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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Rotationsreibschweißen von Fügeteilen.
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Das Rotationsreibschweißen wird zum Beispiel eingesetzt, um Mischverbindungen - zum Beispiel aus Stahl und Grauguss - zuverlässig auszubilden. Auf Grund unterschiedlicher Werkstoffeigenschaften - zum Beispiel in Bezug auf die Wärmekapazität, die Wärmeleitung und die Warmfestigkeit - ist die Fügezone zwischen den unterschiedlichen Materialien und insbesondere bei Stahl und Grauguss grundsätzlich asymmetrisch aufgebaut.
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Aus der
CN 105252135 A sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auftragsschweißen bekannt, bei welchen eine Kombination von Vorheizen und Kühlen aufzutragender bzw. zu beschichtender Metallkomponenten erfolgt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Rotationsreibschweißen anzugeben, bei welchen trotz asymmetrischer Materialwahl eine Schweißverbindung mit einem hohen Maß an Symmetrie ausgebildet werden kann.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einem Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und bei einer Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Rotationsreibschweißen von Fügeteilen geschaffen, bei welchem
- (i) ein erstes Fügeteil und ein zweites Fügeteil durch eine drehende Bewegung relativ zueinander in Rotation versetzt und unter Beibehaltung der Rotation miteinander in einer gemeinsamen Fügezone unter Vortrieb und Druck in mechanischen Kontakt gebracht werden,
- (ii) durch Rotation, Vortrieb und Druck in der Fügezone Reibungswärme und in Folge plastifizierte Bereiche von Materialien der ersten und zweiten Fügeteile erzeugt werden und
- (iii) unter Aufrechterhaltung des Vortriebs und des Drucks die Rotation zwischen den Fügeteilen abgebremst und gestoppt wird und die plastifizierten Bereiche erkalten und erstarren, also verfestigt werden,
- (iv) wobei mindestens eines der Fügeteile zumindest temporär während des mechanischen Kontakts der Fügeteile gekühlt wird.
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Durch das erfindungsgemäße Vorgehen ist es möglich, den unterschiedlichen Materialien der ersten und zweiten Fügeteile, gerade im Bereich der Fügezone, hinsichtlich ihrer thermischen Eigenschaften besser Rechnung zu tragen, um dadurch eine symmetrische und folglich stabilere Schweißverbindung zwischen den Fügeteilen zu erzeugen.
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Das Rotationsreibschweißen ist ein Pressschweißverfahren. Dabei weist mindestens ein Fügeteil zumindest in der Fügezone eine rotationssymmetrische Gestalt auf. Die Energiezufuhr erfolgt durch eine Relativbewegung in Form einer Rotation der Fügeteile zueinander unter Druck durch Vortrieb. Dabei steht z.B. ein Fügeteil still und das zweite Teil wird relativ zum ersten in Rotation versetzt. In der Anwendung können z.B. an Rohren oder Bohrgestängen Verbinder unterschiedlicher Materialgüte durch Schweißen angebracht werden.
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Die Verwendung bei unterschiedlichsten Materialkombinationen ist der große Vorteil des Rotationsreibschweißens. Die verwendeten Vorrichtungen ähneln oft Drehmaschinen. Sie können z.B. eine rotierende Spindel, auch als Rotor bezeichnet, und ein nicht rotierendes Gegenstück, auch als Stator bezeichnet, aufweisen, das auf einen axial zustellbaren Schlitten gespannt und auf das rotierende Teil gedrückt wird.
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Grundsätzlich bieten sich unterschiedliche Vorgehensweisen zum Ausgestalten der relativen Rotation der Fügeteile und des Druckaufbaus zwischen ihnen an.
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Durch das zumindest temporäre Kühlen eines der Fügeteile wird verhindert, dass das eine Fügeteil sich stark verformt oder plastifiziert, während das andere Fügeteil, bei gleicher Temperatur, noch in einem weniger plastifizierten Zustand vorliegt, so dass Mischkristalle nicht in ausreichender Quantität entstehen können.
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Besonders einfache Verhältnisse lassen sich realisieren, wenn gemäß einer anderen Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens das Kühlen mittels einer Gefrierspanntechnik in Bezug auf mindestens eines der Fügeteile erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass neben dem Kühleffekt gleichzeitig eine mechanische Fixierung möglich ist, die in gewissen Grenzen eine zusätzliche mechanische Einrichtung zum Verspannen des Fügeteils entweder obsolet macht oder eine doch vorhandene mechanische Spanneinrichtung in ihrer Wirkung unterstützt.
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Genügen die Kühlung eines der Fügeteile und insbesondere die Gefrierspannung nicht, um bei asymmetrischen Fügestellen eine Erhöhung des Temperaturgradienten und/oder eine Angleichung der Plastifizierungsbedingungen zwischen den Fügeteilen im Reibschweißprozess zu realisieren, so kann bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch eine parallele Vorwärmung des ungekühlten Fügeteils oder Fügepartners durchgeführt werden.
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Dies kann z.B. durch Induktion, Konduktion oder mittels einer Brennerflamme erfolgen. Dadurch kann ein noch stärkerer Effekt der Ausbildung eines Temperaturgradienten zwischen den Fügepartnern realisiert werden, um in der Kontaktzone geeignete Plastifizierungsbedingungen zu schaffen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft in materiell asymmetrischen Situationen anwenden, bei welchen Fügeteile verwendet werden, deren Materialien zumindest im Bereich der Fügezone unterschiedliche Übergangstemperaturen aufweisen. In derartigen Fällen wird dasjenige der Fügeteile gekühlt, dessen Material zumindest im Bereich der Fügezone die niedrigere Übergangstemperatur aufweist.
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Eine verfahrenstechnische Vereinfachung und eine Reduktion des apparativen Aufwandes stellen sich dann ein, wenn gemäß einer anderen Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Fügeteile relativ zueinander rotiert werden, indem das erste Fügeteil in Rotation versetzt wird und/oder das zweite Fügeteil feststehend gehalten wird.
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Der apparative Aufwand lässt sich weiter reduzieren, wenn dabei das erste Fügeteil zum Aufbau und/oder zur Aufrechterhaltung des Drucks durch den Vortrieb relativ auf das zweite Fügeteil zu bewegt und/oder das zweite Fügeteil gekühlt wird. Das bedeutet insbesondere, dass der feststehende und nicht rotierte Teil einer zu Grunde liegenden Vorrichtung mit dem entsprechenden Fügeteil ohne Beachtung des notwendigen Vortriebs und der notwendigen Rotation mit vergleichsweise geringem Aufwand gekühlt werden kann.
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Besonders einfache Anwendungsverhältnisse ergeben sich, wenn mindestens ein zumindest im Bereich der Fügezone um eine Symmetrieachse rotationssymmetrisch ausgebildetes Fügeteil verwendet und um die Symmetrieachse rotiert wird. Insbesondere kann dabei das jeweils andere Bauteil ohne Rotationssymmetrie ausgebildet und zum Beispiel im Bereich der Fügezone teilweise planar ausgebildet sein, um dort den rotationssymmetrischen Abschnitt des anzubringenden Fügeteils anzuflanschen.
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Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren für sämtliche asymmetrischen Materialkombinationen hilfreich. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn Fügeteile verwendet werden, die zumindest im Bereich der Fügezone mit oder aus Materialien aus der Gruppe ausgebildet sind, die Stahl, Grauguss, Aluminium, Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe (MMC), Keramik und Buntmetalle aufweist.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch eine Vorrichtung zum Rotationsreibschweißen von Fügeteilen geschaffen. Diese ist erfindungsgemäß dazu eingerichtet
- (i') ein erstes Fügeteil und ein zweites Fügeteil durch eine drehende Bewegung relativ zueinander in Rotation zu versetzen und unter Beibehaltung der Rotation miteinander in einer gemeinsamen Fügezone unter Vortrieb und Druck in mechanischen Kontakt zu bringen,
- (ii') durch Rotation, Vortrieb und Druck in der Fügezone Reibungswärme und in Folge plastifizierte Bereiche von Materialien der ersten und zweiten Fügeteile zu erzeugen,
- (iii') unter Aufrechterhaltung des Vortriebs und des Drucks die Rotation zwischen den Fügeteilen abzubremsen und zu stoppen und die plastifizierten Bereiche zu erkalten und zu verfestigen und
- (iv') mindestens eines der Fügeteile zumindest temporär während des mechanischen Kontakts der Fügeteile zu kühlen.
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Besonders einfache Verhältnisse zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens stellen sich ein, wenn gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Rotationsreibschweißen eine erste Spanneinrichtung zum Haltern des ersten Fügeteils und eine zweite Spanneinrichtung zum Haltern des zweiten Fügeteils ausgebildet sind, wobei mindestens eine der Spanneinrichtungen insbesondere als Gefrierspanneinrichtung ausgebildet ist oder eine Gefrierspanneinrichtung aufweist, welche zur Kühlung mindestens eines der Fügeteile durch Gefrierspanntechnik eingerichtet ist. Wie oben bereits erwähnt wurde, wird durch diese Maßnahme ein mechanisches Haltern eines jeweiligen Fügeteils durch die Gefrierspanntechnik unterstützt oder es wird ein rein mechanisches Haltern mit mechanischen Mitteln der Spanneinrichtungen obsolet.
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Besonders hohe Kräfte und Momente zur Erzeugung der notwendigen thermischen Budgets für das Rotationsreibschweißen lassen sich erzeugen, wenn die Spanneinrichtung im Zusammenhang mit der Gefrierspanneinrichtung zusätzlich zur Kombination mit einer mechanischen Spannkraft und/oder zu einem Formschluss mit dem zu spannenden Fügeteil ausgebildet ist. In diesem Fall wirkt die Gefrierspanntechnik als zusätzliche mechanische Maßnahme zum Spannen des jeweiligen Fügeteils.
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Mindestens eine der Spanneinrichtungen kann zum feststehenden Haltern eines der Fügeteile ausgebildet sein. Derartig starre Maßnahmen vereinfachen den Aufbau.
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Alternativ kann eine jeweilige Spanneinrichtung als Spindel zum rotierenden Haltern eines der Fügeteile ausgebildet sein.
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Zum Aufbau und/oder zur Aufrechterhaltung (a) einer Bewegung der Fügeteile relativ aufeinander zu, (b) eines mechanischen Kontakts und/oder (c) eines Drucks zwischen den Fügeteilen kann mindestens eine Spanneinrichtung als Vortrieb ausgebildet sein, einen Vortrieb aufweisen und/oder mit einem Vortrieb gekoppelt oder koppelbar ausgebildet sein.
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Figurenliste
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
- 1 bis 4 zeigen in schematischer Seitenansicht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Rotationsreibschweißen von Fügeteilen, welche bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Rotationsreibschweißen verwendet werden kann, und zwar in verschiedenen Betriebszuständen.
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 Ausführungsbeispiele und der technische Hintergrund der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
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Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
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Die 1 bis 4 zeigen in schematischer Seitenansicht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zum Rotationsreibschweißen von Fügeteilen 10 und 20, welche bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Rotationsreibschweißen verwendet werden kann, und zwar in verschiedenen Betriebszuständen.
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In der in 1 dargestellten Situation werden ein erstes Fügeteil 10 und ein zweites Fügeteil 20, die in einem Fügebereich 6 miteinander durch Schweißen verbunden werden sollen, bereitgestellt und durch eine erste Spanneinrichtung 1 in Form einer um eine Rotationsachse 5 rotierbaren Spindel 1' bzw. eine zweite Spanneinrichtung 2 in Form einer Gefrierspanneinrichtung 2' gehaltert.
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In der Darstellung der 1 bis 4 sind beide Fügeteile 10 und 20 rotationssymmetrisch ausgebildet und ihre Symmetrieachsen sind parallel zur Rotationsachse 5 der Spindel 1' der Vorrichtung 100 ausgerichtet.
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In der in 1 dargestellten Situation sind die ersten und zweiten Fügeteile 10 bzw. 20 noch räumlich voneinander beabstandet. Die Spindel 1' der ersten Spanneinrichtung 1 für das erste Fügeteil 10 rotiert mit einer Rotation 7 um die Rotationsachse 5. Folglich rotiert auch das erste Fügeteil 10 um die Rotationsachse 5.
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Im Übergang zu dem in 2 gezeigten Zustand wird dann mittels eines Vortriebs 8 eine relative Translationsbewegung zwischen dem ersten und dem zweiten Fügeteils 10 bzw. 20 ausgeführt, so dass diese in der Fügezone 6 miteinander in mechanischen Kontakt geraten. Auf Grund der mit dem Vortrieb 8 aufgeprägten Kraft F entsteht in der Fügezone 6 und der Kontaktstelle 11, die auch als Fügestelle 11 bezeichnet werden kann, auf Grund von Reibung Wärme, die im Bereich der Fügestelle 11 zu einem Plastifizieren der Materialien der ersten und zweiten Fügeteile 10, 20 führt.
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Da die Materialien der ersten und zweiten Fügeteile 10 und 20 unterschiedlich sein können, setzt auch bei gleicher Temperatur der Materialien im Bereich der Fügestelle 11 der Prozess des Plastifizierens zu unterschiedlichen Zeitpunkten ein.
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Bei der in den 1 bis 4 dargestellten Situation wird davon ausgegangen, dass das Material des zweiten Fügeteils 20 einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als das Material des ersten Fügeteils 10. Um ein zu frühes Verflüssigen oder Plastifizieren des Materials des zweiten Fügeteils 20 zu verhindern, ist die zweite Spanneinrichtung 2 für das zweite Fügeteil 20 als Gefrierspanneinrichtung 2' ausgebildet und weist in ihrem Inneren eine Kühleinrichtung 3 mit Kühlelementen 4 auf. Das bedeutet, dass zum Beispiel durch einen Kühlmittelfluss in den Kühlelementen 4 Wärmemenge aus dem Körper der Spanneinrichtung 2 abgeführt werden kann, wodurch das Material des zweiten Fügeteils 20 gekühlt wird.
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Im Zusammenhang mit dem Aufbau und der Wirkung als Gefrierspanneinrichtung 2' ist es vorgesehen, dass im Kontaktspalt zwischen der Spanneinrichtung 2 und der Oberfläche des zweiten Fügeteils 20 eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser eingebracht wird, die sich beim Herunterkühlen verfestigt und/oder auskristallisiert und dadurch eine Haltekraft zwischen der zweiten Spanneinrichtung 2 und dem zweiten Fügeteils 20 ausbildet. Diese Haltekraft kann eine zusätzliche Haltekraft sein, die die mechanische Haltekraft der zweiten Spanneinrichtung 2 unterstützt. Sie kann aber auch als einzige Maßnahme zum mechanischen Haltern des zweiten Fügeteils 20 vorgesehen sein.
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Durch den Vortrieb 8 und die axiale Kraft F und mithin den mechanischen Kontakt im Bereich der Fügestelle oder Kontaktstelle 11 in der Fügezone 6 entsteht durch das Kühlen ein mehr oder weniger gleichzeitiges Verflüssigen oder Plastifizieren der Materialien der ersten und zweiten Fügeteile 10 bzw. 20.
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Auf Grund dieses Prozesses entsteht im Bereich der Fügestelle 11 eine primäre Fügewulst 12, wie sie im Zusammenhang mit 3 dargestellt ist.
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Durch Fortschreiten des Prozesses steigert sich die verflüssigte oder plastifizierte Materialmenge, die durch den Vortrieb 8 im Bereich der Fügestelle 11 zusammengeschoben wird, zu einer sekundären Fügewulst 13.
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In einem weiteren Schritt wird dann die Rotation 7 gestoppt, wobei der Vortrieb 8 aktiv bleibt und die Kraft F in axialer Richtung aufrechterhalten wird. Unter Beibehaltung dieser axialen Kraft F und bei gestoppter Rotation 7 erkaltet an der Fügestelle 11 die sekundäre Fügewulst 13, erstarrt und bildet die Schweißverbindung zwischen den ersten und zweiten Fügeteilen 10 und 20 mit gesteigerter Symmetrie aus.
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Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
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Das Rotationsreibschweißen kann insbesondere eingesetzt werden, um Mischverbindungen - zum Beispiel aus Stahl und Grauguss - zuverlässig auszubilden. Auf Grund unterschiedlicher Werkstoffeigenschaften - zum Beispiel in Bezug auf die Wärmekapazität, die Wärmeleitung und die Warmfestigkeit - ist die Fügezone 11 zwischen den unterschiedlichen Materialien und insbesondere bei Stahl und Grauguss asymmetrisch aufgebaut.
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In dem betrachteten Beispiel steht dem nahezu unbeeinflussten Grauguss dabei stahlseitig eine ausgeprägte Schweißwulst gegenüber. Durch das zeitlich früher einsetzende und stark ausgeprägte Warmfließverhalten auf der Stahlseite ist oder wird die reibtechnisch in die Graugussseite einbringbare Energiemenge begrenzt.
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Ansätze, die diese Probleme lösen sollen und von denen die vorliegende Erfindung ausgeht, betreffen ein Prozessieren
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(A) mit einem höheren Materialeinsatz auf der Stahlseite, zum Beispiel im Sinne einer Wanddicke oder einer Überlänge beim Stahlrohr, wobei der höhere Materialeinsatz quasi als Opfervolumen für die Verlängerung der Reibphase gegen den Grauguss fungiert, und
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(B) mit aktiver Vorwärmung zur Unterstützung des Wärmeeintrags in den kälteren Fügepartner bzw. den Werkstoff mit der höheren Übergangstemperatur, zum Beispiel über eine Vorwärmung mittels Induktion oder Flammbrennern.
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Nachteilig sind beim Vorgehen gemäß dem Aspekt (A) die entstehenden Mehrkosten für Material, Schweißprozesszeit und Nachbearbeitung der Schweißwulst, zum Beispiel mit der Notwendigkeit des Abdrehens, und beim Vorgehen gemäß dem Aspekt (B), dass Wärme auch in den bereits vorzeitig fließenden Werkstoff eingetragen wird und die reibtechnisch einbringbare Energie weiter reduziert.
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Erfindungsgemäß wird durch eine aktive Kühlung des vorzeitig oder zeitlich früher fließenden Fügepartners 20, zum Beispiel des Stahls, dessen Festigkeit im Fügeprozess temporär erhöht. Dadurch lassen sich höhere Reibkräfte absetzen und damit höhere Reibenergien in die Fügezone einbringen. Das Ergebnis ist eine symmetrischere Schweißnaht im Bereich der Fügestelle 11.
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Der allgemeine Erfindungsgedanke lässt sich zum Beispiel auch durch Integration einer Kühlung 3 in eine Spannvorrichtung einer Reibschweißspindel z.B. auch in Form einer Gefrierspanntechnik 2' realisieren.
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Beim Rotationsreibschweißen werden zum Beispiel zylindrische Bauteile 10, 20, wie Rohre, Wellen, Bolzen und dergleichen, vorzugsweise mit Spannbacken aufgenommen. Hierbei wird das eine Bauteil 10, 20 in eine tiefkühlbare befeuchtete Spannvorrichtung 2 eingebracht und angefroren gehaltert. Die durch das Anfrieren und also durch Eisbildung entstehenden Haftkräfte sind so groß, dass eine mechanische Bearbeitung möglich wird. Die entstehenden Kräfte auf Grund der Gefrierspannwirkung sind vergleichbar mit Kräften, wie sie bei Magnetspannplatten auftreten, jedoch mit dem Vorteil, dass zusätzlich auch unmagnetische Werkstoffe halterbar sind.
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Bei Weiterbildungen ist auch eine Kombination aus mechanischer Spannkraft, Gefrierhaftkraft und/oder Formschluss zu Übertragung großer Momente bei Ausnutzung des Kühlungseffektes denkbar, zum Beispiel auch durch Einsatz eines überdimensionierten Kühlsystems, um die sich entwickelnde Haftkraft auch bei Wärmeeintrag aus der Bearbeitung aufrecht zu erhalten oder um eine Abkühlung über für das Halten notwendige Maß hinaus vorzuhalten.
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Erfindungsgemäß wird statt einer Vorwärmung der kühleren Reibschweißseite die durch die Reibschweißwärme vorzeitig fließende Werkstoffseite durch eine Kühlung stabilisiert, um mehr Reibwärme in die Fügezone 11 einbringen zu können.
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Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- (erste) Spanneinrichtung
- 1'
- Spindel
- 2
- (zweite) Spanneinrichtung
- 2'
- Gefrierspanneinrichtung
- 3
- Kühleinrichtung
- 4
- Kühlerelement
- 5
- Rotationsachse
- 6
- Fügezone, Fügeebene
- 7
- Rotation
- 8
- Vortrieb
- 10
- (erstes) Werkstück/Fügeteil
- 11
- Fügestelle, Kontaktstelle
- 12
- primäre Fügewulst
- 13
- sekundäre Fügewulst
- 20
- (zweites) Werkstück/Fügeteil
- 100
- Rotationsschweißvorrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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