CN107249808A - 用于摩擦焊接的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于摩擦焊接工件(2，3)的一种装置和一种方法，工件在摩擦阶段(R)中，在发生摩擦接触并存在摩擦压力(p)的情况下，在围绕处理轴(8)的相对转动中通过摩擦热被塑化并焊接。通过使一工件(3)轴向进给所施加的摩擦压力(p)在摩擦阶段(R)持续期间优选斜坡形地改变和增加。

Description

用于摩擦焊接的方法和装置
技术领域
本发明涉及具有方法和装置主权利要求前序部分所述特征的、用于对工件进行摩擦焊接的一种方法和一种装置。
背景技术
这类用于摩擦焊接的方法和装置在实践当中是已知的。它们被用于直径相对较小的工件。在摩擦阶段中，以恒定的摩擦压力进行加工。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的摩擦焊接技术。
本发明的目的通过方法和装置主权利要求中的特征来实现。
根据本发明的一个基本方面提出：摩擦压力(p)在摩擦阶段(R)持续期间被改变和增加。摩擦焊接装置的按压装置可以被相应地控制。优选所给定的压力范围的变化和增加在大约4N/mm2和100N/mm2之间。特别有利的是压力范围具有从初始开始大约5N/mm2到80N/mm2的增加。替代地，在所述基本方面的情况下也可以给出其他的压力范围，特别是摩擦压力的更高的端部值(Endwerte)。从属权利要求中的特征也涉及到所述的基本方面。特别有利的是将这些特征与规定的压力范围相结合，其中，这些特征也可以使用在其他的压力范围并与其相组合。
摩擦焊接技术，即用于摩擦焊接的方法和装置，具有如下的优点：通过在摩擦阶段改变和增加摩擦压力，可以附加地和更好地对过程中的发热条件和发热影响进行控制和优化。特别是可以通过在摩擦阶段才升高的摩擦压力来影响在工件之间的接触和连接部位附近的热输入和温度分布，从而能够积极地影响对硬化产生影响的最大温度和冷却速度。
降低在这些构件中出现的最大温度有利于金属工件、特别是由碳含量较高的钢所制成的工件的组织形态，这些工件在高冷却速度的情况下趋向于硬化和变脆。后者特别是对于具有动态应力的摩擦焊接构件而言不利于强度和使用寿命。通过降低冷却速度可以避免或至少显著地减少这种硬化和动态强度问题。在此，可以根据工件材料的加热和冷却特性来调整摩擦压力的升高。
已经证实：在摩擦阶段持续或连续地增加摩擦压力是有利的。这种增加可以线性斜坡地进行，这特别有利于由碳含量较高的钢制成的工件。替代地，这种摩擦压力增加也可以逐级地或阶梯式地进行。此外，在摩擦压力增加期间可以发生波浪式的压力波动。
此外已经证实：使摩擦压力在大部分摩擦阶段期间或整个摩擦阶段期间发生改变和增加是有利的。特别是可以通过从低的初始压力水平开始来延迟压力增加，或者采用会随时间偏移的压力增加。在摩擦阶段终止时的摩擦压力要高于摩擦阶段开始时的摩擦压力。
根据本发明的摩擦焊接技术具有更多的优点。该摩擦焊接技术特别是能够使在接触和连接部位上的摩擦有效的直径明显大于目前常规的摩擦有效的直径的工件实现摩擦焊接。这种工件的摩擦有效的直径可以为200mm或更大，优选为500-650mm。
此外，可以在工件相对运动时以高转速和相对于现有技术明显提高的圆周速度在接触和连接部位上进行加工。工件可以在摩擦阶段(R)在接触部位上例如以5米/秒或更快的优选为12-17米/秒的圆周速度相对于彼此转动。摩擦压力(p)和驱动转速可以在摩擦阶段(R)期间被相应地匹配和调整。摩擦焊接装置可以被相应地控制。低的初始压力会导致在仍然是刚性接触的工件边缘上产生相应很小的摩擦阻力。摩擦压力能够随着工件边缘的逐渐增加的摩擦生热和塑化而增加。工件优选被构造为管，或者在摩擦焊接连接的区域中具有至少一个管状部分。
通过根据本发明的摩擦压力增加，可以使摩擦焊接装置采用较弱的转动驱动器，或替代地可以对在接触和连接部位上具有明显增大直径的工件进行摩擦焊接。在已知的具有非常高的初始摩擦压力并在摩擦阶段保持恒定不变的摩擦焊接技术中，当工件具有大的摩擦焊接直径时，阻力力矩对于常规的转动驱动器而言过高，因此这样的工件或者不能被摩擦焊接，或者为此需要非常特殊和尺寸超大的摩擦焊接装置。
通过根据本发明的始于明显较低的初始压力的摩擦压力增加，可以在摩擦阶段开始时降低阻力力矩，从而使得常规的摩擦焊接机器的转动驱动器可以起动。然后，摩擦焊接压力可以逐步地增加，其中，正在运转的转动驱动器的和/或质量体的惯性力矩足以克服所增加的阻力并维持工件摩擦生热所需的相对转动和热输入。此外，在初始阶段还可以适宜地使该低的摩擦压力先在一定时间保持恒定不变，而后再增加。在此情况下，线性坡道函数同样是有利的。
通过根据本发明的摩擦焊接技术，即使在工件直径很大的情况下也能够以例如大约500转/分钟的高转速进行加工。这会由于直径大小而导致在接触和连接区域上有着明显较高的圆周速度。通过优选缓慢的摩擦压力增加和高的圆周速度，能够有利地仅有一狭窄的接触和连接区域被液化，在此还能够喷射出熔化的材料颗粒。在此期间还伴随着发生工件生热的热排放和均匀化以及接触和连接区域上的最大温度的降低。这些效果对于摩擦焊接处理、热和能量分配以及在摩擦焊接的连接区域中形成均匀的材料结构和组织结构都是有利的。该效应对于之前提到的冷却速度和避免硬化和变脆也有着积极的辅助作用。
摩擦焊接装置可以具有控制器，利用该控制器相应地操控摩擦焊接装置的按压装置和转动装置，以实现对根据本发明的方法的转换。该控制器可以是可编程的并特别是包括摩擦焊接程序。另外，还可以补充编入技术数据库，该技术数据库包含用于不同的工件配对的摩擦焊接参数或者用于产生和计算这种摩擦焊接参数的计算依据。此外，还可以实现对轴向位移、摩擦焊接缩短以及所制成的焊接部件的总长度的控制或调节。
工件、特别是这种具有非常大的摩擦焊接直径的工件被构造为管形件。这些工件以适当的方式、特别是是借助于夹紧装置被紧固在工件收纳部中。为了传递高的力矩，需要大的径向夹紧压力，这些大的径向夹紧压力被加载给工件。根据本发明设置的支撑装置支持该夹紧压力并避免了工件变形。
根据本发明的摩擦焊接技术特别有利于工件的相对转动运动和相对环绕运动。替代的，根据本发明的摩擦焊接技术可以通过相应的调整使用在其他的摩擦焊接技术和相对运动的运动学中，在此，例如该相对运动是振荡发生的和/或存在线性运动分量和/或摆动运动或类似的运动。
本发明的其他优选的设计方案在从属权利要求中给出。
附图说明
在附图中示例性和示意性地示出了本发明。其中：
图1以示意图示出了一种摩擦焊接装置，
图2示出了根据本发明的转速时间曲线和摩擦压力时间曲线。以及
图3示出了根据现有技术的转速曲线和摩擦压力曲线。
具体实施方式
本发明涉及用于对工件(2，3)实行摩擦焊接的一种方法和一种装置(1)。
工件(2，3)可以是任意的形式和大小，并且可以由任何适用于摩擦焊接的材料制成。优选地，工件被构造为管形件，或者在摩擦焊接连接的区域中具有至少一个管状部分。
工件(2，3)优选由金属制成。在下面的实施例中，这些工件由碳含量较高的钢制成，其在冷却速度较高的情况下趋向于硬化。原则上，工件(2，3)可以由相同或不同的材料制成。特别是可以在熔融温度和导热能力上存在区别。例如可以对钢与由铁金属和非铁金属等制成的铸造材料的材料配对进行摩擦焊接，特别是金属铸件与石墨夹杂件的材料配对。此外，非金属性的摩擦焊接配对件也是可行的。
在所示出的实施例中，工件(2，3)在接触和连接部位(4)上具有非常大的摩擦有效的直径。该直径为200mm或更多。优选地，该直径大于350mm，特别优选在500mm和650mm之间的范围内。
为了进行摩擦焊接，这些待连接的工件(2，3)沿着中心处理轴(8)轴向相对运动并挤压，以及围绕处理轴(8)彼此相对并环绕地转动。在相对转动时，工件(2，3)在接触和连接部位(4)上以一定的摩擦压力(p)轴向相对按压。由于摩擦阻力而有热量被引入到接触和连接部位(4)中，该热量导致工件(2，3)在该区域中发生硬化和熔焊。最后，通过一定的镦锻行程将工件(2，3)挤压在一起，在此，提前或同时终止相对转动。
在摩擦焊接过程开始时，工件(2，3)轴向地间隔开，在此，一工件(2)开始转动运动。然后，工件(2，3)通过进给沿轴向靠近并发生物理接触，在此，通过轴向的按压力F在环绕的接触和连接区域(4)上获得摩擦压力(p)。在该变型方案中，急速地启动在已经转动的工件(2)中的进给。在工件发生接触时开始的压力增加被标记为待焊接工件端侧边缘的实际位姿，并作为所谓的零位置存储在分析装置。该零位置对于控制或调节焊接部件的进给运动和所期望的最终长度以及工件缩短是有重大意义的。
在另一变型方案中，工件(2，3)可以首先在没有相对转动的情况下发生物理接触，以便能够通过压力增加来探测所述的零位置和实际位姿。随后将这些工件再次隔开，在此开始相对转动并同时进行轴向进给。在这两种变型方案中，是在发生物理接触的情况下达到额定转速(n)。
从该带有相对转动的物理接触起开始摩擦阶段(R)，在该摩擦阶段中，工件边缘在接触和连接区域(4)中在摩擦压力(p)下由于热量而被塑化，并可能在该部位(4)上径向形成摩擦隆起，并且工件(2，3)相应地进一步轴向彼此接近。在该摩擦阶段结束时，这种相对转动或者转动的工件(2，3)可以被制动，在此，轴向挤压力(F)会同时或之后不久在所谓的镦锻行程中明显提高。
图3示出了按照已知的现有技术，在将具有相应尺寸的摩擦焊接装置应用于大摩擦有效的直径和大约3米/秒的常见圆周速度时摩擦压力(p)和转速(n)的曲线图。摩擦压力(p)在摩擦阶段(R)开始时就已经非常高并在摩擦阶段期间保持恒定。常规的压力值例如在大约80N/mm2。额定转速或公称转速(n)在启动阶段之后同样是恒定的并大约为100转/分钟。这种具有常规焊接参数(p，n)的摩擦焊接方法需要有非常强的转动驱动器和超大尺寸的机器设计。
如图2所示的曲线图示出了根据本发明的摩擦焊接方法。在此所示出的实施例涉及由钢制成的工件(2，3)，其中，至少一个工件(2，3)具有更高的碳含量并且是容易硬化的。工件(2，3)的摩擦有效的直径为560mm。
在摩擦阶段(R)开始时，摩擦压力(p)明显低于根据现有技术的摩擦压力。该摩擦压力例如为大约5N/mm2。该摩擦压力最初在一定的时间内保持较低的水平，然后斜坡形地线性上升并在摩擦阶段(R)终止上升至例如80N/mm2的摩擦压力。
直至开始压力增加的偏移或时间延迟可以与启动阶段相互关联直至达到额定或公称转速(n)。一旦达到额定转速，摩擦压力(p)就将升高。在摩擦阶段(R)终止时，摩擦压力与根据图3的现有技术中的摩擦压力大约处于同一水平。
根据图2，在根据本发明的摩擦焊接方法中，转动驱动器(6)的公称转速(n)高于根据图3的现有技术。该公称转速大约为500转/分钟。在启动阶段结束后，该公称转速同样保持恒定至摩擦阶段(R)结束，然后优选突然被制动。
在该实施例中，在额定或公称转速(n)的情况下，在接触和连接区域(4)上能够获得大约14.4米/秒的圆周速度。该圆周速度大大高于根据现有技术的圆周速度，在现有技术中，圆周速度大约为1-5米/秒。
对于其他的实施例和摩擦焊接配对可以获得另外的参数。优选地，摩擦压力(p)在摩擦阶段中是在大约4N/mm2和100N/mm2之间的范围内增加。在摩擦阶段结束时，摩擦压力在任何情况下都比开始时更高。与所示出实施例的不同之处在于：摩擦压力(p)可以一级或多级地并且也可能是以阶梯式的跃变或以分梯级的斜坡函数增加。在摩擦阶段(R)期间，摩擦压力(p)优选始终或者连续地改变和增加。这种压力增加也可以按照非线性曲线函数的形式进行。
接触和连接区域(4)上的圆周速度可以根据可变的摩擦有效的直径来变化。该圆周速度优选为5米/秒或超过5米/秒。优选是在12米/秒和17米/秒之间的区域。预先给定的转速(n)可以相应地变化。
前面提到的实施例和变型方案涉及到摩擦焊接与用于相对运动的连续电动驱动器和对该电动驱动器的主动制动。这些实施例和变型方案针对带有惯性力矩的飞轮焊接和关断的转动驱动器相应具有另外的形式。
在所示出的优选实施方式中，摩擦焊接装置(1)具有台架(5)，在该台架上静止地或可轴向运动地设置有机器头，该机器头具有用于工件(2)的被耦接的工件收纳部(10)和转动装置(6)。此外，在台架(5)上设有按压装置(7)，该按压装置具有用于另一工件(3)的工件收纳部(11)。如图1所示，该按压装置例如可以与机器头轴向对置地设置。
在所示出的实施例中是对两个工件(2，3)进行摩擦焊接。在未示出的其他变型方案中有可能是所谓的双头摩擦焊接机，在这些双头摩擦焊接机中，可以在一个过程中使三个或更多个工件彼此摩擦焊接。
在所示出的实施例中，转动装置(6)具有驱动马达，该驱动马达使设置在主轴上的工件收纳部(10)围绕处理轴(8)转动。该转动装置可以是直接驱动器，或者是带有中间联接传动机狗的驱动器。转动装置(6)还可以具有制动装置。
在另一种未示出的实施方式中，转动驱动器可以被设计为飞轮驱动器，其中，驱动马达使飞轮质量体置身于围绕处理轴(8)的转动中，于是飞轮质量体向摩擦焊接过程中引入所需要的动能。
在各种不同的实施方式中，驱动马达优选为可控和可调节的电动机。驱动马达可以被设计为直流电机或交流电机，特别是三相电机。
按压装置(7)负责工件(2，3)沿路径(s)的轴向接近并提供在此起作用的挤压力或摩擦力(F)。为此，按压装置(7)可以按照任意的方式构造和设计。按压装置可以产生轴向拉力或压力。
在所示出的优选的实施例中，按压装置被设计为进给装置(14)。该进给装置具有用于使工件收纳部(11)沿着处理轴(8)前进的进给驱动器(15)。该进给驱动器例如被构造为液压缸。替代地，也可以构造为其他的线性驱动器，特别是是电主轴驱动器等。进给驱动器(15)是可控的，并通过与合适的用于确定力和/或路径的传感装置相结合而是可调节的。
在所示出的实施例中，例如静止设置在台架(5)上并受到支撑的进给驱动器(15)借助于杆式进给机构作用在可轴向运动地支承在台架(5)上的保持器(16)上。工件收纳部(11)被固定地或可松脱地紧固在保持器(16)上。
工件收纳部(10，11)可以按照任意适当的方式构成。在所示出的实施例中，工件收纳部配备有夹紧装置(12)，该夹紧装置分别将工件(2，3)沿径向从外部或从内部夹紧。夹紧装置(12)例如可以具有夹紧卡盘，该夹紧卡盘具有两个或更多个可径向调节的夹紧爪。
为了能够支撑夹紧力，可以在工件(2，3)上设置支撑装置(13)，该支撑装置与夹紧装置(12)相对置并反作用于夹紧装置，在此，该支撑装置支撑夹紧力和工件(2，3)。支撑装置(13)例如设置在转动工件(2)中，但是也可以位于两个或所有的工件(2，3)上。该支撑装置可以通过工件(2，3)的中空空间与对应的工具容纳部(10，11)连接并被保持。
摩擦焊接装置(1)具有优选可存储器编程的控制器(9)，该控制器连接不同的机器组件，特别是连接转动驱动器(6)、进给驱动器(15)以及用于确定摩擦焊接时摩擦焊接配对件所经过的路径和作用力的传感装置。控制器(9)控制摩擦焊接装置(1)，并为了执行前述的摩擦焊接方法而以相应的方式控制摩擦焊接装置的组件。该控制器可以包含一个或多个被存储的摩擦焊接程序。该控制器也可以具有技术数据库以及适当的包括有输入和输出接口的运算单元，该技术数据库具有已完成的或待计算的摩擦焊接参数。
前述的实施例和所提到的变型可以任意地变化。特别是可以将不同的实施例和变型的特征任意地相互组合，并且还可以根据需要进行交换。
特别是工件(2，3)之间的相对运动还可能有其他的运动学，并且摩擦焊接装置(1)可能有相应不同的结构设计。
在其他的摩擦焊接装置、特别是双头摩擦焊接装置中，可以设置有多重的转动驱动器(6)和按压装置(7)的其他结构设计。特别是通过按压装置(7)前推的保持器(16)可以包含转动驱动器(6)，在此，在转动的工件之间设有一个或多个优选相对抗扭地保持的其他工件。按压装置(7)也可以与在两侧轴向运动的机器头连接，并相对于机器头以及相对于用于第三工件或其他工件的中央保持器轴向运动。
另外，在根据图1的一种变型中，按压装置(7)还可以在单头摩擦焊接机器的情况下在从动侧支撑在静止的保持器(16)上，在此，所述的机器头在轴向进给时相对于位于静止的保持器(16)上的工件(3)运动。在一种设计方案中，进给装置(14)可以通过带有壳体连接部的气缸在可轴向运动的机器头或主轴杆上形成。
摩擦焊接装置(1)特别是也可以被构造为双重的单头摩擦焊接机，其具有：一共有的、静止的中央支撑装置或保持器(16)，其在两侧具有工件收纳部(11)；以及镜像对称设置的机器头，这些机器头分别具有自己的转动驱动器(6)包括按压装置7。在该实施方式和另外的实施方式中，按压装置(7)可以设置在如图1所示的具有转动驱动器(6)的、静止的或可轴向运动的机器头上并施加拉力。
附图标记列表
1 摩擦焊接装置
2 工件
3 工件
4 接触部位、连接区域
5 台架
6 转动装置
7 按压装置
8 处理轴
9 控制器
10 工件收纳部
11 工件收纳部
12 夹紧装置
13 支撑装置
14 进给装置
15 进给驱动器，气缸
16 保持器
F 按压力，压紧力，摩擦力
p 摩擦压力
n 转速
s 进给路径
R 摩擦阶段
S 压紧阶段。

Claims (23)

1.一种用于对工件(2，3)进行摩擦焊接的方法，所述工件在摩擦阶段(R)中，在发生摩擦接触并存在摩擦压力(p)的情况下，在相对运动中，特别是围绕处理轴(8)的相对转动中，通过摩擦热被塑化并被焊接，其特征在于，所述摩擦压力(p)在所述摩擦阶段(R)持续期间在大约4N/mm2和100N/mm2之间的范围内改变和增加。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工件(2，3)被构造为管状件或在摩擦焊接连接的区域中具有至少一个管状部分。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述摩擦阶段(R)期间连续地、特别是以线性斜坡的形式改变和增加所述摩擦压力(p)。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，在大部分或整个摩擦阶段(R)期间连续地改变和增加所述摩擦压力(p)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将所述摩擦压力(p)在所述摩擦阶段(R)期间从初始的5N/mm2增加至80N/mm2。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，沿着所述处理轴(8)施加所述摩擦压力(p)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在紧随所述摩擦阶段(R)的压紧阶段(S)中以增加的按压力(F)沿轴向相对按压所述工件(2，3)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对摩擦有效的直径为200mm或更多的、优选为500-650mm的工件(2，3)进行摩擦焊接。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对由金属、特别是高碳含量的钢制成的工件(2，3)进行摩擦焊接。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述摩擦阶段(R)期间以大约500转/分钟的转速(n)彼此相对转动所述工件(2，3)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述摩擦阶段(R)期间在接触部位(4)上以5米/秒或更快的、优选12-17米/秒的圆周速度彼此相对转动所述工件(2，3)。
12.一种用于对工件(2，3)进行摩擦焊接的装置，所述工件在摩擦阶段(R)中，在发生摩擦接触以及在按压力(F)的作用下，在相对运动中，特别是在围绕处理轴(8)的相对转动中，通过摩擦热被塑化并焊接，其中，摩擦焊接装置(1)具有：工件收纳部(10，11)；相对运动装置(6)、特别是转动装置；用于所述工件(2，3)的按压装置(7)；以及控制器(9)，其特征在于，以如下方式控制所述按压装置(7)：使摩擦压力(p)在所述摩擦阶段(R)持续期间在大约4N/mm2和100N/mm2之间的范围内改变和增加。
13.根据权利要求12所述的摩擦焊接装置，其特征在于，以如下方式控制所述按压装置(7)：使所述摩擦压力(p)在所述摩擦阶段(R)持续期间从初始的5N/mm2增加至80N/mm2。
14.根据权利要求12或13所述的摩擦焊接装置，其特征在于，所述摩擦压力(p)在所述摩擦阶段(R)期间连续地、特别是以线性斜坡的形式增加。
15.根据权利要求12、13或14所述的摩擦焊接装置，其特征在于，以如下方式控制所述按压装置(7)：使所述摩擦压力(p)在大部分或整个摩擦阶段(R)期间连续地改变和增加。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的摩擦焊接装置，其特征在于，所述转动装置(6)和所述按压装置(7)沿着中心的处理轴(8)设置和起作用。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的摩擦焊接装置，其特征在于，以如下方式控制所述按压装置(7)：通过已增加的压紧力(F)，使所述工件(2，3)在紧随所述摩擦阶段(R)的压紧阶段(S)中沿轴向彼此相对按压。
18.根据权利要求12至17中任一项所述的摩擦焊接装置，其特征在于，所述摩擦焊接装置(1)被设计用于摩擦有效的直径为200mm或更多的、优选为500-650mm的工件(2，3)。
19.根据权利要求12至18中任一项所述的摩擦焊接装置，其特征在于，所述摩擦焊接装置(1)被设计用于由金属、特别是高碳含量的钢制成的工件(2，3)。
20.根据权利要求12至19中任一项所述的摩擦焊接装置，其特征在于，以如下方式控制所述转动装置(6)：使所述工件(2，3)在所述摩擦阶段(R)期间以大约500转/分钟的转速(n)彼此相对转动。
21.根据权利要求12至20中任一项所述的摩擦焊接装置，其特征在于，以如下方式控制所述转动装置(6)：使所述工件(2，3)在所述摩擦阶段(R)期间在接触部位(4)上以5米/秒或更多的、优选为12-17米/秒的圆周速度彼此相对转动。
22.根据权利要求12至21中任一项所述的摩擦焊接装置，其特征在于，所述摩擦焊接装置(1)被设计用于被构造为管形件或在摩擦焊接连接的区域中具有至少一个管状部分的工件(2，3)。
23.根据权利要求12至22中任一项所述的摩擦焊接装置，其特征在于，一工件收纳部(10，11)具有夹紧装置(12)和能设置在所述工件(2，3)上的支撑装置(13)，所述支撑装置用于支撑所述工件(2，3)抵抗夹紧力。
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