DE2035401A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Feststel len der Schweißgute einer Reibungsschweißung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Feststel len der Schweißgute einer Reibungsschweißung

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DE2035401A1
DE2035401A1 DE19702035401 DE2035401A DE2035401A1 DE 2035401 A1 DE2035401 A1 DE 2035401A1 DE 19702035401 DE19702035401 DE 19702035401 DE 2035401 A DE2035401 A DE 2035401A DE 2035401 A1 DE2035401 A1 DE 2035401A1
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DE19702035401
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Colin Ronald George Newton Lilly Rodger Hedley Comberton Cambridge Ellis (Großbritannien) GOIn
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The Welding Institute Abington Hall, Abington, Cambrigde (Großbntan men)
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Description

Patentanwälte Dr. Ing. H. Negendank
Dipl. Ing. H. Haudc
Dipl. Phys. W. Schmitz
8 München 15, Mozaristr.23
Tel. 5380586
The Welding Institute ' ■■■ · '
Abington Hall, Abihgton
Cambridge, ENGLAND ■■■-.■ 16. Juli197o
Verfahren und Vorrichtung
zum !Feststellen der Schweißgüte einer Reibungsschweißung ■
Beim kommerziellen Reibungsschweißen beruht.die Qualitätskon- trolle darauf, daß die Parameter der Reibungsschweißmaschine
während des Schweißens überwacht und/oder routinemäßig ein
Bruchtest durchgeführt wird. Bei der "Überwachungsmethode'1 wird angenommen, daß die erhaltenen Werte der Maschinenparameter den Werten an der Schweißfläche entsprechen. Ein besseres Verfahren, das vorgeschlagen wurde, besteht· darin," die Größe des Abbrandes oder der Stauchung, d.h. die axiale Verkürzung des Werkstücks
während dea Schweißzyklus, zu messen. Die axiale Verkürzung der Werkstücke ist ein unmittelbares Maß der Wirkung der Maschinenparameter in dem Bereich, in dem die Schweißung durchgeführt
wird. Sie ist außerdem ein Maß für die Größe der radialen Verdrängung des Berührungsflächen-Materials und daher für die Entfernung des Schmutzes, der an den ursprünglichen aneinander anliegenden Flächen vorhanden war. Die Abbrand-Strecke ist daher ein nützliches Kriterium in soweit, als ate groß genug sein? muß,
■·■■■ -■ ' "2"
■ . ■ ._ 2035Λ01
tun sicherzustellen, daß der in der Mitte der Berührungsflächen vorhandene Schmutz nach außen in den "Stauchungs wulst" verdrängt wird.
Durch die Erfindung soll jedoch ein Verfahren angegeben werden, durch das die Schweißgüte noch besser beurteilt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gekennzeichnet«
Die Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß die Schweißfestig- : keit in engem Zusammenhang mit der Abbrandgeschwindigkeit steht, die somit ein noch besseres Kriterium als die Abbrandstrecke . ist. Pur ein gegebenes Material ist die bevorzugte Abbrandgeschwindigkeit eine Konstante 9 dfflh0 sie ist im wesentlichen unabhängig von der Berührungsfläche und der Drehzahl- und zwar über einem Bereich^ der gewöhnlich mindestens ± 2o$ für jeden dieser Parameter beträgt und noch größer sein kann; kleinere Änderungen der Fläche oder der Drehzahl der Werkstücke sind daher von geringer Bedeutungg, vorausgesetzt,·" daß "die Abbrandgeschwindigkeit innerhalb eines annehmbaren Bereiches gehalten wird. Flußstahl ist ein Beispiel für ein Material, das gegenüber Änderungen der Fläche und der Drehzahl unempfindlich ist. Die bevorzugte Abbrandgeschwindigkeit im Fall von Flußstahl liefert eine Zugfestigkeit entsprechend dem ursprünglichen ungeschweißten Material bei einer Änderung der Werkstückfläche und Drehzahl von £ 5o$„
¥0 9 8 8 67 02 61
Wenn eine automatische Steuerung erforderlich ist, kann das Ergebnis des Vergleichs dazu verwendet werden, eine Korrekturanlage zu steuern, die den Druck oder die Drehzahl der Werk- . stücke in Abhängigkeit von einem'.."Fehler in der Abbrandgeschwindigkeit derart Verändert, daß dieser Fehler verringert wird. Falls gewünscht, kann die Einrichtung zum Sicherstellen der Schweißgüte auch die Abbrandstrecke messen und dafür sorgen, daß der Schweißzyklus fortgesetzt wird, bis die gewünschte Abbrandstrecke erreicht ist.
Der Axialdruck, der beim Reibungsschweißen während der Drehung auf die Werkstücke ausgeübt wird, kann auch nach Beendigung der Drehung noch eine Zeitlang auf dem gleichen Wert oder auf einem höheren Wert gehalten werden, um einen "Stauchdruck" in einer zweiten Terfahrenssüüfe zu erzeugen, die mit Beendigung der j Drehung bzw» etwas früher oder später beginnt. Die Geschwindigkeit der axialen Verkürzung während dieser zweiten Verfahrensstufe kann als weiteres Kriterium der Schweißgüte verwendet werden (mit oder ohne zusätzlicher Messung der Länge der axialen Verkürzung während des "Stauchens"). Die Ergebnisse dieser Messungen können ebenfalls in einer Rückkopplungssehleife dazu verwendet werden, die Größe des Drucks oder die Dauer der Stauchung zu steuern.
Die Beziehung zwischen der Abbrandgeschwindigkeit und der Schweißfestigkeit gilt auch dann, wenn verschiedene Metalle durch Reibungsschweißen miteinander verbunden werden.
-4-
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Bei Vorrichtungen, die, das erfindungsgemäße Verfahren anwenden und die als geschlossene Schleife ausgebildet sind, sucht die Steueranlage seihst den Abbrand konstant zu halten. Auch wenn die Steueranlage nicht als Anlage mit geschlossener Schleife ausgebildet ist, ist die Abbrandgeschwindigkeit für viele Metalle und Metallkombination dennoch näherungsweise konstant,, wenn die flüssige Berührungsfläche einmal gebildet ist» Bei einigen anderen Metallen oder Metallkombinationen ist die Abbrandgeschwindigkeit nicht so gleichförmig; die Durchschnitts-Abbrandgeschwindigkeit in der Zeit zwischen demBeginn der axialen Verschiebung der Werkstücke bis zur Beendigung der Drehung (oder zumindest innerhalb des größten Teils dieses Zeitraums) ist jedoch derjenige Wert„ der für die Zwecke der Erfindung erforderlich ist»
In beiden Fällen kann anstelle einer unmittelbaren Messung der Abbrandgeschwindigkeit die Zeit gemessen werden, die für eine vorgegebene axiale Verschiebung bzw, eine vorgegebene Abbrand-, strecke erforderlich ist»
Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert» Es zeigern
Figur 1 eine Aufzeichnung eines Reibungsschweißzyklus,
Figur 2 ein Diagramm» in dem die Zugfestigkeit .über der Abbrandgeschwindigkeit aufgetragen isty
■■."■■■ ; -."■■■.. ■■'.'■. -5-
00988£/Q2SS
figuren eine Draufsicht und eine Seitenansicht einer Vor-3 und 4 richtung zum Messen der Abbrandgeschwindigkeit,
wobei die Figur 4 ein Blockdiagramm eines elektrischen Schaltkreises enthält,
Figur 5 ein Diagramm, das das in den Figuren 3 und 4 verwendete Verfahren zum Messen der Abbrandgeschwindigkeit darstellt,
Figur 6 ein Diagramm, das die Auswirkung eines Zweistufen-Schweißzyklus darstellt,
Figur 7 eine Hydraulikvorrichtung mit geschlossener Rückkopplungsschleife, die auf die Abbrandgeschwindig-* keit anspricht.
Figur 1 zeigt eine typische Aufzeichnung eines Reibungsschweißzyklus mit Kurven für die Relativ-Drehzahl der Werkstücke, die axiale Belastung, das Drehmoment und die Abbrandstrecke, die alle über der Zeit aufgetragen sind. Es handelt sich dabei um eine Aufzeichnung einer Reibungsschweißung zwischen einem Werkstück aus Aluminium und einem Werkstück aus Titan. Es sei angenommen, daß eines der Werkstücke stillsteht j das andere Werk- ·. stück wird dann vor Beginn der Sohweißung in Drehung versetzt. Bei Beginn des Verfahrensabschnittes I berühren die Werkstücke einander, u;nd eine axiale Kraft wird aufgebracht. Die axiale Kraft wächät in dem Verfahrensabschnitt I an, in dem Oberflächenfilme der Werkstückenden abbrechen und lokale Überhöhungen abgetragen werden, Diea hat heftige Schwankungen des Drehmoments zur Folgej der Abbrand ist jedoch vernachlässigbar. Bei Beginn.
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des Verfahrensabschnitts II entsteht eine gemeinsame Berührungsfläche, und danach beginnt das Drehmoment von seinem Spitzenwert abzufallen. Kurz nach dem Spitzenwert, des Drehmoments beginnt die axiale Relativbewegung bzw«, der Abbrand der Werkstücke, und zwar mit einer Geschwindigkeit^ die von dem aufgebrachten Druck, der Drehzahl und der Fläche der Werkzeugenden abhängt. Im Anfangsstadium des Verfahrensabschnitts III fällt das Drehmoment auf einen etwa konstanten Wert abs und die Schweißgrößen sind danach im wesentlichen im Gleichgewicht-,, Das "gestauchte" Material bildet einen Wulst einschließlich einer engen Zwischenfläche, die beiden Werkstücken gemeinsam ist® Am Ende des Verfafo·= rensabschnitts III wird der Drehantrieb des rotierenden Werkstücks angehalten, mit der Folge, daß eine Verzögerung zwischen den Werkstücken stattfindet» Innerhalb dieses Zeitraums erreicht das Drehmoment trots der Verzögerung einen neuen Spitzenwert; der Anstieg hängt vermutlich mit einer Änderung in den Eigenschaften der gemeinsamen Berührungsfläche zusammen0 Der neue Spitzenwert des Drehmoments wird während einer endlichen Zeit ders Verzögerung aufrecht erhalt -en, wonach die Drehzahl so stark abgefallen ist, daß der Spitzenwert des Drehmoments'nicht langer gehalten werden kann» Bs ist anzunehmen9 daß die Drehmomentenspitze mit der Scherfestigkeit in der Berührungsfläche überein-j·. stimmt, die τοη der radialen Verdrängung des Metalls an der heißen Berührungsfläche herrührt«, Di© Breite der Berührungsfläche nimmt zu, und die AlSbrandgeachwlndigkeit wird größerp und gwar■: insbesondere d®En9 wena (wie in figur 1); der Axialdruck nach Abkuppeln des Brehantoieba odes teurg daaaoh vergruisrt wird«,- - ·
Im Schlußstadium, wenn die Drehung aufgehört hat und die axiale Verkürzung aufgrundder Druekbelastung beendet ist, kühlen die miteinander verbundenen Werkstücke unter der Druekbelastung ab. Danach kann der Wulst' entfernt werden.
Die Beziehung zwischen der Abbrandgeschwindigkeit und der Zugfestigkeit ist in dem Diagramm der Figur 2 dargestellt, das für kaltgezogenen Flußstahl gilt. Wie man sieht, nimmt die Zugfestigkeit progressiv mit der Abbrandgeschwindigkeit zu, bis zu dem Punkt, in dem sie sich der Zugfestigkeit des ungeschweißten Metalls (Band P) nähert oder sie sogar erreicht. Außerdem sieht man, daß eine Änderung der Drehzahl von Werkstücken gleichen Durchmessers nur einen geringen Einfluß auf die Beziehung zwischen der Abbrandgeschwindigkeit und der Zugfestigkeit hat. Die beiden voll^ausgezogenen Kurven betreffen Schweißungen von Werkstücken gleichen Durchmessers, bei denen das ,Drehzahlverhältnis nahezu 2:1 beträgt. Das gleiche Drehzahlverhältnis wurde für die beiden gestrichelten Kurven verwendet, die Werkstücken mit einem Durchmesser entsprechen, der verschieden ist von dem Durchmesser der Werkstücke der voll ausgezogenen Kurven, Das Durchmesserverhältnis betrug 4:3» so daß das Ifläehenverhältnis 16:9 (also nahezu 2:1) betrug. Pur dieses Material ist somit die Beziehung zwischen der Zugfestigkeit und der Abbrandgeschwindigkeit im wesentlichenunabhängig von der Fläche und der Drehzahl über einem weiten Bereich dieser Parameter, und sie ist ferner im wesentlichen unabhängig von Axialdruckänderungen innerhalb eines Axialdruckbereiches von 15o oder 3oo kp/cm bis 1 5oo kp/cm .
■■:·■■■ ' .-■. -- . - ■■ ■ : -8-.
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Bei einer Verbindung zwischen Aluminium- und Titanstäben wurde festgestellt, daß eine Abbrandgeschwindigkeit von 6,9 mm/sec de"r bevorzugte Wert ist, obgleich auch Werte bis zu 2o°/o unterhalb dieses Wertes zufriedenstellende Ergebnisse lieferten.
Bei einigen Materialien kann die Schweißfestigkeit mit zunehmender Abbrandgeschwindigkeit einen Spitzenwert erreichen und danach abfallen, wenn die Abbrandgeschwindigkeit weiter ansteigt. In einigen Fällen ist die Abbrandgeschwindigkeit nicht linear, und in einigen Fällen kann die momentane Abbrandgeschwindigkeit gemessen und verglichen werden, indem die Abbrandgeschwindigkeit längs einer vorgegebenen idealen Kurve (beispielsweise auf Papier oder auf dem Schirm einer Kathodenstrahlröhre) aufgezeichnet wird. Die Abbrandgeschwindigkeit kann auf diese Weise z.B. an die "Schablone" der idealen Kurve angepaßt werden. Wenn im Verlauf einer Schweißung die Abbrandgeschwindigkeit aufgezeichnet wird, kann die Aufzeichnung als Karte gedruckt werden, die' dem geschweißten Gegenstand als Garantieschein mitgegeben werden kann.
Die in den Figuren 3 und 4 gezeigte Vorrichtung zum Überwachen der Schweißgüte weist eine Abbrand-Steuerung auf, die darauf beruht, die Geschwindigkeit der axialen Verkürzung und außerdem den Betrag der Verkürzung zu überwachen. Eine Zahnstange^! ist unmittelbar mit dem Teil der Reibungsschweißmaschine verbunden, der das axialbewegliche Werkstück trägt. Eine Bewegung dieses Werkstücks, die erfolgt, bevor es das andere Werkstück berührt,
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hat eine Bewegung der Zahnstange und eine Drehbewegung.eines Zahnrades 2 zur Folge. Wellen 3, 4, die axial zueinander ausgerichtet sind, sind über eine Elektromagnetkupplung 5 miteinander verbunden, die anfangs entregt ist. Wenn die Werkstücke einander berühren, wird ein Druckanstieg im Kraftzylinder durch einen Druckschalter (nicht gezeigt) gemessen., und bei einem bestimmten Wert des Drucks schließt der Druckschalter einen elektrischen Kreis, der die Elektromagnetkupplung erregt und somit die Wellen 3 und 4 miteinander verbindet. Jede weitere Bewegung, die durch eine Verkürzung des Werkstücks bedingt ist, wirkt auf die Zahnstange 1 ein, die somit das Zahnrad 2 und ein weiteres Zahnrad 6 in Drehung versetzt; dadurch wird eine weitere Zahnstange 7 in Bewegung versetzt, die an einem Rand einen Nocken 8 aufweist. Falls dies erforderlich,-ist, wird-der Beginn des Abbrandes dadurch festgestellt, daß ein G-renzschalter LS 1 durch die Bewegung des Nockens der Zahnstange 7 betätigt wird0 Ein weiterer Grenzschalter LS 1A kann gegebenenfalls dazu verwendet werden,, den Beginn der Überwachung der Abbrandgeschwindigkeit zu steuern,, Ein Wählschalter 9 verbindet entweder den Grenz= schalter LS 1 oder den G-renz schalt er LS 1A mit einem Zeitgeber 1Oj, und die Betätigung des gewählten Grenzschalters setzt den Zeitgeber in Betrieb. Wenn der Grenzschalter LS 2 betätigt wirdP ist die gewünschte Abbrandstrecke erreicht, und der Zeitgeber 1o wird durch, ein Signal der Leitung 11 angehaltene Andere elektro·= mechanische oder Halbleiter-Schaltkreise werden geschlossen um den Antriebsmotor abzuschalten, eine Bremse, falls erforderlich^ anzulegen und gegebenenfalls den Druck zu erhöhen»
1o
Die Zeitspanne, die von dem Zeitgeber für die festgelegte Abbrandstrecke angezeigt wirds ist ein Maß für die Abbrändgeschwindigkeit. Sie wird in einer Anzeigeeinrichtung 12 dargestellt und in einer Vergleichsstufe 13 mit einem vorher ermittelten Vergleichswerts, der der optimalen Abbrandgeschwindigkeit entspricht, verglichene Toleranzgrenzen können festgelegt und in die Vergleichsstufe eingegeben xverden^ damit man eine Anzeige erhält, ob eine Sohweißung in einen annehmbaren Bereich fällt 9 und gegebenenfalls kann eine sichtbare oder hörbare "Gut"= oder "Auswurflj-Aazeige vorgesehen werden0
Bei einem "zweistufigen" Schweißzyklus wird bei Betätigung des Greii?3c-lialters LS2 ein Elektromagnetventil betätigt 9 das darauf hin ei an an den Druck stempel abgegebenen Druck erhöht „ Gleich= seitig- mit äem Beginn dieses "Stauchdrucks" beginnt ein zweiter Ze.i.i-git-er 16 die Zeitspanne zu messenP die für eine axiale Ver~ Ki::-sr;ag entsprechend dem Abstand zwischen den Grenzechaltern Ii-2 -\λ.:Α '2iW> erforderlich ist0 Bei Betätigung des Grenzschalters Lif s:L:;a des? Zeitgeber 16 angehalten^ und das gemessene Zeit·= i'iri;5i";?:-".ilP das der Yerkürzungsgeschwindigkeit während der zwei=' tea Pruokstufe entsprichtp wird wiederum in einer Anzeigeein= ric-h'i'iiiig 17 angezeigt und in einer Vergleichsstufe 18 mit einem· Yor-1:· 5r .festgelegtea optimalen Vergleichswert oder mit den Grens« weizen eineB Soleranzbereiches verglichen;, um festzustellenp οI) die Ssliweißung alczeptabel ist oder nicht0
Bei 3 s siiöl igung des Schweiß vor gangs wird die elektromagnetische Kinv,Y:.iHi.e 5 entregt ρ und die Zahnstangen 1 s 7 werden durch
Federn in ihre Ausgangsstellung zurückbewegt. Die Stellung der Grenzschalter kann durch Mikrometer-Verstellung unabhängig voneinander verändert werden. '
Wenn auch die Verwendung der Zahnstangen und Zahnräder mit der elektromagnetischen Kupplung eine sehr zweckmäßige Methode zum Feststellen der Berührung der Werkstücke und zum Ingangsetzen der Zeitgeber ist, könnte die Berührung ferner in der Weise festgestellt werden, daß eine Änderung der Leistung, des Drehmoments, des Drucks, der Schwingung oder des Schalls gemessen wird. Ein Kolben in einer Näherungsmeßeinrichtung könnte anstelle des Systems aus Zahnstangen und Zahnrädern dazu verwendet werden, ein Signal entsprechend der axialen Verkürzung der Werkstücke zu liefern.
Bei der in den Figuren 3 und 4 gezeigten Vorrichtung kann der Schalter LS2 derart mit einer Verzögerungseinrichtung gekoppelt werden, daß der Stauchdruck kurz vor oder kurz nach Abschalten des Drehantriebs aufgebracht wird,
Figur 5 zeigt eine vereinfachte Darstellung der axialen Verkürzung über der Zeit, worin die voll ausgezogene Linie 2o die vorgegebene ideale Abbrandgeschwindigkeit und die gestrichelten und strichpunktierten Linien 21 und 22 die maximale und minimale akzeptable Abbrandgeschwindigkeit darstellen. Die 'horizontal'. ° Linie 23 entspricht der axialen Verkürzung, die erforderlich : si um den Schmutz zu entfernen. Der Zeitpunkt, in dem der Grenz-
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schalter LS2 der Figur 4 betätigt wird, wird mit den Zeitpunkten ^m-ir, und ^TT1O-V der Figur 5 verglichen, und es wird eine akzeptable Schweißung angezeigt,, wenn der G-renzschalter zwischen diesen beiden Zeitpunkten betätigt wird.
Figur 6 zeigt den durch eine Stauchung bedingten Unterschied in der Verkürzung, wenn in dem Schlußstadium der Schweißung ein höherer Stauchdruck aufgebracht wird. Wenn der Axialdruck im wesentlichen auf dem gleichen Wert gehalten wird, nachdem der Drehantrieb abgeschaltet ist, ist die axiale Verkürzung, bedingt durch die Stauchung, verhältnismäßig klein (Linie 24). Wenn ein größerer Stauchdruck aufgebracht wird, ist die dadurch bedingte axiale Verkürzung größer, wie durch Linie 25 angedeutet ist. Während der Verkürzung nach Abschalten des Drehantriebs wird die Verkürzungsgeschwindigkeit mit vorgegebenen Maximal- und Minimalwerten verglichen.
Figur 7 zeigt eine hydraulische Steuereinrichtung zur automatischen Steuerung der Abbrandgeschwindigkeit» Das axial bewegliche Spannfutter 26 einer Reibungsschweißmaschine 27 ist mit dem Kolben 28 eines hydraulischen Druckstempels 29 verbunden. Die Reibungsschweißmaschine enthält außerdem ein. axial unverschiebliches, jedoch drehbares Spannfutter 3ο, das von einem Motor 31 über eine Kupplung 32 angetrieben wird«, Eine Bremse 33 ist zum Anhalten des Spannfutters 3o vorgesehen,. Der Druckstempel 29 empfängt Öl von einer Hydraulikquell© 42 g» die eine von einem Motor 44 angetriebene Pumpe 43» ein Entlastungsventil 45» eine
ORIGINAL INSPECTED
Meßeinrichtung 46 und ein Rückschlagventil 47 aufweist.1 Öl von der Hydraulikquelle gelangt durch ein Drucksteuerventil 48 (über dessen Öffnungen B, C) durch ein Richtungssteuerventil 49 (über dessen Öffnungen E, H) und durch eine Leitung 15 zu der Öffnung I des Druckstempels 29. Das Richtungssteuerventil 49 ist ein Umschaltventil und die Verbindung zwischen seinen Öffnungen wird von Elektromagneten 49a und 49b gesteuert. Bei dem zu beschreibenden Betriebszustand ist der Elektromagnet 49a erregt und der Elektromagnet 49b entregt. Bei einer Bewegung des Kolbens innerhalb des Druckstempels, die durch Eintritt von Öl aus der Leitung 5o bedingt ist, wird Öl durch die Öffnung J in eine Leitung 54 abgegeben. Von der Leitung 54 gelangt das Öl durch Öffnungen G- und i1 des Richtungssteuerventils 49 zu der Öffnung'M eines weiteren Richtungssteuerventils 55, das von einem Elektromagneten 55a gesteuert wird. Wenn der Elektromagnet 55a erregt wird, gelangt das Öl zu dem Öltankkreis, so daß sich der Kolben des Druckstempels 29 ungehindert bewegen kann, wenn Hochdrucköl an die Öffnung I abgegeben wird. Dieser Zustand wird dazu benutzt, die Werkstücke miteinander in Berührung zu bringen, und zwar ehe der Abbrand beginnt. Während des Abbrandes ist der Elektromagnet 55a. entregt, und ein Teil des Öls, das das Richtungssteuerventil 55 durchströmt, gelangt dann von der Öffnung L durch eine Leitung 57 zu einem Durchflußsteuerventil 58, das eine Drosselstelle 59 aufweist, während das übrige Öl von der öffnung L durch eine Leitung 6o zu der ringförmigen Seite einer Druckstempel-Steuereinheit 61 strömt. Die Steuereinheit 61 weist einen Kolben 62 auf, der gegen eine vorgespannte Feder 63 arbeitet, ,deren Stellung durch eine Schraube 64 vorher -14- ^ ' "' '■'"" *'■■*·-■■■;■■■' :009888/ÖWS "■■"
-H-
eingestellt ist» Die Drosselstelle in dem Durchflußsteuerventil i
ι 58 erzeugt einen Druckanstieg in den Leitungen 57 und 6o, und dieser Druckanstieg wird an die Steuereinheit 61 übertragene Die Größe des Drucks ändert sich mit der Geschwindigkeit des Kolbens in dem Druckstempel 29 und daher mit der axialen Yerkürzung der Werkstücke„ Die Größe des Drucks in der Leitung 6o steuert die Stellung des Kolbens 62, und dadurch wird die Stellung eines Steuerventils 7o gesteuerte Das Steuerventil 7o wirkt auf ein Richtungssteuerventil 71 ein^ wenn der Elektromagnet 71a entregt ist, und steuert somit die Stellung des Drucksteuerventils 48„ wodurch, wiederum der Druck des Öls am Einlaß des Druckstempels 29 und somit die Afobrandgeschwindigkeit verändert wird0 Die Anlage stellt somit eine geschlossene Schleife dar9 die sich selbst einstellt, bis die Abtastgeschwindigkeit dem Bezugswert ent» spriciitj, der durch die Feder und die Drosselstelle in dem Durch=· flußsteuerventil eingestellt wird0 Wenn die Abbrandgeschwindig·=- keit zu klein ist, strömt wenig Öl aus der Öffnung J des Druckstempels 29» und die Strömung durch das Durchflußsteuerventil 48 su dem ÖltanMcreis ist verhältnismäßig ungedrosselt. Der Druck der Leitung 6o ist niedrig und die Feder 63 drückt den Kolben 62 nach unten (in Figur 7)» worauf das Drucksteuerventil 48 einen höheren Druck entwickelte Wenn dagegen die Abbrandge schwindig-=· keit zu groß ist, ist der Druck in der Leitung 6o"entsprechend großj der Kolben 62 steigt dann nach oben und der von dem Drucksteuerventil 48 entwickelte Druck fällt„ Ein Sammler 72 bildet ein Reservoir für die Hydraulikflüssigkeit. Die Feder stellt die maximale Abbrandgeschwindigkeit ein, und die Drosselstelle ist
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die letzte Bezugsgröße für den gewünschten Wert, Wenn somit andere Materialien,die eine andere Abbrandgeschwindigkeit erfordern, miteinander verschweißt werden sollen, wird die Drosselstelle in dem Durchflußsteuerventil 59 geändert«
Wenn mehr als eine axiale Verkürzungsgeschwindigkeit in einem einzigen Schweißzyklus (entsprechend verschiedenen Abbrand- und Stauchverkürzungs-Geschwindigkeiten) erforderlich ist, können mehrere Steuereinrichtungen der in Figur 7 gezeigten Art hintereinander geschaltet werden.
Nach Beendigung des Abbrandes werden die Elektromagnete 55a und 71a erregt. Dies unterbricht die Rückkopplungsschleife und führt das Öl im By-pass dem Öltankkreis zu. Der an den Druckstempel abgegebene Druck steigt dann auf den Stauchwert an, der von dem Drucksteuerventil 48 vorgeschrieben wird. Am Ende des Stauchvorgangs wird der Elektromagnet 49a entregt und der Elektromagnet 49b wird erregt, was zur Folge hat, daß die Verbindungen in dem Richtungssteuerventil 49 Tertauscht werden und der Kolben des Druckstempels 29 in seine Anfangsstellung zurückkehrt»
Das Drucksteuerventil 48 kann dazu verwendet werden, die relative Drehzahl der Werkstücke anstatt des axialen Drucks oder sowohl Druck als auch Drehzahl zu verstellen. .
Wenn auch die in Figur 7 gezeigte Anlage ausschließlich hydraulisch ist, versteht es sich jedoch, daß auch eine elektrisch-
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ÖRfölNAL INSPECTED
hydraulische Anlage stattdessen verwendet werden könnte. In einem solchen Pail könnte ein Geschwindigkeits-Signalgeber die Abbrandgeschwindigkeit messen und^ein entsprechendes elektri- . sches Signal abgeben, das mit einem Vergleichswert verglichen wird, wobei jeglicher Fehler dazu benutzt wird r den Axialdruck durch ein Servoventil oder die Drehzahl oder beide Parameter zu verstellen.
Um zu vermeiden, daß im Anfangsstadium der Schweißung hohe Drehmomente entstehen, kann eine Membran in den Kreis zwischen der Öffnung H des Richtungssteuerventils 49 und der Öffnung I des Druckstempels 29 eingebaut werden, so daß der Druck anfangs langsam erhöht wird.
Wenn auch die obige Beschreibung hauptsächlich mit der Reibungsschweißung von Metallen befaßt war, kann die Erfindung jedoch auch bei Nichtmetallen angewendet werden.
Anstatt das drehbare Werkstück während der Schweißung kontinuierlich anzutreiben, kann auch das unter dem Begriff "Trägheitsschweißung" bekannte Verfahren angewendet werden. Beim "Trägheit sschweißen" wird eine rotierende Schwungscheibe mit dem drehbaren Werkstück gekuppelt, und der Motor, der die Schwungscheibe in Drehung versetzt hat, wird kurz vor oder gleichzeitig mit dem Zeitpunkt, in dem sich die Werkstücke berühren, abgehängt.
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Claims (9)

  1. The Welding Institute . .
    Abington Hall, Abington
    Cambridge, ENGLAND 16, Juli 197ο
    Patentansprüche
    [i.| Verfahren zum Feststellen der Schweißgüte einer Reibungssehweißung, .bei der die miteinander zu verbindenden Werkstückabschnitte unter axialem Druck relativ zueinander ge«» dreht werden, damit an der Berührungsfläche der beiden Werkstückabschnitte Wärme erzeugt wird, bis eine axiale Terkür-· zung der Werkstücke aufgrund des Abbrandes an der Berührungsfläche eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß die G-eschwindig keit der axialen Verkürzung der Werkstücke, die durch den Abbrand während der unter Druck erfolgenden Drehung der Werkstücke bedingt ist, gemessen und mit Bezugswerten, für die die zugeordnete Schweißgüte vorher festgestellt worden ist, verglichen wird,
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von diesem Vergleich ein Steuersignal abgeleitet wird, das den Unterschied zwischen der tatsächlichen Geschwindigkeit der axialen Verkürzung und einem vorher ermittelten Bezugswert
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    darstellt, und daß das Steuersignal dazu verwendet wird, den Axialdruck, der auf die Werkstücke während der Drehung ausgeübt wird, zu verstelle»·
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Vergleich ein Steuersignal abgeleitet wird, das den Unterschied zwischen der tatsächlichen Geschwindigkeit" der axialen Verkürzung und einem vorher ermittelten Bezugswert darstellt, und daß das Steuersignal dazu verwendet wird, die relative Drehzahl der Werkstücke im Sinne .einer Verringerung des Unterschieds zu verstellen
  4. 4e Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 dadurch gekennzeichnet^ daß der Betrag der axialen Verkürzung gemes·=· seil wird und die Werkstücke so lange relativ zueinander.', ge-dreht werden, "bis die axiale Verkürzung einen vorgegebenen Wert erreicht hat0 . .· * -■-...-. . -
  5. 5« Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchep bei dem des Axialdruck nach Beendigung des Drehantriebs mit dem vorher!* gen oder einem größeren Wert fortgesetzt wird, .dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit dieser weiteren axialeil Verkürzung der Werkstücke gemessen und mit einem Bezugswertg für den die Schweißgüte vorher festgestellt worden-isty glichen wird0 " - < _ -.-"-..
  6. 6. "Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vergleichs einrichtung (1o-18), die in Abhängigkeit von einem Bezugswert der Verkürzungsgeschwindigkeit, für den die Schweißgüte bekannt ist, vorher einstellbar ist, und eine auf die axiale Verkürzung der Werkstücke ansprechende Einrichtung (LSI, LS2), die mit dar Vergleichseinrichtung verbunden ist, wobei die Vergleichseinrichtung ein Ausgangssignal liefert, das angibt, ob die beim Reibungsschweißen hergestellte Schweißung annehmbar oder nicht annehmbar ist·
  7. 7β Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (1.0-18) einen Zeitgeber (1o),der ein vorgegebenes Zeitintervall definiert, eine Einrichtung (13), ύie auf die Zeitdauer, die eine bestimmte axiale Verkürzung bei einer Schweißung benötigt, anspricht, und eine Anzeigeeinrichtung (12), die anzeigt, ob die Zeitdauer in das vorgegebene Zeitintervall fällt, aufweist.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitgeber (io) zwei G-renzschalter (LS2, LS3) aufweist 9 von denen der erste (IiS2) betätigt wird, wenn eine vorgegebene axiale Verkürzung der Werkstücke erreicht ist, und von df lea der zweite (LS3) in Abhängigkeit von dem ersten Grenze«halter (LS2) betätigt wird, wenn eine zweite vorgegebene axial© Verkürzung der Werkstücke erreicht ist, und daß die Ver^leiehseinrichtung (10-18) zwei Vergleichsstufen (13,16) aufweist,
    .. ■....■:■■■.■..■: : ...' „.20-
    - 2ο -
    von denen die erste Vergleichsstufe (13)ν die für die Betätigung des ersten Grenzschalters (LS2) erforderliche Zeit mit einem vorher eingestellten Bezugswert, der auf der erforderlichen Geschwindigkeit der durch Abbrand bedingten axialen Verkürzung beruht, vergleicht, und von denen die zweite Vergleichsstufe (16) die für die Betätigung des zweiten "Grenzschalters (LS3) erforderliche Zeit mit einem vorher eingestellten Bezugswert, der der erforderlichen Geschwindigkeit der durch Stauchung bedingten axialen Verkürzung entspricht, vergleicht,
  9. 9. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Vergleichseinrichtung (57-62), die in Abhängigkeit von einem Bezugswert der Geschwindigkeit" der axialen Verkürzung, für den die Schweißgüte bekannt ist, Vorher einstellbar ist, eine auf die Geschwindigkeit der axialen Verkürzung ansprechende Einrichtung (7o,71)> die mit der Vergleichseinriehtung verbunden ist, und eine Druck- oder Drehzahl-Steuereinrichtung (29,48), die in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der Vergleichseinriehtung den auf die Werkstücke ausgeübten Axialdruck oder die relative Drehzahl der Werkstücke verändert, und zwar im Sinne einer Verringerung des Unterschieds zwischen, dem Bezugswert der Geschwindigkeit der axialen Verkürzung und dem tatsächlichen Wert der Geschwindigkeit der axialen Verkürzung,
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    - 21 - ■.■■.' '■ -
    1o. Vorrichtung nach. Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,daß eine Drucksteuereinrichtung (29,48) mit einem strömungsmitterbetätigbaren Druckstempel (29), der während des Schweißens den Axialdruck auf die Werkstücke ausübt,, vorgesehen ist, daß die Vergleichseinrichtung (57-62) in Abhängigkeit von dem Strömungsmitteldurchsatz, der von dem Druckstempel (29) infolge der axialen Verkürzung der Werkstücke abgegeben wird, den auf den Druckstempel ausgeübten Strömungsmittel-, druck steuert, um die gewünschte Geschwindigkeit der axialen Verkürzung zu erzielen, daß die Vergleichseinrichtung ein DurchflußSteuerventil (58) aufweist, das in dem Strömungspfad des bei einer axialen Verkürzung von dem Druckstempel abgegebenen Strömungsmittels angeordnet ist, wodurch sich '
    i - ■ " ■ ■ -
    der Druck auf der Einlaßseite des Durchflußsteuerventils
    (58) mit der Geschwindigkeit der Strömungsmittelverdrängung durch den Druckstempel (29) ändert, und daß die Drucksteuer— einrichtung eine Steuereinheit (48) aufweist,die in Abhängigkeit von der Große des Drucks auf der Einlaßseite des Durchflußsteuerventils (58) den auf den Druckstempel ausgeübten Strömungsmitteldruck regelt.
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    Leerseife
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