DE1752911C3

DE1752911C3 - Method and device for friction welding

Info

Publication number: DE1752911C3
Application number: DE19681752911
Authority: DE
Inventors: Atsushi Tokio Hasui
Original assignee: National Research Institute for Metals
Current assignee: National Research Institute for Metals
Priority date: 1967-08-05
Filing date: 1968-08-03
Publication date: 1976-09-16

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schwungmasse-Reibungsschweißen der Stirnflächen von zwei ausgefluchteten, getrennt gelagerten bzw. in getrennt gelagerten Spindeln eingespannten Werkstücken, von denen sich anfänglich nur das eine, mit seinem Antrieb verbundene Werkstück dreht, wobei zwecks Erwärmung der Schweißflächen die Werkstücke derart durch axiales Verschieben aneinandergepreßt werden, daß die bis zur Annäherung der Werkstücksdrehzahlen sich ändernde kinetische Energie einer Schwungmasse di<: erforderliche Schweißwärme liefert, wobei der bei der Bildung der Schweißverbindung entstehende Grat zum Zeitpunkt seiner Bildung noch im heißen Zustand spanabhebend entfernt wird.The invention relates to a method and a device for flywheel friction welding of the end faces of two aligned, separately mounted or separately mounted spindles clamped workpieces, of which initially only the one workpiece connected to its drive rotates, the workpieces being displaced axially in this way for the purpose of heating the welding surfaces are pressed against each other that the kinetic changes up to the approach of the workpiece speeds Energy of a flywheel di <: supplies the required welding heat, with the formation of the The burr created by the weld joint is still being machined while it is hot at the time of its formation Will get removed.

Mit Schwungmassen arbeitende Reibungsschweißmaschinen sind bereits bekannt. Bei einer bekannten Ausführung wird eines der an den Stirnenden zu verschweißenden Werkstücke mit einem Antrieb in Rotation versetzt, wobei die das Werkstück tragende Welle mit einer Schwungmasse belastet ist. Das andere zu verschweißende Werkstück ist an einer nicht drehbaren· aber axial verschiebbaren Welle fluchtend zum ersten Werkstück befestigt. An dem Spannfutter eines der Werkstücke ist eine Entgratungsvorrichtung derart angeordnet, daß beim Zusammendrücken der Stirnenden der zu verschweißenden Werkstücke der auf der Schweißstelle sich bildende Grat geglätte! wird. Die von dem Antrieb mit der Schwungmasse zur Verfugung gestellte Rotationsenergie wird dadurch auf die e^;nzelnen Schweißoperationen aufgeteilt, daß die Energiezufuhr zu der Schwungscheibe und damit zum rotierenden Werkstück im Zeitpunkt der In-Kontaktbringung der Stirnenden unterbrochen wird, während die die In-Kontaktbringung bewirkende Axialkraft weiter auf das rotierende Werkstück einwirkt, bis die dabei auftretende Bremskraft die Schwungscheibe abfängt und zum Stehen bringt. Dadurch, daß mit einem nicht rotierenden Werkstück auf ein mit relativ hoher Geschwindigkeit rotierendes Werkstück eingewirkt werden muß, muß bei dieser bekannten Reibschweißmaschine ein relativ hoher Axialdruck vorgesehen werden, um im Zeitpunkt der In-Kontaktbringung der zu verschweißenden Stirnenden der Werkstücke die zum Verschweißen benötigte Wärmemenge verfügbar zu naben. Hohe Axialkräfte bei relativ hohen Drehzahlen, wie sie zur Erzeugung der benötigten Wärmemenge in diesem Fall benötigt werden, machen in aller Regel die Reibschweißvorrichtung in kurzer Zeit unbrauchbar.Friction welding machines working with flywheels are already known. In a known embodiment, one of the workpieces to be welded at the front ends is set in rotation with a drive, the shaft carrying the workpiece being loaded with a flywheel. The other workpiece to be welded is attached to a non-rotatable but axially displaceable shaft in alignment with the first workpiece. A deburring device is arranged on the chuck of one of the workpieces in such a way that when the front ends of the workpieces to be welded are pressed together, the burr that forms on the welding point is smoothed! will. The rotational energy made available by the drive with the flywheel is thereby transferred to the e ^; Separated individual welding operations that the energy supply to the flywheel and thus to the rotating workpiece is interrupted at the time the front ends are brought into contact, while the axial force causing the contact continues to act on the rotating workpiece until the braking force that occurs intercepts the flywheel and brings to a standstill. Due to the fact that a non-rotating workpiece must be acted on a workpiece rotating at relatively high speed, a relatively high axial pressure must be provided in this known friction welding machine in order to generate the amount of heat required for welding at the time of contacting the ends of the workpieces to be welded available to hubs. High axial forces at relatively high speeds, as are required in this case to generate the required amount of heat, generally make the friction welding device unusable in a short time.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Reibschweißmaschinen besteht darin, daß die vorgesehene Entgratungsvorrichtung zur Erhöhung oder zur Berücksichtigung eines höheren Axialdruckes und auch einer größeren Schwungmasse zwingt. Der gebildete Grat wird mit den bekannten Entgratungsvorrichtungen von einer Seite aus abgeschert. Da mit dem In-Kontaktbringen der Stirnenden der Werkstücke der Antrieb abgeschaltet wird, steht für die Entgratung nur die Energie der angebremsten Schwungmasse zur Verfügung, die aber infolge der relativ großen Bremswirkung der Axialkraft in sehr vielen Fällen nicht ausreicht, um eine saubere Entgratung auszuführen, wenn nicht besondere den Energiebedarf erhöhende Maßnahmen vorgesehen werden.Another disadvantage of the known friction welding machines is that the deburring device provided to increase or take into account a higher axial pressure and also one Forcing a larger centrifugal mass. The burr formed is with the known deburring devices from one side sheared off. As with the bringing into contact of the front ends of the workpieces, the drive is switched off, only the energy of the braked flywheel is available for deburring, However, due to the relatively large braking effect of the axial force, in many cases it is not sufficient to to carry out a clean deburring, if not special measures that increase the energy requirement are provided.

Demgemäß besteht dip Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schwungmassen-Reibungsschweißen vorzusehen, die mit sparsamstem Energiebedarf betrieben werden kann.Accordingly, the object of the invention is to to provide a method and a device for flywheel friction welding, which with the most economical Energy demand can be operated.

Diese Aufgabe wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß die Drehzahl des mit dem Antrieb verbundenen Werkstücks während der Erwärmung der Werkstücksenden konstant gehalten, die Drehzahl des zweiten, freidrehenden Werkstücks unter Erhöhung der Wucht der mit diesem Werkstück verbundenen Schwungmasse der Drehzahl des angetriebenen Werkstücks beim Anpressen angenähert, der Schweißdruck bei synchron laufenden Werkstücken aufrechterhalten und das. Entgraten bei voller DrehzahlThis object is achieved by the method according to the invention in that the speed of the with the Drive connected workpiece kept constant during the heating of the workpiece ends, the Speed of the second, freely rotating workpiece while increasing the balance with this workpiece connected flywheel of the speed of the driven workpiece approximated when pressing, the Maintain welding pressure with synchronously running workpieces and deburring at full speed

und Wucht der Schwungmasse gleichzeitig durchgeführt wird.and balancing the flywheel is carried out at the same time.

Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schweißung mit den Einsetzen des Synchronlaufs beendet.According to a further development of the method according to the invention, the weld is carried out with the onset of the Synchronous operation ended.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ausführung <!es vorgeschlagenen Verfahrens geht aus von einer Schwungmasse-Reibungsschweißmaschine mit zwei fluchtenden Wellen mit je einer Spannvorrichtung zur Aufnahme der beiden Werkstücke, von denen eine ,o Welle mit einem Antrieb versehen drehbar gelagert ist, mit einer Druckvorrichtung zum Axialverschieben einer Welle und Anpressen der Werkstückstirnflächen aneinander sowie mit einer Entgratungsvorrichtung; sie ist dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wellen :₅ gleicherweise in je einem Träger drehbar gelagert sind, wobei die eine Welle mit dem Antrieb und die andere frei drehende Welle mit der Schwungmarse versehen ist, und daß im Bereich der Schweißstelle spanabhebende Werkzeuge an den Werkstücksumfang anstellbar angeordnet sind.The inventive device for carrying out <! It proposed method is based on a flywheel friction welding machine with two aligned shafts, each with a clamping device for receiving the two workpieces, one of which is rotatably provided with a drive, a, o shaft, with a printing device for axial displacement a shaft and pressing the workpiece end faces against one another and with a deburring device; It is characterized in that the two shafts: ₅ are rotatably mounted in each case in a carrier, one shaft with the drive and the other freely rotating shaft with the flywheel, and that in the area of the weld, cutting tools are attached to the workpiece circumference are arranged adjustable.

Wie oben ausgeführt, ist bei der erfindungsgemäßen Reibschweißvorrichtung die Schwungmasse fest mit der frei drehbaren Welle verbunden, bei deren Beschleunigung während des Reibungskontaktes der Werkstücke die kinetische Energie der Schwungmasse ständig erhöht wird. Für den Reibungskontakt wird ein überhöhter Axialdruck nicht benötigt.As stated above, the flywheel is fixed to the friction welding device according to the invention freely rotatable shaft connected, when accelerating during the frictional contact of the workpieces the kinetic energy of the flywheel is continuously increased. For the frictional contact a excessive axial pressure not required.

Bei der Verminderung der Relativdrehzahl zwischen den beiden Wellen und den damit verbundenen Werkstücken bleibt die Drehzahl der Antriebswelle konstant. Die Drehzahl der frei drehbaren Welle nähert sich der Drehzahl der Antriebswelle. In diesem Zeitpunkt wird der Antrieb abgeschaltet. Das Massenträgheitsmoment der Schwungmasse der frei rotierenden Welle steht nun noch mit der vollen Drehzahl der Antriebswelle für die spanabhebende Entgratung der Schweißnaht zur Verfügung.When reducing the relative speed between the two shafts and the associated ones Workpieces, the speed of the drive shaft remains constant. The speed of the freely rotating shaft approaches the speed of the drive shaft. At this point the drive is switched off. The moment of inertia of the flywheel mass of the freely rotating shaft is now still at full The speed of the drive shaft is available for the cutting deburring of the weld seam.

Die Erfindung ist nachfolgend mit einem Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnungen beschrieben; es zeigtThe invention is described below with an exemplary embodiment on the basis of the drawings; it indicates

Fig. 1 die Vorderansicht der Reibschweißvorrichtung mit Entgratungsvorrichtung,1 shows the front view of the friction welding device with deburring device,

Fig. IA bis IE den Ablauf des Reibschweißvorganges, Fig. IA to IE the sequence of the friction welding process,

F i g. 2 die Anordnung einer spanabhebenden inneren Rohrentgratungsvorrichtung,F i g. 2 the arrangement of a metal-cutting internal pipe deburring device,

Fig. 3 die Anordnung einer spanabhebenden, inneren und äußeren Rohrentgratungsvorrichtung.Fig. 3 shows the arrangement of a cutting, inner and outer pipe deburring device.

Die Fig. 1 zeigt eine Reibschweißvorrichtung mit den fluchtend in den Trägern 13 und 14 gelagerten Wellen 3 und 4, die mit Spannfuttern 20 und 21 versehen sind und gemäß der F i g. IA bis 1E in den Lagern 6,7,8 und 9, 10, 11 rotieren. Die Welle 3 wird über eine Riemenscheibe und Riemen von oem Motor 17 angetrieben !n dem Spannfutter 20 der Welle 3 ist ein Werkstück 1 eingespannt. Das andere Werkstück ist in dem Spannfutter 21 der Welle 4 eingespannt, die in ihren Lagern 9,10,11 frei drehbar und axial in Richtung auf das Werkstück 1 mit dem Drucksystem 16 mit der Kraft P' verschiebbar ist. Das Drucksystem kann auch an der Welle 3 vorgesehen sein.1 shows a friction welding device with the shafts 3 and 4 mounted in alignment in the carriers 13 and 14, which are provided with chucks 20 and 21 and according to FIG. IA to 1E rotate in bearings 6,7,8 and 9, 10, 11. The shaft 3 is driven by a motor 17 via a belt pulley and belt! A workpiece 1 is clamped in the chuck 20 of the shaft 3. The other workpiece is clamped in the chuck 21 of the shaft 4, which is freely rotatable in its bearings 9,10,11 and axially displaceable in the direction of the workpiece 1 with the pressure system 16 with the force P ' . The printing system can also be provided on the shaft 3.

Auf die frei drehbare Welle 4 ist eine Schwungscheibe 5 aufgezogen.A flywheel 5 is pulled onto the freely rotatable shaft 4.

Die Fig. IA zeigt den Zustand der Reibschweißvorrichtung mit den in den Spannfuttern 20 und 21 der Wellen 3 und 4 eingespannten Werkstücken 1 und 2 vor der Einschaltung des Drucksystems 16 und vor der Axialverschiebung der Welle 4 mit der Kraft P'. 1A shows the state of the friction welding device with the workpieces 1 and 2 clamped in the chucks 20 and 21 of the shafts 3 and 4 before the pressure system 16 is switched on and before the axial displacement of the shaft 4 with the force P '.

F i g. 1B zeigt den Zeitpunkt der In-Kontaktbringung der zu verschweißenden Stirnflächen der Werkstücke 1 und 2. Nach der In-Kontaktbringung der beiden Werkstücke wird die Drehzahl der angetriebenen Welle 3 konstant gehalten, so daß das bisher stationär gehaltene Werkstück 2 unter Erwärmung der Kontaktzonen beider Werkstücke mitgenommen und in Rotation versetzt wird, wobei die Relativgeschwindigkeit der beiden Kontaktflächen sich verringert oder anders ausgedrückt, wobei ihre Drehzahlen sich mehr und mehr angleichen, bis die Welle 4 die Drehzahl der Welle 3 erreicht, die zu diesem Zeitpunkt noch mit dem Antrieb 17 angetrieben wird.F i g. 1B shows the time at which the end faces of the workpieces 1 and 2 to be welded are brought into contact. After the two workpieces have been brought into contact, the speed of the driven shaft 3 is kept constant, so that the workpiece 2, previously held stationary, heats the contact zones of both workpieces is taken along and set in rotation, the relative speed of the two contact surfaces being reduced or, in other words, their speeds becoming more and more similar until the shaft 4 reaches the speed of the shaft 3, which is still being driven by the drive 17 at this point in time .

Diesen Zustand stellt die F i g. 1C dar.This state is shown in FIG. 1C.

Zu diesem Zeilpunkt hört die Erzeugung von Reibungswärme auf. Die Stirnenden der Werkstücke 1 und 2 und die unmittelbar benachbarten Zonen sind nun so erhitzt, daß ihre Kontaktflächen durch die in axialer Richtung wirkende Kraft P' des Drucksystems 16 plastisch verformbar sind. Daher wird zu diesem Zeitpunkt, der in F i g. 1D dargestellt ist, der Antrieb 17 abgeschaltet.At this point, the generation of frictional heat stops. The front ends of the workpieces 1 and 2 and the immediately adjacent zones are now heated so that their contact surfaces can be plastically deformed by the force P 'of the pressure system 16 acting in the axial direction. Therefore, at this point in time, which is shown in FIG. 1D is shown, the drive 17 is switched off.

Die Verschweißung erfolgt nun unter der Einwirkung der Kraft P' bei gleichzeitiger Rotation beider Werkstücke durch die Energie der Schwungmasse der Schwungscheibe 5. Diesen Zustand zeigt die Fig. IE.The welding now takes place under the action of the force P ' with simultaneous rotation of both workpieces by the energy of the flywheel mass of the flywheel 5. This state is shown in FIG. IE.

Wie F i g. 1 zeigt, ist die Reibschweißvorrichtung mit einer Entgratungsvorrichtung 12 ausgestattet, die über der auszubildenden Schweißnaht angeordnet ist und wirksam wird, wenn die Gratbildung einsetzt. Die Gratentfernung erfolgt spanabhebend, wobei für diesen Vorgang die volle Rotationsenergie der Schwungscheibe 5 zur Verfügung steht. Da die spanabhebende Gratentfernung im Bildungszeitpunkt die volle Breite der Verschweißungszone erfaßt, tritt keine Ausweitung der Kontaktfläche ein, so daß für die Zusammenpressung der Stirnenden der zu verschweißenden Werkstükke kein erhöhter Axialdruck P'vorgesehen werden muß.Like F i g. 1 shows, the friction welding device is equipped with a deburring device 12 which is arranged above the weld seam to be formed and is effective when the burr formation begins. The burrs are removed by cutting, the full rotational energy of the flywheel 5 being available for this process. Since the cutting burr removal covers the full width of the weld zone at the time of formation, there is no widening of the contact surface, so that no increased axial pressure P 'has to be provided for the pressing together of the front ends of the workpieces to be welded.

Die Fig.2 zeigt eine spanabhebende Entgratungsvorrichtung i2' für die lnnenentgratung von stumpf im Reibschweißverfahren verschweißten Rohrwerkstükken Γ und 2', und Fig.3 stellt eine spanabhebende Entgratungsvorrichtung 12, 12' für die Innen- und Außenentgratung von Rohrwerkstücken 1' und 2' dar.2 shows a cutting deburring device i2 'for internal deburring of butt welded pipe work pieces using the friction welding process Γ and 2 ', and Fig. 3 represents a cutting process Deburring device 12, 12 'for internal and external deburring of pipe workpieces 1' and 2 '.

Der Axialdruck P' des Drucksystems kann in einfacher Weise eingestellt werden. Er entsprichtThe axial pressure P 'of the pressure system can be adjusted in a simple manner. He corresponds

'/2 / · ω²,'/ 2 / ω ² ,

wo /das Trägheitsmoment der frei rotierenden Welle 4 einschließlich Schwungmasse 5 und ω die Winkelgeschwindigkeit der angetriebenen Welle 3 ist.where / the moment of inertia of the freely rotating shaft 4 including the flywheel mass 5 and ω the angular velocity the driven shaft 3 is.

Die für die Ausführung von Reibschweißoperationen mit der oben beschriebenen Reibschweißvorrichtung erforderliche Energie ist von der Materialart und der Gestalt der zu verschweißenden Werkstücke abhängig. Die Zuordnung dieser Energie kann durch entsprechende Wahl des Trägheitsmomentes der Schwungscheibe 5 dnd der Winkelgeschwindigkeit der angetriebenen Welle 3 erfolgen. Durch entsprechende Einstellung der Axialkrah P' muß den Eigenschaften der Werkstücke Rechnung getragen werden, da von ihr die Verformung an den Kontaktstellen und die Größe der Energieabsorbierung abhängt.The energy required to carry out friction welding operations with the friction welding device described above depends on the type of material and the shape of the workpieces to be welded. The assignment of this energy can take place by appropriate selection of the moment of inertia of the flywheel 5 and the angular velocity of the driven shaft 3. The properties of the workpieces must be taken into account by appropriate setting of the axial force P ' , since the deformation at the contact points and the size of the energy absorption depend on it.

Nachfolgend wird eine Reibungsschweißoperation beschrieben, die mit der vorgeschlagenen Reibungsschweißvorrichtung durchgeführt worden ist.The following describes a friction welding operation performed with the proposed friction welding apparatus has been carried out.

5 ' 65 '6

Die Teststücke mit einem Durchmesser von 19,0 mm Das Ergebnis war folgendes:The test pieces with a diameter of 19.0 mm. The result was as follows:

bestanden aus einem Stahl folgender Zusammensetzung consisted of a steel of the following composition

Schweiß- Reibungs- Zugfestigkeitsprüfung derWelding friction tensile strength test of the

C 0,22 bis 0,28% druck schweißzeit reibungsgeschweißtenC 0.22 to 0.28% pressure welding time friction welded

Se 0,15 bis 0,35% 5 TeileSe 0.15 to 0.35% 5 parts

Mn 0.30bis0,60% .. . Zugfestigkeit BruchartMn 0.30 to 0.60% ... Tensile strength fracture type

P nicht über 0.03% ^kg/mm2 ^kJ^™l P not more than 0.03% ^{kg / mm2} ^k J ^ ™ l

S nicht über 0.035% _{fi 05?} _χβ _Ma(eria,S not over 0.035% _{fi 05?} _χβ _{Ma (eria} ,

, , ._.... ecm , 1 r» ⁹ °·^{52 55}·⁶ Material,, ._.... ecm, 1 r » ⁹ ° · ^{52 55} · ⁶ material

und hatten eine Zugfestigkeit von 55,0 kg/mm². Das 10 ,~ _nc_A c_OO ..,■„,and had a tensile strength of 55.0 kg / mm ² . The 10, ~ _n c _A c _OO .., ■ ",

Trägheitsmoment / auf der Seite der frei rotierbaren .,. „.. .,, ..,„,·,Moment of inertia / on the side of the freely rotatable.,. "... ,, ..,", ·,

..,„., , „. j„ ,, ·> η · j- 'S 0,54 56,3 Material Welle 4 betrug 1,94 · 10-²kg · m · see². Bei diesem.., ".,". j ',, ·> η · j' S 0.54 56.3 Material shaft 4 was 1.94 · 10- ² kg m · see. ² With this one

Versuch betrug die Drehzahl der angetriebenen Welle 3 ReibungsschweiUzeit ist die Zeit vom In-KontaktbrinIn the experiment, the speed of the driven shaft was 3. Friction welding time is the time from contact

2910 UpM. Dabei wurden etwa 901 kg ■ m an Energie. gen der Werkstücke bis zum Erreichen der Relativge·2910 rpm. About 901 kg · m of energy were used in the process. of the workpieces until the relative ge

d. h.'/2 to)² während der Schweißoperation zugeführt. 15 schwindigkeit Null der Werkstücke.ie '/ 2 to) ² supplied during the welding operation. 15 zero speed of the workpieces.

Beiden Versuchen wurden vier verschiedene Axialdrük- Das Ergebnis zeigt, daü die ReibungsschweißnahiFour different axial pressures were used in both experiments

ke /"angewandt, und zwar 6.9.12 und 15 kg/mm². eine ausgezeichnete Qualität aufweist.ke / ", namely 6.9.12 and 15 kg / mm ^{2. has} an excellent quality.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Method of friction welding the end faces of two aligned, separately supported or workpieces clamped in separately stored spindles, of which initially only the a workpiece connected to its drive rotates, with the aim of heating the white surfaces the workpieces are pressed against one another by axial displacement in such a way that they come close to one another of the Weirkstücksdrehlinien- changing kinetic energy of a flywheel ^ dieierfpr-; such welding heat supplies, and the resulting during the formation of the welded joint The burr is removed by cutting at the time of its formation while it is still hot characterized in that the speed of the workpiece connected to the drive during the Heating of the workpiece ends kept constant, the speed of the second, freely rotating Workpiece while increasing the balance of the flywheel associated with this workpiece Speed of the driven workpiece approximated when pressing, the welding pressure at Maintaining synchronous workpieces and deburring at full speed and balance the flywheel is carried out at the same time.

2. The method according to claim 1, characterized in that the curvature with the onset of the Synchronous operation has ended.

3. Flywheel friction welding machine with two aligned shafts, each with a clamping device to accommodate the two workpieces, one of which is provided with a drive shaft is rotatably mounted, with a pressure device for axial displacement of a shaft and pressing of the workpiece face against each other as well as with a deburring device to carry out the Method according to claims 1 and 2, characterized in that the two shafts (3, 4) are similarly rotatably mounted in a respective carrier (13, 14), one shaft (3) with the Drive (17) and the other freely rotating shaft (4) is provided with the flywheel (5), and that in the In the area of the welding point, cutting tools (12, 12 ') can be positioned on the circumference of the workpiece are arranged.