known effect occurs that the angular momentum of the rotating mass tries to increase the rotational speed.
Changing the process parameters, in particular the interdependent control or regulation of the frequency and size of the orbital movement, is also advantageous if the surfaces of the workpieces to be connected are to be smoothed before the actual welding process or if the workpieces are to be processed to a certain extent first . Such processes, in which ultimately only material removal is desired, are advantageously carried out at a high frequency, but with a small size of the relative rotational movement. It is of course possible to have such processes run fully automatically.
In series production, for example, the workpieces to be welded can be used with a relatively large excess length and, under the supervision of a gauge or length measuring device, the relative rotational movement can be shortened initially at high frequency and low, until the gauge device emits a signal when it reaches a specified target length. which causes the initiation of the actual welding process, e.g. B.
by increasing the size of the rotational movement and / or the contact pressure while reducing the rotational frequency. A change in length occurring during welding, for example the usual shortening, can of course also be taken into account accordingly. The actual welding process can also run automatically, for example, with the aid of a program control device programmed on the basis of the preliminary tests, so that the desired series product is obtained with great uniformity.
A particularly simple embodiment of the method according to the invention is characterized in that at least the one workpiece mi is set in a rotating movement about an axis running normal to the welding surface, essentially parallel to itself.
Another possible embodiment is characterized in that the two workpieces are set in mutually normal linear oscillation movements with the same frequency but with a mutually shifted phase.
This embodiment offers the particular advantage that conventional linear vibration drives can be used, the unavoidable difficulties with such linear vibration drives with regard to resonance phenomena and mechanical loads on the welding devices are often negligible compared to the fundamental advantage also present in this embodiment that the relative speed of the both workpieces never becomes zero, i.e. not even at the reversal points of the linear oscillating movements.
An embodiment is particularly advantageous which is characterized in that the orbital movement is a circular movement, the size of which is determined by its radius. In this embodiment, the relative speed of the workpieces is constant not only at all points on the welding surface, but also over time within the orbital movement, and therefore extremely even heat production is obtained even at relatively low frequencies of the orbital movement, as can be used in particular with large workpieces with all the resulting advantages.
If, in the manner described above, the rotary motion is obtained in that both workpieces each execute a linear oscillating movement, according to a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the particularly favorable circular shape of the rotary motion is obtained in that the two linear oscillating movements are also harmonized as harmonic oscillations of the same amplitude a phase shift of 900 can be performed.
4 illustrates very schematically a device in which the relative rotational movement of the two workpieces 20, 28 is achieved by the fact that the workpieces can be moved back and forth in two mutually normal directions 120 and 122 and are effective in each of these directions Vibratory drive 124 and 126 are movable. The workpieces are coupled to the vibratory drives by means of brackets 128 or 130 and touch each other in a welding surface which, in the sense of FIG. 4, is formed by the upper surface 132 of the workpiece 20 and the lower surface of the workpiece 28 and parallel to that by the two oscillation directions 120, 122 is defined plane. The oscillating drives are synchronized via a synchronizing device 134.
Furthermore, a control device 136 is provided with which the oscillation frequency as well as the relative phase position and the amplitudes of the two oscillating drives can be changed. With the aid of a conventional pressing device 138, which has a base plate 140, a press cylinder 142 and a pressure plate 144, a pressure can be exerted on the workpieces in the usual way perpendicular to the welding surface. It is of course also possible, in a known manner, to design and use one of the oscillating drives 124, 126 as a pressing device. The pressing device 138 can be controlled, for example, from the control device 136 via control lines 146.
If both vibratory drives 124, 126 operate with the same frequency and amplitude and a phase shift of 900, the result is a circular relative rotational movement of the workpieces similar to the embodiments according to FIGS. 1 to 3. If the amplitudes are different, elliptical relative rotational movements result . By deviating from the harmonic oscillation form, further modifications of the form of the relative rotational movement can be achieved. As in the case of the embodiments described in FIGS. 1 to 3, it is also possible here to control the frequency and amplitude of the oscillating movement in mutual dependence, in particular to change them in opposite directions.
This can be done, for example, in such a way that the oscillation amplitude is continuously increased from zero and reduced to zero again after the desired welding temperature has been reached, the relative speed of the workpieces being kept approximately constant at least in a certain range of amplitudes by changing the frequency accordingly.
In the embodiment according to FIG. 4, the difficulty typical of vibratory drives arises that deviations from the harmonic sequence of movements occur, particularly with heavy and large workpieces; However, this is the prerequisite for the relative movement of the two workpieces to be circular and the relative speed to be constant. In this regard, embodiments such as those according to FIGS. 1 to 3, in which at least one workpiece executes a real rotary movement, are considerably more advantageous; In addition, there is no oscillating stress on any components. It is of course also easily possible to carry out revolving movements with both workpieces.
Devices for changing the rotational speed of the eccentric body, as well as devices for the predefinable coupling of changes in the resulting eccentricity with changes in the rotational speed of the eccentric body can be provided. With devices of this type, the advantageous method procedures specified in connection with the method steps can be carried out, in which the frequency and / or the size of the orbital movement are changed individually or in mutual dependence. Corresponding device measures can of course also be provided in the embodiment with two mutually perpendicular linear oscillations.
PATENT CLAIM 1
Process for friction welding for welding surfaces with arbitrary edges, in which two workpieces to be welded are placed against one another in the welding surface and are heated to the welding temperature by a relative oscillating movement running in the welding surface, characterized in that the relative oscillating movement in the welding surface is a relative orbital movement with essentially parallel is carried out on permanent workpieces.
SUBCLAIMS
1. The method according to claim I, characterized in that at the beginning of the welding process the size of the relative orbital movement is increased from zero.
2. The method according to claim I, characterized in that towards the end of the welding process the size of the relative orbital movement is reduced towards zero.
3. The method according to claim I, characterized in that the process parameters, in particular the contact pressure applied in the welding surface and / or the frequency and / or the size of the orbital movement, depending on the condition of the workpieces in the friction surface and / or on the size of the Friction surface can be changed.
4. The method according to claim I, characterized in that the frequency and the size of the orbital movement are changed in mutual dependence, preferably in opposite directions, such that the relative speed of movement of the workpieces is kept in a predetermined range, preferably remains approximately constant.
5. The method according to claim 1 or one of the subclaims 1 to 4, characterized in that at least one workpiece is set in a circular motion about an axis running normal to the welding surface, essentially parallel to itself.
6. The method according to claim I or one of the dependent claims 1 to 4, characterized in that the two workpieces are offset in mutually normal linear oscillating movements with the same frequency, but mutually shifted phase.
7. The method according to claim I or one of the dependent claims 1 to 4, characterized in that the orbital movement is a circular movement, the size of which is determined by its radius.
8. The method according to dependent claim 7, characterized in that the radius of the circular movement to adapt to existing geometric and / or welding requirements during the welding process is changed at least temporarily, preferably continuously.
9. The method according to the dependent claims 6 and 7, characterized in that the two linear oscillating movements are executed as harmonic oscillations of the same amplitude with a phase shift of 900.
PATENT CLAIM II
Device for carrying out the method according to claim 1, in which at least one workpiece can be fastened to a holder which can be moved and driven parallel to itself, characterized in that an eccentric body (2) which can be driven about an axis of rotation (6) to drive the holder (14) is provided on which a circular orbit (4) is defined with an adjustable eccentricity with respect to the axis of rotation (6), and that the holder (14) can be moved at least two-dimensionally in an area corresponding to the orientation of the welding surface and on the orbit (4) of the Eccentric body (2) is guided so that when the eccentric body (2) rotates about the axis of rotation (6) all parts of the holder (14) execute circular movements of equal size parallel to themselves,
whose radius is equal to that of the setting
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