DE2022754B2 - Verfahren zum Trägheitsreibschweißen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Trägheits-Reibschweißen von Teilen mit kreisförmigem Querschnitt gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren, mit welchem beim Trägheits-Reibschweißverfahren Fehlerstellen im Mittelteil der Schweißzone vermieden werden sollen.

Das Reibschweißen sah ursprünglich einen verhältnismäßig lang dauernden Arbeitsablauf vor. Bei bekannten Reibschweißverfahren ergibt sich die lange Dauer des Arbeitsablaufes aus der Art, in der das Verfahren ausgeführt wird. Bei einem üblichen Reibschweißverfahrenwerden die beiden zu schweißenden Teile durch einen Elektromotor in Relativdrehung versetzt, während die Teile unter einem Axialdruck zusammengepreßt werden. Nach einer bestimmten

Zeit wird der Antrieb vom Elektromotor angehalten und die Drehung gebremst. Dieser Ablauf erfordert eine merkliche Zeit, gewöhnlich zehn bis dreißig oder mehr Sekunden, je nach der Größe der Teile und des Materials der zu verschweißenden Teile. Die verhältnismäßig lange Zeitspanne, während der die Teile zur Relativdrehung angetrieben werden, führt dazu, daß eine merkliche Menge an Wärmeenergie in die Schweißzone eingeführt wird. Gewöhnlich ist die Zeit lang genug, um die Ausbreitung der Wärme über die gesamte Schweißfläche zu ermöglichen.

Beim Trägheits-Reibschweißverfahren wird die Energie zum Schweißen der Teile von derjenigen Energie genommen, die in einem sich drehenden Schwungrad gespeichert ist, das zum Antrieb mit einem der Teile verbunden ist. Die Schweißenergie wird von dem Schwungrad viel schneller als die Energie abgegeben, die von dem Motor im üblichen Reibschweißverfahren zugeführt wird. Der Sdiweißvorgang ist daher beim Trägheits-Reibschweißverfahren viel kürzer. Da das Trägheits-Schweiß verfahre η sehr schnell vor sich geht, ergeben sich Schwierigkeiten, den Mittelteil des kreisförmigen Schweißbereiches der Grenzfläche ausreichend zu erwärmen und in Berührung zu bringen. Das Verfahren ist im wesentlichen ein Drehvorgang, und die richtige Mitte der durch übliches Reibschweißen oder Trägheits-Reibschweißen verbundenen Teile erfährt deshalb keine Relativbewegung. Die Mitte wird demnach nicht durch Reibung erwärmt. Auch der sehr nahe der Mitte gelegene Bereich erfährt nur eine sehr geringe Relativbewegung und wird nur teilweise durch Reibung erwärmt.

Beim Trägheitsreibschweißen ist das Problem ernster als beim üblichen Reibschweißen, da bei Trägheits-Reibschweißen kürzere Zeit erwärmt wird. Die Mitte und der sehr nahe der Mitte gelegene Bereich wird nach den bekannten Verfahren beim Trägheits-Reibschweißen von Stangen nur durch Leitung und Diffusion erwärmt. Da das Trägheits-Schweißen ein schnell ablaufendes Verfahren ist, ergibt sich bei dem bekannten Trägheits-Reibschweißverfahren das Problem der ungenügenden Erwärmung in der Mitte des Schweißflächenbereiches. Diese ungenügende Erwärmung kann zu Hohlräumen oder Fehlerstellen führen. Besonders stark tritt diese Schwierigkeit beim Schweißen von Stangen mit großem Durchmesser und von Materialien auf, die eine verhältnismäßig niedrige Streckgrenze haben.

Aus der DE-PS 1232442 ist bekannt, die zu verschweißenden Flächen vor Beginn der Reibschweißung aufzurauhen. Ferner ist aus der Zeitschrift »Schweißen und Schneiden«, 1968, Seite 492, bekannt, daß durch Reibschweißen Flächen miteinander verbunden werden, deren Durchmesser verschieden sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe, eine ungenügende Erwärmung in der Mitte des Schweißflächenbereiches zu vermeiden, wird nach der Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 1 geschaffen. Die Erfindung gewährleistet, daß die Mittelabschnitte der Endflächen der zu verschweißenden Teile während des ganzen Schweißvorganges in Berührung gehalten werden, um die Entwicklung eines Lunkers an diesem Teil der Grenzfläche zu verhindern. Das erfindungsgemäße Verfahren sorgt auch dafür, daß der Mittelabschnitt der Grenzfläche angemessen erwärmt wird, um eine Plastizität zu erzeugen, die zur Bildung einer fehlerfreien Schweißung erforderlich ist.

Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise erläutert und dargestellt sind. Es zeigt

Fig. 1 eine vereinfacht dargestellte Seitenansicht einer Trägheits-Reibschweißmaschine,

Fig. 2 eine Photographic eines geätzten Querschnittes durch zwei zusammengeschweißte Teile, die eine Fehlerstelle in der Mitte der geschweißten Teile aufweisen,

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht des Mittelteiles der Fig. 2,

Fig. 4 eine der Fig. 2 entsprechende Ansicht von Teilen, die ohne Fehlerstelle im Mittelteil verschweißt sind, und

Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht des Mittelteiles der Fig. 4.

Eine Ausführungsform einer Trägheits-Reibschweißmaschine, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, ist in Fig. 1 allgemein mit dem Bezugszeichen 11 versehen. Statt dessen können auch andere Ausführungsformen von Trägheits-Reibschweißmaschinen zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden; der Aufbau und die Arbeitsweise der Maschine 11 ist nur zur Erläuterung des Verfahrens hier beschrieben.

Die Maschine 11 weist einen Rahmen oder ein Gehäuse 12 auf, in welchem die verschiedenen Einzelteile der Maschine abgestützt sind.

Die beiden zu verschweißenden Teile, die Werkstücke WP-I und WP-2, sind in den Einspannvorrichtungen 14 und 16 angeordnet.

Die Einspannvorrichtung 16 dreht sich nicht und ist an einer Reitstock-Vorrichtung 18 angeordnet. Der Reitstock 18 ist auf dem Maschinenrahmen 12 axial beweglich angeordnet, wobei die Bewegung durch einen Druckzylinder 20 gesteuert wird. Ein nicht dargestellter Drucksteuerkreis steuert den Druck im Druckzylinder 20 und bestimmt die Kraft, mit welcher die Teile WP-I und WP-2 sich berühren.

Die Einspannvorrichtung 14 sitzt an einer Spindel 22; die Einspannvorrichtung 14 und die Spindel 22 sind drehbar innerhalb des Rahmens 12 angeordnet. Die Drehspindel 22 kann Schwungräder 24 aufnehmen, die verschiedene Größe und Masse haben können, entsprechend dem jeweiligen Einsatz der Maschine.

Ein Elektromotor 26 dreht die Spindel 22 über eine hydrostatische Transmission 28. Die hydrostatische Transmission 28 weist eine Hydraulik-Pumpe 30, einen Hydraulik-Motor 32 und einen Verteiler 34 zwischen Pumpe und Motor auf.

Das Antriebsverhältnis zwischen Motor und Spindel 22 kann dadurch verändert werden, daß der Nokkenwinkel entweder an der Pumpe 30 oder an dem Motor 32 verstellt wird. Die Pumpe und der Motor können benutzt werden, um wirksam den Motor 26 von der Spindel 22 zu trennen, indem der Nocken in der Pumpe 30 in eine Stellung gebracht wird, in der die Pumpe 30 keine Hydraulik-Flüssigkeit zum Motor 32 verdrängt.

Die Schwungradgewichte 24 sind auf der Spindel 22 so angeordnet, daß die Schweißmaschine 11 als Trägheits-Schweißmaschine entsprechend der deutschen Patentschrift 1 224 590 eingesetzt werden kann.

Ein Schweißvorgang zur Verbindung eines ersten

Werkstückes, das aus einem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und einer verhältnismäßig geringen Festigkeit besteht, mit einem zweiten Werkstück der gleichen oder einer verschiedenen Zusammensetzung kann dadurch ausgeführt werden, indem die Maschine in der folgenden allgemeinen Weise betätigt wird. Eines der Werkstücke WP-I wird in die drehbare Einspannvorrichtung 14 an der Spindel 22 eingespannt. Das andere Werkstück WP-I wird in die nicht drehbare Einspannvorrichtung 16 eingeklemmt, die am Reitstockteil 18 der Maschine sitzt. Durch Einschalten des Motors 26 werden das Schwungrad und das Werkstück HT-I auf eine vorher festgelegte Gechwindigkeit beschleunigt.

Nachdem die festgelegte Geschwindigkeit erreicht worden ist, wird der Motor 26 abgetrennt oder abgeschaltet und die Druckzylindereinrichtung 20 betätigt, um den Reitstockteil 18 und damit das Werkstück WP-I in Berührung mit dem schnell sich drehenden Werkstück WP-I zu bringen. Wenn die beiden Werkstücke unter dem Anstauchdruck, der durch den Zylinder 20 ausgeübt wird, in Berührung gebracht werden, wird an der Berührungsfläche oder Grenzfläche der Werkstücke Wärme erzeugt. Die Erwärmung verstärkt sich, bis die Werkstücke die Schweißtemperatur erreichen; in diesem Zeitpunkt verursacht der Anstauchdruck, der vom Zylinder 20 entweder als konstanter oder sich ändernder Druck ausgeübt wird, ein Ausquetschen oder Anstauchen. Während dieser Erwärmung und dem Ausquetschen hat die Drehgeschwindigkeit des Spindelteiles 22 fortwährend abgenommen. Wenn Drehung der Spindel aufhört, hat die Anstauchung stattgefunden und die Schweißung ist vollendet.

Die hier beschriebene Maschine 11 bildet nur eine Form einer Trägheits-Reibschweißmaschine. Das Trägheits-Reibschweißverfahren kann auch auf anders ausgebildeten Maschinen ausgeführt werden. Unabhängig jedoch von der jeweils besonderen Ausführungsform der Maschine wird beim Trägheits-Reibcchweißverfahren die Energie zum Schweißen der Teile stets von der Energie genommen, die in einem sich drehenden Schwungrad gespeichert ist, das so verbunden ist, daß es eines der Werkstücke antreibt. Die Schweißenergie wird von dem Schwungrad sehr viel schneller abgenommen, als sonst Energie von einem Antriebsmotor bei einem üblichen Reibschweißverfahren zugeführt wird.

Da das Trägheits-Reibschweißverfahren so schnell abläuft, haben sich Schwierigkeiten ergeben, eine angemessene Erwärmung und Berührung im Mittelabschnitt des kreisförmigen Schweißbereiches der Grenzfläche zu erzielen. Eine unzureichende Erwärmung und Berührung in der Mitte der Grenzfläche führt zu fehlerhaften Schweißungen in diesem Teil der Grenzfläche.

Nach den Fig. 2 und 3 kann die Fehlerstelle in der Mitte die Form eines Lunkers haben, der durch fehlenden Kontakt oder von Oxid-Resten an den außer Berührung befindlichen Flächen der zu schweißenden Teile verursacht ist.

Die vorliegende Erfindung hat festgestellt, daß diese Schwierigkeiten im wesentlichen auf zwei Faktoren beruhen. Die Fehlerstellen in der Mitte können sich dadurch ergeben, daß die Erwärmung nicht nahe genug zur Mitte beim Trägheits-Reibschweißverfahren beginnt. Fehlerstellen in der Mitte können auch dadurch verursacht werden, daß die Erwärmung nicht eng genug auf die Grenzfläche beschränkt worden ist, um die Erwärmung über die Mitte innerhalb der beim Trägheits-Reibschweißverfahren verfügbaren Zeit auszubreiten.

Nach der Erfindung wird das Problem der Fehlerstellen in der Mitte dadurch gelöst, daß Verfahren zum Trägheits-Schweißen angewendet werden, welche die Erwärmung in der Nähe der Mitte der Grenzfläche verursachen und ein Nachgeben oder Fließen der zu verschweißenden Teile auf einen schmalen Materialstreifen beiderseits der Grenzfläche beschränken. Durch diese Beschränkung wird die Eingangsenergie des Schweißvorganges gezwungen, eine Plastizität an der Grenzfläche zu erzeugen, anstatt noch Material in einem merklichen Abstand von der Grenzfläche durchzuarbeiten. Verfahren, mit welchen die Zeit erhöht werden kann, während der die Teile in Relativdrehung sich berühren, haben sich auch als nützlich erwiesen, um zur Vermeidung von Mittelfehlerstellen beizutragen.

In dieser letzteren Hinsicht können viele Mittelfehlerstellen wirksam vermieden werden, indem die Energiemenge erhöht wird. Mehr Energie, bezogen auf die zur Erzielung des gewünschten Ergebnisses erforderlichen Mengen, bedeutet jedoch eine längere Zykluszeit, d. h. eine geringere Produktivität, und eine größere Menge an ausgequetschtem Grat, der wieder entfernt werden muß.

Das Problem der Mittelfehlerstellen ist ein äußerst wichtiges Problem. Die Fehlerstelle in der Mitte wirkt spannungssteigernd. Fehlerstellen in der Mitte erhöhen die Spannungskop.zentration in einer Weise, die etwa ähnlich derjenigen ist, in der eine Kerbe die Spannungskonzentrationen an einer Außenfläche erhöht. Die Mittelfehlerstellen können merklich die Festigkeit des Schweißstückes verringern. Besonders kritisch wirken sich Mittelfehlerstellen aus, wenn die Schweißstücke axialen Spannungskräften unterworfen werden und sich Ermüdungserscheinungen ergeben.

Am häufigsten sind Mitteifehlerslelien bei ungehärteten Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und relativ niedriger Streckgrenze beoachtet worden. Mittelfehlerstellen sind jedoch auch bei anderen Materialien festgestellt worden.

Ein besonderes Problem sind Mittelfehlerstellen bei Stangen mit großem Durchmesser; sie können jedoch auch bei Stangen mit einem Durchmesser von nur 0,96 cm auftreten.

Es wird angenommen, daß Mittelfehlerstellen durch die Bildung eines stabilen Kreisringes aus heißem Material verursacht werden können, der allgemein in der Radiusmitte der Teile liegt. Der Ring aus heißem Material in der Radiusmitte kann sich thermisch auf ein solches Maß ausdehnen, daß die Mitte und die Außenkante des einen Teiles wenigstens eine kurze Zeit dazu neigen, sich aus der Berührung mit der entsprechenden Fläche des anderen Teiles abzuheben. Aufgrund dieser theoretischen Annahme ist davon auszugehen, daß der Ring daran gehindert werden muß, einen stabilisierten Zustand auszubilden, da sonst die Mitte der zu verschweißenden Teile nicht angemessen erwärmt wird, um die erforderliche Plastizität in der Mitte der Grenzfläche zu erzeugen.

Ein Zusammenbrechen des Ringes und eine daraus folgende Ausbreitung der Plastizität zur Mitte ist auch durch Ausdrücke der adiabatischen Schubkraft und der unteren kritischen Geschwindigkeit analysiert

worden. Dabei ist davon auszugehen, daß irgendeine untere kritische Geschwindigkeit V_c überschritten werden muß, um eine adiabatische Schubkraft zu erzeugen, die zu einem Ring führt, der zur Mitte hin fortschreitet. Die adiabatische Schubkraft steht in Beziehung,zu (KRC)⁰-⁵ ■ T_M. Dabei ist K die Wärmeleitfähigkeit, R die Dichte, C die Wärmekapazität und T^ der Schmelzpunkt des zu schweißenden Materials. Die Geschwindigkeit, die erforderlich ist, um Mittelfehlerstellen zu verhindern und dem Ring durch adia- n batische Schubkraft zu ermöglichen, zur Mitte hin fortzuschreiten, steht dann in Beziehung zu (KRC)⁰-⁵ ■ T_M. Zum Beispiel ist für die meisten Materialien V_c = (2 bis 4) · (KRC)⁰⁵ ■ T_M.

Es gibi mehrere Verfahren, welche die Erwärmung ι^: in der Nähe der Mitte der Grenzfläche auszulösen oder auszulösen versuchen. Diese Verfahren werden gesondert im einzelnen weiter unten erläutert. Hier ist zunächst vorzumerken, daß diese Verfahren mit höherer Anfangsgeschwindigkeit, Mittelvorsprüngen, -'i niedrigem Schweißdruck, einer langsamen Geschwindigkeit des Druckaufbaus und einem gesteuerten zweistufigen Druckzylus arbeiten.

Es gibt eine Anzahl Verfahren, um den Eingang der Schweißwärme auf einen schmalen Materialstrei- j3 fen auf beiden Seiten der Grenzfläche zu konzentrieren und zu beschränken. Diese Verfahren führen in den meisten Fällen zu niedrigen anfänglichen Drehmomenten, so daß die Neigung geringer wird, Material in einer merklichen Entfernung von der Grenzfläche jii plastisch durchzuarbeiten. Diese Verfahren zur Beschränkung der Durcharbeitung auf den unmittelbaren Grenzflächenbereich haben auch die Wirkung, einen stabilen Ring dadurch zu überwinden, daß seine Fortbewegung zur Mitte und außerdem nach außen π verursacht wird. Diese Verfahren schließen ein: geringere Drücke, niedrige Geschwindigkeit des Druckaufbaus, Vorbehandlung eines oder beider Teile vor der Schweißung, wie Härtung eines Endes des einen Teiles, Verwendung verschiedenen Materials für einen oder beide Teile, Verwendung eines verschiedenen Druckmessers für einen Teil, Verringerung des Druck-Energie-Verhältnisses, Anwendung eines abgestuften Druckbelastungszyklusses mit einer niedrigen Anfangsbelastung, Kühlung des einen Teiles und Anwendung einer Beschränkungsmuffe.

Durch geringere Drücke und eine geringe Geschwindigkeit des Druckaufbaus wird die Zykluszeit verlängert, so daß mehr Zeit zur Zufuhr von Wärme und plastischem Material in den Mittelbereich verfügbar ist.

Weiter unten wird außerdem ausführlich erläutert, daß die Zeit des Vorganges, d. h. die Dauer der Relativdrehung, vergrößert werden kann, indem zusätzliche Energie im Schwungrad gespeichert wird.

Ein Mittelvorsprung hat sich als äußerst wirksam erwiesen, um Mittelfehlerstellen dadurch zu vermeiden, daß die Erwärmung in der Mitte der Grenzfläche ausgelöst wird. Die maximale Größe des Vorsprunges kann kritisch sein. Wenn dabei V₂ bis V₄ des Gesamt- t,o durchmesser der Stange überschritten wird, kann sich die Wirkung umkehren. Mittelvorsprünge dieser Größe oder mit noch größeren Abmessungen können selbst Mittelfehlerstellen und weitere Fehlerstellen an den Kanten des Vorsprunges verursachen. Es ist an- b5 zunehmen, daß für einen gegebenen Durchmesser einer Stange ein bestimmter Vorsprung günstigster Größe vorhanden ist.

Der Vorsprung kann dadurch ausgebildet werden, daß unmittelbar am Ende eines Werkstückes durch spanabhebende Bearbeitung ein Vorsprung hergestellt wird. Der Vorsprung kann als kleiner Fleck oder Spitze am Ende eines Stückes durch Bogenschweißung erzeugt werden. Ein kleiner gesonderter Vorsprung kann durch Aufkleben, Magnetkraft oder andere Mittel an einem Ende eines Werkstückes befestigt werden. Allgemein braucht der Vorpsrung nur mehrere 25,4 · 10~³ mm dick zu sein und ist nur an einem der beiden Werkstücke vorzusehen.

Durch den Mittelvorsprung wird auch dazu beigetragen, die anfängliche Drehmomentspitze zu beschränken. Ein Mittelvorsprung beseitigt auch andere Nachteile, wie eine zu niederige Anfangsgeschwindigkeit oder einen unrichtigen Axialdruck.

Bei Betrachtung der Parameter erscheint als wichtigste einzelveränderliche, soweit es um die Vermeidung von Mittelfehlerstellen geht, die Anfangsgeschwindigkeit. Eine hohe Anfangsgeschwindigkeit veranlaßt allgemein eine Erwärmung in der Nähe der Mitte der Grenzfläche. Die hohen Anfangsgeschwindigkeiten haben die Wirkung, den anfänglichen Kontaktring sehr nahe zur Mitte der Grenzfläche anzuordnen.

Geschwindigkeiten, die etwa 580 m/min an der Oberfläche von Stangen aus SAE-1018-, -1045- und -1095-Stahl übersteigen, erscheinen angemessen, um Mittelfehlerstellen bei Trägheits-Schweißungen dieser Materialien zu vermeiden, unabhängig von der Höhe der Druckbelastung, die zur Ausführung der Schweißung verwendet wird.

In manchen Fällen führt eine sehr kleine Vergrößerung der Geschwindigkeit dazu, daß anstelle einer schlechten eine gute Schweißung erzielt wird.

Bei Stangen bestimmter Größen oder Materialien kann es sehr schwierig sein, die günstigste Geschwindigkeit zu ermitteln, und in manchen Fällen können, nachdem die Geschwindigkeit bestimmt ist, in der Konstruktion der Maschine liegende oder andere Faktoren eine Verwendung dieser Geschwindigkeit verhindern. Eine Erhöhung der Geschwindigkeit erfordert auch allgemein eine Erhöhung der Energie. Eine solche Energieerhöhung kann in verschiedenen Fällen unerwünscht sein. In solchen Fällen müssen andere Mittel angewendet werden, um die Erwärmung in der Mitte zu fördern.

Durch eine geringere anfängliche Axialdruckbelastung wird ein Beginn der Erwärmung näher zur Mitte der Grenzfläche begünstigt. Der geringere Druck erzeugt auch geringere anfängliche Drehmomenthöhen beim Trägheits-Schweißverfahren. Dadurch wird wiederum das Fließen des Materials von der Grenzfläche fort verringert, so daß die Erwärmung konzentriert und tatsächlich auf die Grenzfläche beschränkt wird. Geringere Druckbelastungen und die erwähnten anderen Faktoren wirken aufbrechend auf einen stabilen Ring und verursachen dadurch eine Fortbewegung zum Mittelpunkt. Zusätzlich wurde schon erwähnt, daß niedrige Drücke die Anwärmzeit erhöhen und dadurch dem Ring und der Wärme mehr Zeit zum Fortschreiten und zur Leitung lassen.

Der richtige Axialdruck liegt vielfach in einem ziemlich schmalen Band. Eine zu geringe Druckbelastung kann ebenso wie eine zu hohe Druckbelastung Mittelfehlerstellen erzeugen.

Fig. 2 bis 5 veranschaulichen die Wirkung, die bei Verringerung des Druckes zur Vermeidung von Mit-

telfehlerstellen erzielt wird. Die in den Beispielen verschweißten Teile waren runde Stangen mit 2,55 cm Durchmesser aus SAE-1018-Stahl. Die Schweißungen wurden bei 3800 UpM und etwa 0,7915 kg · m² ausgeführt. Die Energie betrug 6361 mkg, und die Materialkonstante C, die ausführlicher mit Bezug auf eine empirische Formel weiter unten erläutert wird, betrug 1450. Der einzige Unterschied zwischen der in Fig. 2 dargestellten und der in Fig. 4 dargestellten Schweißung lag in dem Axialdruck. In Fig. 2 wurde mit einem Axialdruck von 4990 kg gearbeitet. In Fig. 4 war der Axialdruck 3629 kg. Die in Fig. 2 dargestellte Schweißung hat eine Mittelfehlerstelle in Form eines Lunkers, wie aus der fünffachen Vergrößerung der Fig. 3 ersichtlich ist. Die in Fig. 4 gezeigte Schweißung hat keine Mittelfehlerstelle.

Ein weiteres Verfahren zur Verbesserung der Erwärmung in der Mitte beim Trägheits-Schweißen von Teüen besteht in der Verwendung einer geringen Geschwindigkeit beim Druckaufbau. Der langsamere Druckaufbau neigt dazu, geringere anfängliche Drehmomenthöhen zu erzeugen. Dies führt wiederum dazu, daß die Erwärmung auf die Grenzfläche beschränkt wird, indem ein Nachgeben oder Fließen des Materials von der Grenzfläche fort verringert wird. Das Fließen des Materials noch in einem gewissen Abstand von der Grenzfläche ist ein wesentlicher Faktor bei Materialien mit verhältnismäßig geringer Festigkeit, da durch dieses Fließen Energie absorbiert wird, die sonst an der Grenzfläche umgesetzt würde, d. h. Energie, die sonst dazu führen würde, die erforderliche Plastizität an der Grenzfläche hervorzurufen.

Ein damit in Beziehung stehendes Verfahren zur Vermeidung von Mittelfehlerstellen besteht in einer abgestuften Form der Druckanwendung. Bei diesem Verfahren wird der gesamte Schweißdruck in zwei Teile geteilt, einen anfänglichen niedrigen und einen schließlichen hohen Druck. Erfindungsgemäß soll in der ersten Stufe.der Druck 25% oder weniger der schließlichen Druckbelastung betragen. Der erste Druck soll auf den Schweißstücken etwa 50 bis 100% der gesamten Schweißdauer lasten, d. h. der Zeit, während der die Teile in Relativdrehung miteinander in Berührung stehen. Der Druck der ersten Stufe wirkt als Erwärmungsdruck, wobei die anfängliche Erwärmung in der Nähe der Mitte beginnt und dann nach außen fortschreitet. Der Druck der zweiten Stufe wirkt als Schmiededruck zum Ausstoßen des Grates und zur Fertigstellung der Schweißung. Da der niedrige Druck der ersten Stufe tatsächlich die Erwärmung in der Nähe der Mitte der Werkstücke beginnen läßt, bevor die Erwärmung sich nach außen bewegt, ist es erforderlich, die Dauer der ersten Stufe verhältnismäßig lang zu halten.

Abgestufter Druck ermöglicht in manchen Fällen ein Schweißen mit viel geringeren Energien und Höchstdrücken als bei einer Schweißung mit nur einem Druck erforderlich wäicn. Das kann besonders wichtig für das Schweißen von Teilen mit sehr großem Durchmesser werden. Eine Erniedrigung des Druck-Energie-Verhältnisses kann auch die Wirkung haben, die Erwärmung in der Nähe der Mitte zu beginnen und die Erwärmung auf den unmittelbaren Grenzflächenbereich zu beschränken. Ein geringeres Druck-Energie-Verhältnis verringert die Spannungsbeanspruchungen an von der Grenzfläche entfernter liegenden Stellen.

Bei Stahlstangen mit Kohlenstoffgehalten im Be-

reich von 0,08 bis 0,45% ist gefunden worden, daß Druck-Energie-Verhältnisse im Bereich von 0,25 bis 0,50 erwünscht sind, um die Bildung von Mittelfehlerstellen zu vermeiden.

Falls ein verhältnismäßig weicher Teil in einigem Abstand von der Grenzfläche noch durchgearbeitet wird, kann zuviel von der gespeicherten Energie von der Grenzfläche abgeleitet werden. Mit dem Ergebnis, daß die Grenzfläche selbst im Mittelteil nicht bis zu dem gewünschten Zustand der Plastizität erwärmt wird.

Erfindungsgemäß können eine Anzahl Verfahrensschritte benutzt werden, die für eine physikalische Schranke gegen eine übermäßige Nachgiebigkeit im Abstand von der Grenzfläche sorgen.

In einigen Fällen kann ein weicher Teil vor dem Schweißgang so behandelt werden, daß wenigstens die Endfläche des Teiles gehärtet wird. Das Auftreten von Mittelfehlerstellen bei Stählen mit Kohlenstoffgehalten im Bereich von 0,08 bis 0,30% kann beträchtlich verringert werden, falls die Endfläche vor dem Schweißen von einer Rockwell-Härte C30 auf eine Rockwell-Härte CSO gebracht wird.

In manchen Fällen kann statt dessen ein Verfahrensschritt benutzt werden, bei welchem die Festigkeit des einen Teiles verringert wird. Dies kann durch Erwärmung auf etwa 150 bis 427° C und Anlassen geschehen. Bei entsprechenden Bedingungen kann eine solche Erwärmung des einen Teiles einen Unterschied zwischen den Festigkeiten der beiden zu schweißenden Werkstücke hervorrufen und kann das Ausquetschen des Grates in verschiedenen Ausmaßen verursachen, wodurch Mittelfehlerstellen vermieden werden.

Ein weicher Teil kann während des Schweißvorganges gekühlt werden, etwa durch Umwälzung einer Flüssigkeit in einem um den Teil herumgelegten Mantel, wodurch in dem Material hinter der Grenzfläche der Verlust an Festigkeit verringert wird, der sonst aufgrund der beim Schweißverfahren erzeugten Wärme auftreten würde.

Eine Umschließungsmuffe kann auf den weichen Teil eng benachbart zur Grenzfläche aufgesetzt werden, um eine Verbreiterung des Materials durch Axialbewegung hinter der Grenzfläche zu verhindern. Für einen weichen Teil kann ein größerer Durchmesser verwendet werden, damit der Durchmesserüberschuß als Ring- oder Kragenumschließung ähnlich wie eine gesonderte Umschließungsmuffe wirkt.

Die Verwendung von verschiedenen Materialien für einen oder beide zu verschweißenden Teile hat sich in einigen Fällen ebenfalls als nützlich erwiesen, um die Bildung von Mittefehlerstellen zu verhindern. Der Ersatz des einen Teiles durch ein verschiedenes Material kann die Wirkung haben, daß die beiden Teile in verschiedenem Ausmaß Grat ausbilden. Dadurch kann wiederum die Kontinuität eines stabilisierten Zustandes an der Grenzfläche während des Schweißvorganges aufgebrochen werden, so daß die Erwärmung über die gesamte Grenzfläche verbreitet wird.

Zur Bestimmung der Parameter für das Trägheits-Schweißen sind verschiedene Gleichungen benutzt worden. Die zum Schweißen runder Stangen benötigte Energie kann aus einer emprischen Beziehung berechnet werden: E = CD²·⁵ ■ F¹¹·⁵.

Darin ist C = einer Materialkonstante, D = dem Stangendurchmesser in Zoll und V = der Oberflä-

chengeschwindigkeit in 0,305 m/min.

Zur Bestimmung der angemessenen Schwungrad-Trägheitsmasse dient die Formel WK² = 5873 E/N¹.

Darin ist WK¹ = der Trägheitsmasse des Schwungrades in lb-ft.² und N = der Drehgeschwindigkeit in Umdrehungen pro Minute. Diese Näherungsformel zur Bestimmung der Energie führt zu guten Schweißungen ohne Mittelfehlerstellen bei Stählen mit Kohlenstoffgehalten im Bereich von 0,08 bis 0,45%. Dabei ist die Konstante C im Bereich von 1000 bis 1600, das Druck-Energie-Verhältnis im Bereich von 0,25 bis 0,50 und die Oberflächengeschwindigkeit V im Bereich von 305 bis 610 m/min.

Stufendrücke im Bereich LIE = 0,25 bis 0,50 haben sich bei Verwendung zusammen mit den Ge-

schwindigkeiten, Energien und Materialien, die oben erwähnt sind, als wirksam zur Erzeugung von Trägheits-Schweißungen ohne Mittelfehlerstellen erwiesen.

Der Druck, mit dem die Teile anfänglich in Berührung gebracht werden, kann auch aufgrund der folgenden empirischen Beziehung bestimmt werden: L = KD²⁵ ■ V"-⁵.

Darin ist K eine Materialkonstante, D der Stangendurchmesser in Zoll und V die Umfangsgeschwindigkeit in 0,305 m/min. Diese Beziehung zur Bestimmung des Druckes ist grundsätzlich dieselbe wie die erwähnte zur Berechnung der Energie. Die Materialkonstante K hat jedoch einen von der Materialkonstante C abweichenden Wert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Trägheits-Reibschweißen der Endflächen zweier Metallwerkstücke in einem Grenzbereich von kreisförmigem Querschnitt unter Ausschaltung von Fehlerstellen in der Mitte des Grenzbereiches, wobei die zur Schweißung benötigte Energie in einem Schwungrad gespeichert wird, das mit dem einen Werkstück verbunden ist, und die Endflächen der Werkstücke in Drehberührung gegeneinander gepreßt werden, um den Grenzbereich schnell auf einen plastischen, schweißfähigen Zustand zu erwärmen, indem die gespeicherte Energie vom Schwungrad übernommen wird, während im Grenzbereich die Reibung ucd die plastische Durcharbeitung die Drehung des Schwungrades verzögern, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung in der Nähe der Mitte des Grenzbereiches eingeleitet und das Nachgeben der Werkstücke auf einen schmalen Materialstreifen auf beiden Seiten der Grenzfläche beschränkt wird, so daß die Eingangsenergie für die Schweißung gezwungen wird, eine Plastizität nur in einem schmalen Grenzbereich zu erzeugen und das Material außerhalb des Grenzbereiches unbeeinflußt zu lassen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte der Endfläche eines der Werkstücke vor dem Zusammenpressen der Teile ein axial sich erstreckender Vorsprung angeformt wird, so daß die Einleitung der Berührung und der Erwärmung in der Nähe der Mitte der Grenzfläche verursacht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einleitend die Werkstücke in Berührung unter Relativdrehung mit Geschwindigkeiten gebracht werden, die groß genug sind, um einen Ring aus plastischem Material in der Nähe der Mitte der Grenzfläche auszubilden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke Stahlteile mit einer Streckgrenze von weniger als 7031 kg/cm² sind und die Anfangsgeschwindigkeit der Berührung über 305 m/min an der Außenfläche der zu verschweißenden Werkstücke beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke einleitend mit einer Axialbelastung in Berührung gebracht werden, die einen durchschnittlichen Druck von weniger als 703 kg/cm² über die Grenzfläche erzeugt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß nachfolgend die Druckbelastung erhöht wird, um einen durchschnittlichen Druck von mehr als 1055 kg/cm² über die Grenzfläche am Ende der Relativdrehung der Teile zu erzeugen.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke Stahlteilc mit einer normalen Streckgrenze von weniger als 7031 kg/cm² sind und daß ein Endflächenabschnitt von wenigstens einem der Werkstücke auf eine Streckgrertze von mehr als 7031 kg/cm² gehärtet wird, bevor die Teile unter Relativdrehung in Berührung gebracht werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Werkstück mit einem größeren Durchmesser als das andere versehen

wird, so daß der Teil des überschießenden Durchmessers als Kantenbeschränkung der Grenzfläche dient und die Erwärmung und das plastische Material auf die Grenzfläche beschränkt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Relativdrehung verändert wird, nachdem die Teile in Berührung gebracht worden sind, um die ErwärmuEg über die Grenzfläche auszubreiten.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende eines Teiles mit geringer Streckgrenze mit einer Umschließungsmuffe umgeben wird, um eine radiale Verformung während des Schweißens zu verhindern und dadurch die Erwärmung auf die Grenzfläche zu beschränken.

11. Verfahrer, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke Stahlstangen mit einer Streckgrenze unter 7031 kg/cm² sind und sich anfänglich bei einer Relativdrehung mit einer Oberflächengeschwindigkeit von mehr als 305 m/min berühren, wobei die Teile unter einer Axialbelastung stehen, die einen durchschnittlichen Druck von weniger als 703 kg/cm² an der Grenzfläche erzeugen, und daß die Axialbelastung während des Schweißvorganges zur Erzeugung eines durchschnittlichen Druckes von mehr als 1055 kg/cm² an der Grenzfläche zum Ende der Relativdrehung der Stangen vergrößert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer der Schweißung durch Speicherung zusätzlicher Energie im Schwungrad verlängert wird, um eine Erwärmung der Mitte der Grenzfläche auf einen plastischen Zustand zu gewährleisten.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile mit einer anfänglichen Umfangsgeschwindigkeit im Bereich von angenähert (2 bis 4) · (KRCf⁵ ■ T_M in Berührung gebracht werden, wobei K die Wärmeleitfähigkeit, R die Dichte, C die Wärmekapazität und T_M der Schmelzpunkt des zu schweißenden Materials ist.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke Stahlstangen mit seinem Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,08 bis 0,45% sind und das Druckbelastungs-Energieverhältnis im Bereich von 0,25 bis 0,50 liegt.