DE1627482B2 - Verfahren zum rotationsreibschweissen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Rotationsreibschweißen gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.

In »Werkstatt und Betrieb« 1962, Seiten 337 bis 339 ist die Entwicklung von Rotationsreibschweißverfahren während der letzten Jahre beschrieben, insbesondere die Abhängigkeit des Schweißprozesses von der Drehzahl der Maschine, dem Vorwärm- oder Reibungsdruck und dem Stauch- oder Preßdruck bei Erreichen des plastischen Zustandes an den gegeneinander gesetzten Flächen der zu verbindenden Werkstücke. Zur Erzielung einer günstigen Schweißverbindung müssen die günstigsten Bedingungen, die Drehzahl der Maschine, Reibungstemperatur, Reibungsdruck und Stauchdruck genau ermittelt und aufeinander abgestimmt werden. Die dafür zu verwendenden Maschinen arbeiten teil- oder vollautomatisch, wobei im allgemeinen mit anfangs vorgegebenen Werten für die hier genannten Parameter und einer Umschaltung von Vorwärm- oder Reibungsdruck auf Stauch- oder Preßdruck gearbeitet wird. In Bild 2 der Veröffentlichung sind Beispiele für Leistungsaufnahme und Drehzahl angegeben, die einen im wesentlichen einheitlichen, einsinnigen Verlauf zeigen.

In ähnlicher Weise werden in »the tool and manufacturing engineer«, Januar 1966, Seiten 40 bis 43 die einschlägigen Entwicklungsergebnisse besprochen. Zusätzlich zur Verwendung von mit Preßvorrichtungen ausgestatteten, drehbankartigen Maschinen sind inzwischen auch sogenannte Trägheitsreibschweißmaschinen bekannt geworden, bei denen die für die Schweißung benötigte Energie zunächst in einem Schwungrad gespeichert wird, das mit dem während des Verfahrens in Drehung versetzten Werkstückhalter verbunden ist Gegebenenfalls können auch mehrere Schwungräder mit der zu drehenden Werkstückhalterung derart verbunden sein, daß sie durch eine Kupplung von der Spindel der sich drehenden Werkstückhalterung abgekoppelt werden, sobald die Drehgeschwindigkeit auf ein vorher festgelegtes Niveau abgefallen ist Auf die Weise kann der Schweißvorgang schneller und präziser beendet werden.

Die Brutcher Translation 4918, die eine Übersetzung eines 1959 in der UdSSR veröffentlichten Buches von V. I. Viii enthält und 1962 auf Veranlassung der American Welding Society erschienen ist, bringt auf Seite 83 in den Fig. 10 und 11 für das Rotationsreibschweißverfahren typische Kurven. Dabei zeigt Fig. 10 ein zeitweiliges Ansteigen des Drehmomentes bei verringerter Drehzahl. Die Fig. 11 zeigt einen Schweißvorgang, bei dem die Drehzahl bis auf eine kurze Anstiegs- und Abfallperiode am Anfang und am Ende des Schweißvorganges im wesentlichen konstant ist und das Drehmoment in einem Intervall, während dem die Drehgeschwindigkeit konstant ist, zu einem Maximum ansteigt und von dort wieder abfällt Gemäß Fig. 18 dieser Veröffentlichung ist der Druck, d. h. die auf die zu verschweißenden und gegeneinander gedrehten Stücke wirkende axiale Kraft entweder konstant oder steigt am Ende sprungartig oder allmählich an.

Die Steuerung des Druckes zusammen mit An- und Abschaltung des Antriebes sind bislang die einzigen Steuerungsmaßnahmen, wobei die Abschaltung des Drehantriebes auch in einer Abbremsung der angetriebenen Spindel, Lösung der Einspannvorrichtung, Erschöpfung der in einem Schwungrad gespeicherten Energie oder Abkopplung des Schwungrades bestehen kann. Ein weiterreichender Einfluß wird bisher auf den am Schweißvorgang nicht ausgeübt, so daß dessen Verlauf vil durch die Anfangsbetriebsparameter und die hier erwähnten Steuerungsmaßnahmen bestimmt ist

Da die zu verschweißenden Teile bei Berührung unter Druck gegeneinander gedreht werden, ergibt sich bei ein und derselben Drehzahl über den Durchmesser der Berührungsfläche eine Verteilung der momentanen Lineargeschwindigkeiten, die von der Geschwindigkeit Null im Mittelpunkt bis zu einem Maximalwert am äußeren Umfang reicht Hierdurch kann die angestrebte gleichmäßige Qualität der Schweißverbindung über den gesamten Durchmesser der Verbindungsfläche beeinträchtigt werden. Mit der Erfindung soll deshalb ein Verfahren geschaffen werden, mit welchem es möglich wird, die Gleichmäßigkeit der Schweißverbindung über die gesamte Verbindungsfläche und damit die Güte der Verbindung zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch die gekennzeichnete Maßnahme eine verbesserte plastische Durcharbeitung unter

Verdrängung schädlicher Werkstoffteile in den entste- (Q henden Schweißwulst ermöglicht Damit wird die angestrebte, verbesserte Gleichmäßigkeit erzielt und das Entstehen von Fehlerstellen in der Drehachse vermieden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird vorher gespeicherte Energie dem Drehantrieb zugeführt, wenn die Drehgeschwindigkeit auf einen vorher festgelegten Wert abnimmt. Dieser Verfahrensschritt kann unter Verwendung einer mit ankoppelbarem Schwungrad ausgestatteten Schweißmaschine ausgeführt werden, wobei das Schwungrad vorher im abgekoppelten Zustand zur Energiespeicherung beschleunigt worden ist. Mit dieser Maßnahme kann im Bereich der plastischen Durcharbeitung zusätzliche Energie zugeführt werden, um das in diesem Bereich erforderliche hohe Drehmoment zu gewährleisten und damit ebenfalls zur Verbesserung des Korngefüges in der Schweißzone beizutragen.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert. Es zeigen

F i g. 1 bis 3 für das erfindungsgemäße Verfahren typische Kurven von Betriebsparametern.
Beim Rotationsreibschweißen führt die Drehung der

zu verschweißenden Teile gegeneinander oberhalb von einem bestimmten Geschwindigkeitsbereich hauptsächlich zur Erwärmung mit geringer plastischer Durcharbeitung oder Schmiedung. Unterhalb dieses Geschwindigkeitsbereiches wird hauptsächlich eine starke plastisehe Durcharbeitung oder Schmiedung bewirkt Der Geschwindigkeitsbereich, der den Erwärmungsbereich vom Schmiedungsbereich trennt, ändert sich in Abhängigkeit von den Materialien. Auch für irgendwelche bestimmten Teile ist der Bereich wegen des Geschwindigkeitsgradienten über den Radius der sich drehenden Teile nicht scharf definiert. Wenn die Drehgeschwindigkeit der Teile verringert wird, geht der Teil der Grenzfläche, der näher zur Drehachse liegt, in den Schmiedebereich über und zwar vor den Abschnitten der Grenzfläche, die weiter von der Drehachse entfernt liegen. Trotzdem gibt es für irgendwelche bestimmten Teile ein Geschwindigkeitsband, unter welchem das Drehmoment sich merklich erhöht, wodurch angezeigt wird, daß die zu verschweißenden Teile in den Schmiedebereich eintreten. Dieses Geschwindigkeitsband ist allgemein durch die gestrichelte Linie CS der F i g. 3 angedeutet. Zur weiteren Erläuterung sind in der Geschwindigkeitskurve, siehe Fig. 1, durch die Gerade CS ungefähr die Punkte angezeigt, an denen etwa der kritische Geschwindigkeitsbereich CSauftritt.

Der durch die Linie CS angezeigte Geschwindigkeitsbereich stellt auch den Geschwindigkeitsbereich dar, bei welchem sich eine Schweißung zwischen den drehenden Teilen ausbildet, falls die Grenzfläche bis auf einen plastischen Zustand erwärmt worden ist

Die Kurve mit fortlaufend abnehmender Geschwindigkeit ist nicht immer die am besten geeignete für die Erzeugung der erforderlichen Wärme. In manchen Fällen ist eine Kurve besser und wirkungsvoller, bei der 35-die Teile mit einer verhältnismäßig konstanten hohen Geschwindigkeit im Erwärmungsbereich gedreht werden, worauf die Geschwindigkeit dann schnell auf die Geschwindigkeit des Schmiedebereiches herabgesetzt wird. Das Ausmaß der Schmiedung wird hier durch die Geschwindigkeit und durch die Zeitspanne gesteuert, während der die Teile im Schmiedebereich gedreht werden.

Die Erwärmung der Grenzfläche kann nicht nur durch die Drehgeschwindigkeit mit welcher die Teile gegeneinandergedreht werden, sondern auch durch Änderungen in der Drehgeschwindigkeit beeinflußt werden. Eine Änderung in der Drehgeschwindigkeit bewirkt daß die Erwärmung radial über die Grenzfläche ausgebreitet wird. Dieser Ausbreitungseffekt kann besonders wichtig sein, wenn Teile mit großem Durchmesser und infolgedessen großen Geschwindigkeitsgradienten und großen Massen zu schweißen sind. Wenn Stangen mit großem Durchmesser zu schweißen sind, kann es schwierig sein, Fehlerstellen im Zentrum auszuschalten. Die in der Nähe der Drehachse gelegenen Bereiche der Grenzfläche werden unter Umständen nicht ausreichend erwärmt und durchgearbeitet um Einschlüsse zu zerkleinern und auch außen zu befördern, die sonst Anlaß zu Spannungen geben. Die in F i g. 3 gezeigte Drehzahl-Zeit-Kurve hat sich als sehr wirksam erwiesen, die Gefahr von Fehlerstellen im Mittelbereich äußerst gering zu halten. Nach dieser Kurve durchlaufen die Teile zunächst eine Periode der Erwärmung, werden dann einer Schmiedung unterzogen und durchlaufen darauf eine zusätzliche Erwärmungsperiode, an die ein letzter Schmiedungsabschnitt anschließt Das Hin- und Herschalten zwischen den Erwärmungs- und Schmiedungsbereichen erzeugt thermische und mechanische Wirkungen, die zum Schweißen von Teilen mit größerem Durchmesser nützlich sind.

F i g. 1 und 2 zeigen Verfahrenslinien, die bei einem Schweißvorgang gemäß Fig.3 aufgezeichnet worden sind. In F i g. 1 ist die tatsächliche Drehzahl, der Druck und das Drehmoment dargestellt Fig.2 zeigt die gewünschte Drehzahl, Energie und Leistung (Pferdestärken). Die Kennlinien sind in zwei getrennten Diagrammen dargestellt, um die Übersichtlichkeit zu verbessern.

Bei dem Schweißverfahren nach F i g. 1 und 2 ist so programmiert worden, daß die Geschwindigkeit fortlaufend bis auf eine unter dem kritischen Bereich liegende Drehzahl abnimmt und in einen Bereich mit starker plastischer Durcharbeitung gelangt Dann ist die Drehzahl bis auf ein Niveau erhöht worden, in welchem die Erwärmung anstelle der Durchschmiedung vorherrscht Zu beachten sind die niedrigeren Drehmomente. Die Drehzahl ist dann wiederum bis in den Schmiedungsbereich verringert worden, bevor die Drehung beendet wurde.

In einigen Fällen kann es erwünscht sein, während des Schweißvorganges ein zusätzliches Antriebsdrehmoment einzusetzen. Dies läßt sich mit einem zusätzlichen Schwungrad verwirklichen, das nach vorheriger Beschleunigung und dementsprechender Energiespeicherung bei Bedarf z. B. durch eine Einwegekupplung zum Antrieb der das eine der zu verschweißenden Werkstükke haltenden Welle angeschlossen wird.

Die zu verschweißenden Teile werden zunächst in Reibungsberührung gegeneinandergedrückt und durch entsprechende Steuerung des Berührungsdruckes im Anfangsstadium des Schweißvorganges ein maximales Drehmoment angewendet Wenn dann die Drehzahl in den Schmiedebereich abfällt, werden noch höhere Drehmomente dadurch angewendet, daß während dieses Abschnittes des Arbeitsablaufes z. B. die im Schwungrad gespeicherte Energie das vom Motor gelieferte Drehmoment ergänzt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Rotationsreibschweißen, bei welchem die zu verschweißenden Teile mit gegenseitig sich unter Druck berührenden Flächen, nach einem festgelegten Programm gesteuert, relativ zueinander zunächst mit hoher Geschwindigkeit und danach unter einer plastischen Durcharbeitung der Fläche mit niedriger Geschwindigkeit und hohem Drehmoment gedreht werden, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erreichen des Bereiches plastischer Durcharbeitung die Geschwindigkeit aus diesem Bereich heraus wieder gesteigert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vorher gespeicherte Energie dem Drehantrieb zugeführt wird, wenn die Drehgeschwindigkeit auf einen vorher festgelegten Wert abnimmt