DD236038A1 - Verfahren zum steuern und regeln von reibschweissmaschinen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern und Regeln von Reibschweissprozessen, bei dem der Werkstoff, die Schweissteilgeometrie, die Stossflaechenvorbereitung und die Abkuehlungsgeschwindigkeit beruecksichtigt werden. Durch die Erfindung wird der Anwendungsbereich des Reibschweissverfahrens insbesondere bezueglich der verschweissbaren Werkstoffe erhoeht. Weiterhin kann weitestgehend auf eine vorherige Kennwertermittlung durch Probeschweissungen verzichtet werden. Dies wird erreicht, indem insbesondere die Aenderungsgeschwindigkeit des Reibmomentes bestimmt wird und, wenn diese einen vorgebbaren, annaehernd konstanten Wert erreicht, wahlweise der Reibschweissvorgang beendet wird oder eine Messung der Abkuehlungsgeschwindigkeit erfolgt. In Abhaengigkeit vom Messergebnis kann der Reibvorgang mit geeignet veraenderten Prozessparametern fortgesetzt werden, bis die Abkuehlungsgeschwindigkeit einen zulaessigen Wert erreicht.

Description

definierten optimalen Verschweißzustand ein Signal zum Beenden des Reibschweißprozesses oder zum Einstellen der zulässigen Abkühlgeschwindigkeit bei verringertem Reibdruck und erhöhter Reibgeschwindigkeit gegeben wird.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern und Regeln von Reibschweißprozessen, bei dem der Werkstoff, die Schweißteilgeometrie, die Stoßflächenvorbereitung und die Abkühlungsgeschwindigkeit berücksichtigt werden. Durch die Erfindung wird der Anwendungsbereich des Reibschweißverfahrens insbesondere bezüglich der verschweißbaren Werkstoffe erhöht.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, daß die Steuerung des Reibschweißprozesses heute vorzugsweise nach der Schweißzeit oder nach der Schweißteilverkürzung erfolgt.

Diese beiden Steuergrößen müssen, reproduzierbaren Zuschnitt der Schweißteile vorausgesetzt, in Abhängigkeit vom Werkstoff, der Schweißteilgeometrie, dem Reibdruck und der Reibgeschwindigkeit experimentell bestimmt werden. Das Kriterium für den notwendigen Betrag der Schweißteilverkürzung oder der Schweißzeit ist die qualitätsgerechte Reibschweißverbindung. Die Prüfung der Schweißnahtqualität erfolgt zerstörend durch den Biege- und Zugversuch sowie zerstörungsfrei durch die Ultraschallprüfung. Die so mit einem großen Aufwand ermittelten Schweißteilverkürzungen und Schweißzeiten sind Durchschnittswerte. Schwankungen in der Stoßflächenvorbereitung, der Schweißteilgeometrie und der chemischen Zusammensetzung des Werkstoffes können daher bei einmal eingestellten Arbeitswerten nicht mehr berücksichtigt werden. Der Reibschweißprozeß wird mehr oder weniger willkürlich unterbrochen. Eine Aussage über den erreichten Verschweißzustand der Stoßflächen und über das axiale Temperaturfeld kann nicht gemacht werden. Eine Regelung des Reibschweißprozesses ist auf dieser Basis nicht möglich.

Ein anderer Nachteil konventioneller Reibschweißverfahren besteht darin, daß die beiden rotationssymmetrischen Teile mit einem vorbestimmten Reibdruck belastet und mit einer vorbestimmten Reibgeschwindigkeit gegeneinander bewegt werden. Dadurch wird eine sehr schmale Zone im Bereich der entstehenden Schweißnaht auf die zum Preßschweißen notwendige Temperatur gebracht. -

Eine schmale erwärmte Zone, umgeben von einer großen Masse kalten Grundwerkstoffes, bedingt ein großes Temperaturgefälle und damit eine hohe Abkühlgeschwindigkeit. Die Bildung von Martensit im Bereich der Schweißnaht bei den aufhärtungsempfindlichen Stählen ist die Folge. Um die Martensitbildung neben der Schweißnaht bei den bedingt schweißbaren Stählen zu verhindern, ist ein Vorwärmen der Stähle notwendig. Durch das Vorwärmen mittels Brenngas-Sauerstoff-Flamme oder Induktor entsteht jedoch ein zusätzlicher technologischer Aufwand.

Die Schwierigkeit bei der Automatisierung des Reibschweißens besteht darin, daß die einzelnen Schweißungen während ihrer Anfangsstufen sehr unterschiedlich verlaufen und diese Anfangsstufen ganz verschieden lang dauern. Es sind daher bereits Vorschläge bekannt, den Reibschweißprozeß selbst zu Regelung eines Prozeßparameters (z. B. Reibdurck) zu nutzen. So kann z. B. mit einem Verfahren gemäß DE-AS 1627466 über die Vorgabe eines Solldrehmomentes automatisch der Reibdruck geregelt werden. Ausgangspunkt dieses Verfahrens ist der für das Reibschweißen typische Verlauf des zur Erzeugung der Relativdrehung notwendigen Drehmomentes; Kurz nach Beginn der Relativdrehung erreicht das Drehmoment einen Höchstwert, um nach Überschreitung des „Drehmomenten-Gipfels" relativ stetig auf einen annähernd konstanten Gleichgewichtswert abzufallen. Dabei ist das Drehmoment anfangs großen Schwankungen unterworfen, da die Berührungsflächen kalt sind und sich noch nicht aneinander angepaßt haben.

Die Lösung gemäß DE-AS 1627466 besteht nun darin, das auftretende Drehmoment zu messen und dazu zu verwenden, die Größe des Anpreßdruckes wenigstens zu Beginn der Bearbeitung zu regeln, damit das Drehmoment den annährend konstanten Dauerwert, den es während des letzten Bearbeitungsabschnittes annimmt, nicht wesentlich überschreitet.

Der Nachteil des Verfahrens jedoch besteht darin, daß das vorzugebende Solldrehmoment durch Probeschweißungen ermittelt werden muß, die bei jeder Änderung der Schweißteilgeometrie und/oder des Werkstoffes wiederholt werden müssen. Ein weiterer Nachteil des Verfahrens besteht darin, daß der zeitliche Verlauf des Reibdruckes nicht mehr als unabhängige Größe vorgegeben werden kann. Die Ausbreitung des Temperaturfeldes im Werkstück ist daher nur in geringem Maße beeinflußbar. Zur Vermeidung der Nachteile herkömmlicher Zeitsteuerungen für den Reibschweißprozeß ist es weiterhin bekannt, das Reibschweißen mittels eines automatischen Zeitgebers zu regeln. Dabei liefert das Messen der Belastung der Antriebseinrichtung (z. B. Drehmoment-Messung) kennzeichnende Punkte im Schweißprozeß, die als Ausgangspunkte für eine

automatische Zeitgebung dienen können (DE-AS 1627466). _ ..._

Nach DE-AS 1627466 kann z.B. ein Schalter so eingestellt werden, daß er auf einen Kraftwert anspricht, der auftritt, wenn das Drehmoment seinen Dauerwert erreicht hat. Auf diese Weise kann der Schalter einen automatischen Zeitgeber auslösen, der das Abbremsen des rotierenden Werkstückes und das Aufbringen des Stauchdruckes veranlaßt. Der Nachteil auch dieses Verfahrens besteht jedoch darin, daß der den Schalter auslösende Drehmoment-Wert durch Probeschweißungen ermittelt werden muß. Bei einem, anderen bekannten Verfahren wird die Temperatur der Stoßflächen meßtechnisch erfaßt und zur Steuerung sowie Qualitätskontrolle der Schweißung verwendet. Das Ziel dieses Verfahrens gemäß DE-OS 2742788 besteht u. a. darin, die Ausdehnung der wärmebeeinträchtigten Zone beiderseits der Schweißnaht einzuschränken und dennoch stets zu gewährleisten, daß die notwendige Schweißtemperatur erreicht wird. Dies gelingt, indem die Abbremsung dann eingeleitet wird, wenn der die Stoßflächentemperatur erfassende Meßwertgeber das Erreichen der vorgegebenen Schweißtemperatur signalisiert

Zusätzlich wird bei diesem Verfahren eine Fehleranzeige bewirkt, wenn

a) innerhalb einer bestimmten Vorwärmezeit die notwendige Schweißtemperatur nicht erreicht wird und

b) die Schweißtemperatur in der Schweißzone länger als eine festgelegte Zeitdauer bestehen bleibt.

Eine derartige Steuerung des Reibschweißprozesses ist in ähnlicher Form auch bereits aus der DE-AS 1911040 bekannt. Auch hierbei wird die Stoßflächentemperatur mit einem optischen Pyrometer erfaßt und dessen temperaturabhängiges Ausgangssignal zur Auslösung des Abbremsens und Stauchens verwendet.

Sowohl das Verfahren nach DE-AS 1911040 als auch das Verfahren nach DE-OS 2742788 erfordern jedoch die Durchführung von Probeschweißungen, um den vorgegebenen Temperatur-Sollwert zu ermitteln.

Es ist weiterhin ein Verfahren bekannt (DE-OS 1627482), bei dem der Reibschweißprozeß durch eine Zeitplansteuerung der Drehgeschwindigkeit beeinflußt wird. Dabei wird davon ausgegangen, daß eine Drehung der zu verschweißenden Teile oberhalb eines bestimmten Geschwindigkeitsbereiches hauptsächlich zur Erwärmung der Teile führt. Eine Drehung der Teile unterhalb eines bestimmten Geschwindigkeitsbereiches bewirkt dagegen hauptsächlich eine starke plastische Verformung der Reibzone. Dieser Effekt wird genutzt, um z.B. durch periodische Änderung der Drehgeschwindigkeit zu erreichen, daß sich die Erwärmung radial über die Stoßfläche ausbreitet. Diese Arbeitsweise ist besonders dann vorteilhaft, wenn Teile mit großem Durchmesser und demzufolge großem Geschwindigkeitsgradienten zu schweißen sind, weil nur dann eine verhältnismäßig gleichmäßige radiale Temperaturverteilung erzielt werden kann. Leider hat auch dieses Verfahren den Nachteil, daß der vorzugebende optimale zeitliche Verlauf der Drehgeschwindigkeit mittels aufwendiger Probeschweißungen ermittelt werden muß.

Ein weiterer bekannter Effekt besteht darin, daß der Temperaturverlauf in der Umgebung der Stoßflächen durch die Wahl des Reibdruckes beeinflußt werden kann. Dies wird in dem Verfahren gemäß DE-AS 2220898 genutzt, um während des Abbremsens einen zeitweiligen Temperaturanstieg zu erzeugen, indem bereits während des Abbremsens der Reibdruck auf einen dem Stauchdruck entsprechenden Wert erhöht wird. Dadurch wird die Temperatur der entstehenden Schweißnaht unmittelbar nach Beendung der Werkstückdrehung auf einem genügend hohen Niveau gehalten und die Abkühlung verzögert. Allerdings erfordert die Anwendung auch dieses Verfahrens, daß aufwendige Probeschweißungen zur Festlegung der Schweißparameter durchgeführt werden. Weiterhin ist zu beobachten, daß die mit diesem Verfahren zu erzielende Verringerung der Abkühlungsgeschwindigkeit oftmals nicht ausreicht, um bei schwer schweißbaren Eisenwerkstoffen die erforderliche Qualität der Schweißverbindung zu gewährleisten.

Ziel der Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Steuern und Regeln des Reibschweißprozesses zu schaffen, das die Nachteile bekannter Verfahren beseitigt und Reibschweißverbindungen stets gleichbleibender Qualität gewährleistet.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein die Zusammensetzung des Werkstoffes, die Schweißteilgeometrie und die Stoßflächenvorbereitung berücksichtigendes unkompliziertes Verfahren zum Steuern und Regeln des Reibschweißprozesses zu schaffen, das unabhängig von vorhergehenden Probeschweißungen einen optimalen Verschweißzustand und eine geeignete Abkühlgeschwindigkeit gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der zur Erzeugung der Relativdrehung der Schweißteile notwendige und für den Reibschweißprozeß charakteristische zeitliche Verlauf des Reibmomentes (Figur 1) während des Reibungsvorganges gemessen wird. Bei Erreichen des durch die Bedingungen

- ^MR1 > ^MR2 ⁽¹⁾

^dMR '

- -rrr- ft* const

dt

definierten Prozeßzustandes wird ein Signal zum Beenden des Reibschweißvorganges oder, bei bedingt schweißbaren Stählen, zur Messung der axialen Temperaturverteilung T = T (x) aus der die Abkühlungsgeschwindigkeit berechnet werden kann, ausgelöst. In Abhängigkeit vom Meßergebnis wird bei Erfüllen der Bedingung

der Reibschweißvorgang beendet oder bei verringertem Reibdruck und erhöhter Reibgeschwindigkeit fortgesetzt, bis die Abkühlungsgeschwindigkeit den zulässigen Wert Vz erreicht hat.

Es wurde gefunden, daß die Bedingung (1) notwendig und hinreichend dafür ist, daß durch den Reibvorgang eine tiefgreifende Stoßflächenaktivierung erfolgt, die wiederum Voraussetzung für qualitätsgerechte Reibschweißverbindungen ist. Die Bedingung (1) beinhaltet insbesondere das Auftreten eines maximalen Reibmomentes Mri zu einem Zeitpunkt t-i nach Beginn des Reibvorganges und das nachfolgende Absinken des Reibmomentes unter diesen Maximalwert.

Dieser zeitliche Verlauf kann zur Steuerung und Regelung des Reibschweißprozesses genutzt werden. Hierbei wird die Änderungsgeschwindigkeit des Reibmomentes bestimmt und das Erreichen desjenigen Prozeßzustandes signalisiert, bei dem entsprechend Bedingung (2) die Änderungsgeschwindigkeit einen vorgebbaren, annähernd konstanten Wert annimmt. Damit kann der optimale Verschweißzustand der Stoßflächen weitestgehend ohne vorherige Kennwertermittlung durch Probeschweißungen bestimmt werden. Der Zeitpunkt für die Beendung des Reibschweißvorganges bzw. für die vorzugsweise vorher durchzuführende Messung der Abkühlungsgeschwindigkeit ist somit aus dem Prozeßverlauf fixierbar.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Abkühlungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von den ermittelten Meßwerten ohne zusätzliche Wärmequellen beeinflußt werden kann.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt

Figur 1: die schematische Darstellung deszeitlicheen Reibmomentverlaufes, Figur2: die Blocksymboldarstellung der Steuerung und Regelung des Reibschweißprozesses.

Im Ablauf des geschilderten Prozesses ergeben sich folgende Bezugsgrößen:

— die prozeßunabhängigen Größen

ν Reibgeschwindigkeit,

U Mdtorspannung,

ρ Reibdruck,

W Werkstoff,

G Schweißteilgeometrie

- die Regelgrößen

^X1 ⁼

-die Fuhrungsgrößen

S ζ

1*

^MR1

- die Stellgrößen

^yi ^{= X}1 - ^W1'

^y2 ^{= X}2 "

^{= X}3 -

^y3.2 ^{= P}min -^{p =} * ^^P'

Zum Steuern und Regeln des Reibschweißprozesses werden dem Steuerautomaten drei Führungsgrößen vorgegeben (Figur 2), die gut meßbar sind und sich aus den Gesetzmäßigkeiten des Reibschweißprozesses unabhängig von der Art des Werkstoffes und der Schweißteilgeometrie sowie dem Betrag des Reibdruckes und der Reibgeschwindigkeit selbst ergeben:

= const

W ^Mr1

W₂ =

^W3 ~ St - ^a 3>_χ2 = ^Vz

Während des Reibvorganges wird ständig das Reibmoment, beispielsweise mit einem Drehmomentmesser, gemessen und das Ergebnis dem Steuerautomaten mitgeteilt. Der optimale Verschweißzustand der Stoßflächen ist erreicht, wenn das Meßergebnis mit den Führungsgrößen W₁ und W₂ übereinstimmt. Gleichzeitig wird während des Reibvorganges die Temperatur axial an mehreren Punkten, beispielsweise thermovisuell, gemessen. Aus diesen Messungen wird vom Steuerautomaten die Abkühlungsgeschwindigkeit berechnet und mit der Führungsgröße W₃* die zum Einstellen der erforderlichen Zähigkeit der Schweißverbindung einem ZTU-Diagramm entnommen wurde, verglichen. Ist sie kleiner oder gleich, dann kann der Reibschweißprozeß beendet werden. Ist die Abkühlungsgeschwindigkeit bei Erreichen der Führungsgrößen W-i und W₂ größer als die zulässige, dann gibt es zum Einstellen der erforderlichen axialen Temperaturverteilung mehrere Möglichkeiten:

1. Der Reibschweißprozeß wird bei unverändertem Reibdruck und bei unveränderter Reibgeschwindigkeit solange fortgesetzt, bis sich das erforderliche Temperaturfeld eingestellt hat. Sehr große Schweißteilverkürzungen sind die Folge.

2. Das erforderliche Temperaturfeld wird durch die Verringerung des Reibdruckes bei gleichzeitiger Erhöhung der Reibgeschwindigkeit erbracht. Ist die zulässige Abkühlungsgeschwindigkeit erreicht, kann entsprechend der erbrachten Technologie der Reibschweißprozeß vollendet werden.

Die zusätzlichen Schweißteilverkürzungen sind sehr klein

Als Beleg für die Schweißnahtqualität dient folgender Ausdruck des Steuerautomaten:

M_R = . f Ct)

te und ^xt für -

Claims (2)

1. Erfindungsanspruch:

   Verfahren zum Steuern und Regeln des Reibschweißprozesses, gekennzeichnet dadurch, daß der zeitliche Verlauf des Reibmomentes M_R = M_R (t) und die axiale Temperaturverteilung T = T (x) gemessen werden und bei Erreichen des durch die Bedingungen
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