DE1253022B - Verfahren zum Reibungsschweissen des Rumpfes und des Deckels von Metalldosen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

B 23k

Deutsche Kl.: 49 h-35/02

Nummer: 1253022

Aktenzeichen: C30664Ib/49h

Anmeldetag: 10. August 1963

Auslegetag: 26. Oktober 1967

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reibungsschweißen des Rumpfes und des Deckels von Metalldosen, bei dem die beiden Werkstücke unter einem vorbestimmten Druck in gegenseitige Berührung gebracht und mit vorbestimmter Drehzahl bis zum Verschweißen der Berührungsflächen relativ zueinander gedreht werden.

Das Verbinden von Teilen durch Reibungsschweißen ist bekannt. So hat man schon lange thermoplastische Kunststoffe durch Druck und Reibung vereinigt und die dabei maßgeblichen Größen in einem Normblatt niedergelegt. Es sind aber auch schon Untersuchungen und Vorschläge zum Reibungsschweißen von Metallen bekanntgeworden.

So hat man in einer Drehbank ein Spannfutter vorgesehen, in welchem ein Flansch durch Mitnehmer gegen Drehen gehalten und über eine Druckfeder mit einstellbarem Preßdruck gegen ein mit dem Flansch zu verschweißendes drehendes Rohrende gepreßt wird. Die Federkonstante beträgt hierbei etwa 76 kg/cm, und die Antriebsdrehzahl für das Rohr lag zwischen 30 und 400 U/min. Bei Teilen aus Aluminium wurden 10 mm dicke Flanschscheiben von 30 mm Durchmesser mit Stangen oder Rohren von 10 mm Durchmesser und 2 mm Wanddicke nach mechanischer Reinigung zusammengebracht. Es wurden Relativdrehungen von etwa 180 bis 360° zwischen den Berührungsflächen angewendet, bei einem Druck von etwa 8 kg/mm². Dabei wurde zunächst der Druck bei ruhenden Teilen bis zum gewünschten Maximalwert aufgebracht und dann bei vollem Druck der Drehwinkel von etwa 360° durchfahren. Für dieses Verfahren wurde eine Rohrwandstärke von 2 mm als unterste zulässige Grenze festgestellt. Bei Verwendung von Teilen aus Kupfer reichten ein Preßdruck von 8 kg/mm² und ein Drehwinkel von 180 bis 720° für die Relativbewegung in den meisten Fällen nicht für die Herstellung einer festen Verschweißung aus.

Bei einem anderen bekannten Verfahren zum Reibungsschweißen wird mit einer Vorwärmperiode und einer Schweißperiode gearbeitet. In der Vorwärmperiode werden die zu verschweißenden Teile mit einem Vorwärmdruck gegeneinandergedrückt und in Umdrehung versetzt, bis eine genügende Materialmenge die notwendige Schweißtemperatur erreicht hat. Vor dem Abstellen der Drehbewegung wird dann ein Stauchdruck aufgebracht, mit dem die Schweißung beginnt. Als wichtige Faktoren müssen bei diesem Verfahren die Drehzahl, der Vorwärmdruck, der Stauchdruck und die Zeit vom Aufbringen

Verfahren zum Reibungsschweißen des Rumpfes und des Deckels von Metalldosen

Anmelder:

Continental Can Company, Inc.,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Thielecke und Dr.-Ing. R. Döring,

Patentanwälte, Braunschweig, Jasperallee 1 a

Als Erfinder benannt:
Edward J. Ripling, Flossmoor, JlL;
George L. Reinhardt, Hickory Hills, JIl.
(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 27. März 1963 (268 394)

des Stauchdruckes bis zum Aussetzen der Drehbewegung beachtet werden. ^;

Diese bekannten Verfahren eignen sich nur für relativ große Querschnitte der zu verschweißenden Teile. Die genaue Kontrolle des Drehwinkels und der Drehzahl bei dem zuerst beschriebenen Verfahren bzw. die Überwachung der Vorwärmperiode und der eigentlichen Schweißperiode bei dem anderen Verfahren erfordern größte Aufmerksamkeit und einen erheblichen Aufwand selbst bei großen Querschnitten. Bei sehr dünnwandigen Teilen ist die Einhaltung der erforderlichen Drücke und anderen Einflußwerte praktisch nicht mehr möglich.

Ein älterer, nicht veröffentlichter Vorschlag sieht eine Vorrichtung zum Reibungsschweißen vor, welche einen antreibbaren Aufnehmer für das eine Werkstückteil und einen an Drehungen gehinderten Aufnehmer für das andere Werkstückteil aufweist, die axial gegeneinander bewegbar sind. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß bei dem drehenden Teil die Zufuhr der Antriebsenergie im Augenblick der Berührung der beiden Teile unterbrochen wird, wobei die dann vorhandene Drehenergie sich im wesentlichen allein in Reibung der Berührungsflächen verbraucht. Mit dem drehenden Teil ist ein variabler Energiespeicher in Form einer Schwungmasse verbunden.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die be- an einem Dosenrumpf gemäß dem Verfahren nach

kannten Reibungsschweißverfahren so weiterzu- der Erfindung verwendet werden kann;

bilden, daß es gelingt, Rumpf und Deckel von Dosen, Fig. 2 ist ein horizontaler Schnitt entlang der

also Teile aus Blechen von dünner Wanddicke auf Schnittlinie II-II gemäß Fig. 1;

rationelle Weise und mit hoher Arbeitsgeschwindig- 5 F i g. 3 ist eine vergrößerte perspektivische An-

keit zu verschweißen. sieht einer Dose, die gemäß der Erfindung hergestellt

Bekanntlich werden bei Dosen Deckel und Rumpf worden ist;

durch einen Doppelfalz fest und dicht miteinander Fig.4 ist ein vergrößerter Ausschnitt im Längsverbunden. Dazu müssen der Rumpf mit einem schnitt durch die Verbindungsstelle zwischen einem Flansch und der Deckel mit einem besonders gestal- io Dosendeckel und einem Dosenrumpf,
teten Falz versehen werden. Fehler im Flansch oder Die Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 weist eine im Falz bzw. Ausrichtungsfehler können zu Fehlern Grundplatte 6 mit nach oben ragenden Führungsfuhren. Außerdem ist der Anrollvorgang auf be- stiften 7 auf. Auf der Grundplatte 6 ist ein Lufistimmte, duktile Metalle beschränkt. Weiterhin ist kissen 8 angeordnet, das eine bewegliche Platte 9 der Mehraufwand an Blech für den Doppelfalz bei 15 oberhalb der Grundplatte 6 unterstützt. Die Füheiner großen Zahl von Dosen ganz bedeutend. rungsstifte 7 ragen durch entsprechende Öffnungen

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung 10 in der Platte 9 und dienen zur Führung dieser

vor, daß zunächst der mittels Futter unterstützte Platte, wobei sie deren Bewegungen in senkrechter

Deckel auf eine Drehzahl von etwa 10 000 U/min Richtung begrenzen.

oder mehr beschleunigt, dann der Drehantrieb unter- ao Die bewegliche Platte 9 trägt eine Haltevorrich-

brochen wird und unter Begrenzung des axialen tung für einen Dosenrumpf. Der Dosenrumpfhalter

Preßdruckes durch axiale elastische Nachgiebigkeit ist in Fig. 2 näher dargestellt. Er besteht aus zwei

wenigstens eines der beiden zu verschweißenden durch Spalten entlang der Axialebene geteilten

Teile diese Teile dann so rasch unter Druck in axiale Hälften 11, 12, die durch eine Gelenkstelle 13 mit-

Berührung gebracht werden, daß die Relativdrehung 25 einander verbunden sind und ein Spannschloß 14

von Rumpf und Deckel allein durch Reibung an aufweisen. Der Dosenrumpfhalter kann entweder von

den Berührungsflächen praktisch augenblicklich, vor- einer solchen Größe sein, daß er einen Dosenrumpf B

zugsweise innerhalb maximal einer Umdrehung, zum durch Reibung oder Magnetkräfte gegen Drehung

Stillstand kommt. festhält.

Die besondere Schwierigkeit bei der Reibungs- 30 Oberhalb der Platte 9 ist eine Scheibe 15 vorge-

schweißung von Rumpf und Deckel besteht darin, sehen, die von einer Welle 16 eines senkrechten

daß der axiale Druck wesentlich kleiner sein muß, Schubstößels getragen ist. Diese Scheibe 15 ist leicht

als es der axialen Belastbarkeit des Rumpfes an sich und schnell in senkrechter Richtung auf die Platte 9

entspricht. Dies beruht darauf, daß bereits bei we- zu bzw. von dieser weg bewegbar,

sentlich niedrigeren Drücken das Rumpfmaterial 35 Die Scheibe 15 trägt ein Spannfutter 17 für einen

flanschartig nach den Seiten weggedrückt oder weg- Dosendeckel E, der an dem Dosenrumpf B festge-

gewalzt wird. Dieser Effekt läßt sich nicht völlig ver- schweißt werden soll. Das Spannfutter 17 besitzt eine

meiden. Er ist nicht nur abhängig von der Größe untere Ausnehmung 18, in welche der Dosendeckel E

des axialen Druckes, sondern auch von der Dauer eingelegt werden kann. Zwischen dem Dosendeckel E

der relativen Drehung während der Berührungszeit 40 und den Wänden der Ausnehmung 18 besteht ein

der beiden Teile. Reibungseingriff, wobei die Umfangswände der Aus-

Die Erfindung geht demgegenüber von der Er- nehmung 18 vorzugsweise gerändelt oder in anderer kenntnis aus, daß es zur Lösung dieser Probleme Weise aufgerauht sind, um einen besseren Reibungsdarauf ankommt, mit möglichst geringem Druck und eingriff mit dem Umfang des Dosendeckels E zu gemit möglichst geringer Schwungmasse zu arbeiten, 45 währleisten.

und daß eine Verschweißung unter diesen Verhält- Das Spannfutter 17 ist mit einem kurzen Schaftnissen nur dann wirksam erreicht wird, wenn dabei stummel 19 versehen, der von einer Bohrung 20 in unter Abstimmung auf die Ausgangsdrehzahl und der Platte 15 aufgenommen und durch Kugellager 21 die Masse die Teile so rasch in axiale Berührung ge- innerhalb der Bohrung 20 derart unterstützt wird, bracht werden, daß sie kurzzeitig zum Stillstand 50 daß der Schaftstummel um eine vertikale Achse kommen. Die erforderliche Schweißenergie wird da- rotieren kann. Weitere Kugellager 22 sind zwischen bei zum überwiegenden Teil aus der sehr hohen der oberen Fläche des Spannfutters 17 und der Drehzahl geliefert. Unterseite der Platten 15 angeordnet, um als Drack-

Die Praxis hat bestätigt, daß man nach dem neuen lager zu dienen.

Verfahren zwischen Dosenrumpf und Dosendeckel 55 Das Spannfutter 17 kann in jeder gewünschten

feste und dichte Schweißverbindungen erhält, ohne Weise in Drehung versetzt werden. Gemäß F i g. 1

daß die Gefahr einer erheblichen Verformung und weist das Spannfutter 17 jedoch an seinem äußeren

Umfalzung des Dosenrandes besteht. Umfang eine Mehrzahl von Flügeln 23 auf, gegen

Die Schweißung läßt sich außerordentlich schnell die ein Luftstrom aus einer Strahldüse 24 wirkt,
und rationell auch bei solchen Metallen durchführen, 60 Im Betrieb wird das Spannfutter 17 zusammen mit bei denen die Herstellung der üblichen Doppel- einem Dosendeckel E, der von dem Spannfutter gefalzung schwierig ist, insbesondere bei sehr dünnen tragen wird, mit sehr hoher Geschwindigkeit gedreht, Blechen von hoher Festigkeit und geringer Duktilität. worauf die Scheibe 15, welche das Spannfutter 17

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand schema- unterstützt, nach unten bewegt wird, so daß der

tischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel 65 Dosendeckel E in Eingriff mit dem oberen Ende des

näher erläutert. Dosenrumpfes B gebracht wird, und zwar unter

. Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Vor- Druck. Sobald der Dosendeckel £ das obere Ende

richtung, die zum Anschweißen eines Dosendeckels des Dosenrumpfes B berührt, neigt der Reibungs-

Claims (5)

eingriff zwischen den beiden dazu, die Drehbewegung des Dosendeckels £ und der den Deckel tragenden Spannvorrichtung zu unterbrechen. Die Reibungswärme, die durch den Reibungseingriff zwischen dem Dosendeckel E und dem Dosenrumpf B erzeugt wird, ist direkt proportional der kinetischen Drehenergie des Dosendeckels E und des Spannfutters 17. Der Dosendeckel E kann vollständig flach sein und die Form einer kreisförmigen Scheibe aufweisen. Auf der einen Seite kann er mit Ausprägungen, ζ. Β. ίο Rippen, zur Erhöhung der Festigkeit versehen sein. Der in den Zeichnungen Fig. 3 und 4 dargestellte Dosendeckel E weist einen geringfügig eingedrückten mittleren Teil 25 auf und am Umfang einen Bördelrand 26, der dazu dient, den Rand des Dosenrumpf es in den Ringkanal zwischen dem Bördelrand 26 und dem eingedrückten mittleren Teil 25 einzuführen und das zugehörige Ende des Dosenrumpfes abzurunden. Zusätzlich kann der Dosendeckel £ einen flachen ringförmigen Absatz 27 aufweisen, der mit einem ao Ende des Dosenrumpfes B in Eingriff gelangt. Der Hauptzweck des Bördelrandes 26 besteht darin, das Vorstehen oder Freiliegen einer rauhen Kante und damit Verletzungen zu vermeiden. Wenn der rasch rotierende Dosendeckel E in Eingriff mit dem nicht drehbaren Dosenrumpf B gebracht wird und die Unterseite des Dosendeckels E an dem oberen Rand des Dosenrumpfes B angreift, wird die Reibung zwischen den beiden zum Erzeugen der Schweißwärme und damit dem Erzeugen der Verschweißung 28 zwischen dem Dosendeckel E und dem Dosenrumpf B ausreichen. Aus Fig. 4 wird deutlich, daß die Schweißverbindung 28 sich in einer nur geringfügigen Abflachung des Endes des Dosenrumpfes B äußert. Diese Verformung kann jedoch durch die Wahl von Druck und Temperatur auf einem geringen Wert gehalten werden, wobei die Temperatur von der Energie abhängt, die auf den Dosendeckel E übertragen wird, und zwar zum Zeitpunkt des Eingriffes mit dem Dosenrumpf B. Bei Versuchen, die unter Berücksichtigung der Erfindung ausgeführt worden sind, wurden Schwarzblechdeckel auf mit Zinn überzogenen Dosenrümpfen aufgeschweißt, während zinnplattierte Dosendeckel auf Schwarzblechdosenrümpfe aufgeschweißt wurden. Allgemein müssen die Dosenrümpfe und die Dosendeckel aus Metallen von etwa der gleichen Dicke sein. Die Verbreiterung des Metalldosenrumpfes nach go beiden Seiten in der Schweißverbindung 28, wie dies in F i g. 4 gezeigt ist, setzt die Innenseite der Dosen der Gefahr aus, unter der Einwirkung des Inhalts der Dosen zu korrodieren. Um dies zu verhindern, wird das Ende des Dosenrumpfes mit einem Überzug versehen, der etwa 3 mm zurück von der Schweißkante angebracht wird, und zwar vor dem Schweißvorgang. Die für diese Zwecke ausprobierten Überzüge sind unter anderem folgende:

1. Polyäthylen (der Überzug wird durch Eintauchen des Endes des Dosenrumpfes in geschmolzenes Polyäthylen aufgebracht),

2. eine Wasseremulsion von Polyvinylchlorid,

3. Bierdosen wachs,

4. Chinaholzöl,

5. Methyloleate.

In allen Fällen können gute Schweißverbindungen erzielt werden, selbst dann, wenn anfänglich ein Überzug auf der Oberfläche die verschweißt werden soll, vorhanden ist. Von den ausprobierten Überzugsmaterialien haben sich Polyäthylen und eine Wasseremulsion von Polyvinylchlorid als am besten geeignet erwiesen, um Korrosion des freiliegenden Metalls zumindest zu vermindern.

Patentanspruch:

Verfahren zum Reibungsschweißen des Rumpfes und des Deckels von Metalldosen, bei dem die beiden Werkstücke unter einem vorbestimmten Druck in gegenseitige Berührung gebracht und mit vorbestimmter Drehzahl bis zum Verschweißen der Berührungsflächen relativ zueinander gedreht werden, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst der mittels Futter unterstützte Deckel auf eine Drehzahl von etwa 10000 U/min oder mehr beschleunigt, dann der Drehantrieb unterbrochen wird und unter Begrenzung des axialen Preßdruckes durch axiale elastische Nachgiebigkeit wenigstens eines der beiden zu verschweißenden Teile diese Teile dann so rasch unter Druck in axiale Berührung gebracht werden, daß die Relativdrehung von Rumpf und Deckel allein durch Reibung an den Berührungsflächen praktisch augenblicklich, vorzugsweise innerhalb maximal einer Umdrehung, zum Stillstand kommt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Zeitschrift »Schweißen und Schneiden«, H (1959), H. 9, S. 349 bis 352;
Zeitschrift »Konstruktion«, 13 (1961), H. 5, S. 191.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1224 590.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 679/306 10.67 0 Bundesdruckerei Berlin