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Reibschweißverfahren Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes
Reibschweißverfahren, das besonders -geeignet ist, um zwei mechanische Teile verschiedener
Ziehfähigkeit zu vereinigen.
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Bei.Reibschweißverfahren werden die zwei starr- miteinander zu verbindenden
Teile auf eine hohe Relativdrehgeschwindigkeit gebracht, worauf ein axial wirkender
Anstauchdruck momentan nach plötzlichem Anhalten der Relativdrehbewegung angewendet
wird, Zur Erreichung der gewünschten Wirkung spielen das plötzliche Anhalten der
Relativdrehung und eine momentan folgende Anwendung eines Anstauchdruckes zusammen
eine sehr wichtige Rolle. Die erste Maßnahme dient
dazu, in den
aufeinander treffenden Flächen der zugehörigen Stücke eine sonst mögliche Zerstörung
zu verhindern, die sonst aufgrund der sich enwickelnden Korsionsspannungen während
einer verzögerten Gesehwindigkeitsverringerung vor dem Anhalten eintreten könnte,
Andererseits dient die zweite Maßnahme dazu, den Anstauchvorgang bei der höchstmöglichen
Temperatur auszuführen.
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Wenn der Drehmomentübergang während des Anstauchvorganges eines Reibschweißverfahrens
beobachtet wird, wird festgestellt, daß ein Spitzenwert des Drehmomentes entweder
anfänglich oder am Ende des Anstauchvorganges auftritt, wie nachstehend noch ausführlich
mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert wird0 Von der ersten Drehmomentspitze, die
in der Anfangszeit des Anstauchvorganges auftritt, wird angenommen, daß sie sich
zu der Zeit entwickelt, während der kleine Vorsprünge, die an den gegenüberstehenden
Flächen der beiden Stücke vorhanden sind, in gegenseitige Druckberührung treten.
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Dabei treten wiederholt Verformungs-, Vereinigungs-, Scher-, Wärmeentwicklungs-
und Erweichungsvorgänge auf; die Schmelz-und Vereinigungsreaktion verbreitet sich
dabei plötzlich über die gesamten Reibungsflächen. Von der zweiten Drehmomentspitze,
die im Endabschnitt des Anstauchvorganges auftritt, wird angenommen, daß sie sich
entwickelt, während die Drehgeschwindigkeit bis zum vollen Anhalten verringert
wird,
wodurch die Reibungstemperatur gesenkt und der Verforinungswiderstand in dem Material
oder den Materialiender beiden Stücke erhöht wird, Es zeigt sich dabei eine Neigung
zu entsprechender Drehmomenterhöhung bei Verringerung in der Drehgeschwindigkeit,
während ein gewisser konstanter Anstauchdruck auf die Stücke angewendet wird.
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Aufgrund der Ergebnisse der der erfindung zugrundeliegenden Versuche
ist besonders festgestellt worden, daß, wenn die Materialien der Werkstücke höhere
Ziehfähigkeiten als im Fall von Baustählen haben, die zweite Drehmomentenspitze
im Sinne der vorstehenden Mrläuterungen, die am Endabschnitt-des Anstauchvorganges
auftritt, entsprechend größer wird. Diese wirkung dient dazu, um vorteilhaft in
einer sehr geringen Zeitspanne die Reibungsarbeit zu kompensieren und die erforderliche
wärmeverteilung zu erreichen, Dabei ergibt sich ein verhältnismäßig kleines Ausmaß
der Temperaturverringerunt an den in Reibungsei#-griff befindlichen Flächen, so
daß an dieser Stelle nach dem Anhalten der Drehung eine im wesentlichen günstigste
Reibungstemperatur für die Bildung der gewünschten festen und ausreichend verschmolzenen
Verbindung zwischen den Werkstücken herrscht.
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Wenn andererseits eines der Werkstücke im Vergleich mit Baustahl aus
einem Material besteht, das einen niedrigen Schmelzpunkt und eine schlechte Duktilität
bei hohen
Temperaturen hat, wie etwa Schnellstahl, austenitischer
warmfester Stahl der dergleichen, ist die erreichbare maximale Reibungstemperatur,
die an den gegeneinander stehenden Flächen erscheint, niedriger aufgrund des niedrigeren
Schmelzpunktes des für das eine Werkstück gewählten Materials. Die mit der schlechten
Duktilität des Materials verbundenen Eigenschaften führen jedoch auch zu einer Verringerung
der Drehmomentspitze, die im Endabschnitt des Anstauchvorganges auftritt, zusammen
mit einer merklichen Verringerung der entwickelten Reibungswärme0 Daher tritt ein
entsprechend großer Temperaturabfall während der Geschwindigkeitsverringerungszeit
vor dem völligen #Anhalten ein, und es treten erhebliche Schwierigkeiten ein bei
der Erreichung und bei der Aufrechterhaltung der Schmelztemperatur nach dem völligen
Anhalten der Drehung wodurch fehlerhafte Schmelzverbindungen zwischen den Stücken
begünstigt werden0 Es ist bekannt, daß die Benutzung von Schnellstählen oder dergleichen
ais Material für Reibschweißwerkstücke häufig zu technischen Schwierigkeiten geführt
hat, Andererseits führt die Anwendung eines erhöhten Anstauchdruckes allgemein zu
erhöhten Werten des entwickelten Drehmomentes und der Wärme, Allgemein gesprochen
wird in der Technik anerkannts daß die Anwendungszeit für den Anstauchdruck am vorteilhaftesten
unmittelbar nach der
beabsichtigten Beendung der Drehung gelegt
werden sollte.
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Nach Kenntnis der Erfinder fehlen bislang tiefergehende Untersuchungen
der Schwierigkeiten, die in, dem Fall auftreten, daß eine Kombination von Schnelldrehstahl
oder warmfestem Stahl mit Baustahl oder anderem abweichendem Material durch Reibung
geschweißt werden soll, wobei nachteilige, fehlerhafte Schweißungen vermieden werden
sollen, Die Erfindung bezweckt deshalb, ein verbessert es Reibschweißverfahren zu
schaffen, mit dem befriedigende, zuverlässige Verbindungen selbst zwischen heterogene
Materialkombinationen, wie Schnelldrehstahl oder warmfester Stahl und kohlenstoffhaltiger
Baustahl, hergestellt werden können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einem Reibschweißverfahren
für metallische Werkstücke, die in Relativdrehubg mit Bezug aufeinander gebracht
uad gehalten und dabei unter leichterem,Druck in Berührung miteinander gehalten
werden, so daX sich Reibungswärme an den Berührungsflächen der Stücke entwickelt,
worauf die Drehung- vollständig angehalten und der Berührungsdruck verstärkt wird,
um den Reibungsschweißvorgang am Ende der Behandlungszeit zu vollenden. Das erfindun#sge'
mäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die erforderliche Bremswirkun; zum
Ende der Relativdrehung
ausgelöst und das vollständige Anhalten
der Drehung gleichzeitig mit Erreichung eines vollen Anstauchdruckes oder mit einer
geringen Zeitverzögerung gegenüber hergestellt wird, Weitere Vorzüge und twlerkmale
der erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung
und den Zeichnungen, in denen die Erfindung beispielsweise erläutert und dargestellt
ist. Es zeigen Fig, 1 vereinfacht ein Paar Metallstücke in einem Reibschweißverfahren,
Fig. 2 im Diagramm eine Kurve des Drehmomentes, das während eines Anstauchvorganges
des Reibschwe ißverf ahrens entwickelt wird, Fig. 5 - 5 verschiedene Kurven zur
Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zum Stand der Technik,
wobei Fig. 3 sich auf das erfindungsgemäße Verfahren bezieht, Fig. 5 ein Diagramm
zur Veranschaulichung der Temperatureigenschaften, die an den Reibflächen während
des Anstauchvorganges zu beobachten sind, entsprechend den Fig. 3 - 5 Fig0 7 ein
Diagranm der Beziehung des Reibungskoeffizienten mit Bezug auf die Drehgeschwindigkeit
des sich drehenden Werkstück es, Fig. 8 ein Diagramm der Temperaturverteilung in
Beziehung zu dem angewendeten Anstauchdruck und
Ei, 9 - 11 Muster
von durchgebrochenen Probestücken nach Reibschweißungen gemäß verschiedenen Ausführungsformen,
In Figo 1 ist teilweise im Schnitt ein Paar Werkstücke 1 und 2 dargestellt, die
einer Reibschweißung unter Druck und einer hohen Relativdrehgeschwindigkeit unterworfen
werden, Es wird angenommen, daß das erste Werkstück 1 aus einem Schnelldrehstahl
und das zweite Werkstück 2 aus kohlenstoffhaltigem Baustahl besteht, Die beiden
Werkstücke Sifld axial in Flucht zueinander angeordnet. Es wird ferner angenommen,
daß das erste Werkstück 1 auf einer hohen Drehgeschwindigkeit gehalten wird, während
das zweite Werkstück 2 feststeht, Der Verlauf des während des Anstauchvorganges
entwickelten Drehmomentes ist schematisch in Fig 2 gezeigt.
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Nach Fig, 2 kann die Reibungserscheinung, die durch eine Drehmomentübergangskurve
ausgedrückt wird, welche während des gesamten Anstauchvorganges beobachtet wird,
in vier aufeinanderf-olgende Phasen unterteilt werden0 In der Phase I tritt eine
teilweise Scherungsverformung an den Reibflächen.
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auf. In der zweiten Phase II wird die Verformung über die gesamten
sich gegenüberstehenden Flächen ausgebreitet, und durch Erwärmung erweichte Bereiche
erstrecken sich einwärts in die Werkstücke, In der ziemlich langen dritten Phase
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hat das Drehmoment im wesentlichen einen konstanten Wert; der
durch Erwärmung erweichte Bereich des Materials wird einer zusammendrückenden Verformung
unterworfen, wobei die Teile mit höherer Temperatur zwangsweise radial nach außen
ausgequetscht werden und überflüssige Grate bilden, Das Ausmaß der Bildung von solchen
Stauchgraten ändert sich im wesentlichen mit dem jeweiligen Unterschied zwischen
den Ziehfähigkeiten der beiden Werkstückmaterialien bei der betreffenden hohen Temperatur0
Andererseits werden während des Verlaufs des dritten Anstauchabschnittes die Wärmemenge,
die an den gegeneinander stehenden Flächen der Werkstücke entwickelt wird, und die
von den erwärmten Flächen der Werkstücke abfließende Wärmemenge, zu der noch die
Wärme hinzukommt, die durch den sich bildenden Grat abgeführt wird, im wesentlichen
im Gleichgewicht gehalten, Die tatsächliche Temperatur der gegeneinander stehenden
Werkstückflächen ändert sich daher in einer im wesentlichen stabilisierten Weise,
Im vierten Anstauchabschnitt IV, nahe beim Anhalten der Relativdrehung, werden die
vorstehenden stabilisierten Bedigungen fortlaufend aufrechterhalten, bis das Anhalten
der Drehung wirksam wird. Dieses Anhalten wird aufgrund eines besonderen Anweisungssignals
ausgeführt, nachdem eine vorbestimmte Zeitdauer, Anstauchung oder Gesamtwerkstücklänge,
je nachdem in bekannter Weise gemessen worden ist.
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In den Fig. 3 - 5 ist in den verschiedenen Kurven die Xeibungsarbeit
gegen#die Anwendungszeit des Anstauchdruckes während des Endabschnittes nahe dem
völligen Anhalten der Relativdrehung abgetragene Xig. 4 zeigt den Verlauf nach einem
zum Stand der Technik gehörenden Verfahren, wobei der Anstauchdruck nach Verstreichen
einer kurzen Zeitspanne t, a nach Beendung der Relativdrehung angewendet wird. In
diesem Fall kann die Reibungsarbeit Hp nach der folgenden Formel berechnet werden:
Hp = 1,2 R3 . P . n x 10 Hp = .# (kgm/s)' Dabei ist R der Radius des Werkstücks
in mm, P der Anstauchdruck in kg/mm², Cd der Reibungskoeffizient und n die Zahl
der Umdrehungen des Werkstücks pro Minute, Daraus zeigt sich, das die Reibungsarbeit
mit abnehmender Werkstückdrehung bei Anwendung eines bestimmten konstanten Anstauchdruckes
verringert wird.
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In Fig. 4 veranschaulichen zwei Kurven die Beziehung zwischen dem
Reibungskoeffizienten und der Umdrehungszahl des Werkstücks pro Minute ne Daraus
ist ersichtlich, daß das Ausmaß des Anwachsens des Reibungskoeffizienten gegenüber
der
Drehungsverlangsamung zu gering ist, um die entsprechende Verringerung der Reibungsarbeit
auszugleichen0 Wie die schematisch dargestellte Temperaturkennlinie erkennen läßt,
tritt an den gegeneinander stehenden Werkstückflächen aufgrund der unvermeidlichen
Wärmeableitung, siehe die gestrichelte Linie in Fig. 6, schon in dieser Stufe eine
beträchtliche Temperaturverringerung auf, Unter dem Einfluß dieser T emp eraturverr
ing erung xnfindet eine Verfestigung von vorher thermisch erweichten Materialteilen
statt. Das gilt besonders im Fall des ersten Werkstückes 1, von dem angenommen worden
ist, daß es aus einem Material mit geringerer Duktilität gegenüber dem anderen Werkstück
besteht. Es kann häufig einer übermässigen Verwindung unterworfen sein und Risse
aufweisen, die die Ursache für nicht verbundene Bereiche an den gegeneinander stehenden
Werkstücken bilden.
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Im Fall des in Fig. 5 gezeigten Verfahrensablaufes wird die Drehgeschwindigkeit
verzögert nach Ablauf einer bestimmten kurzen Zeitspanne tb nach voller Anwendung
des Anstauchdruckes. Die Reibungsarbeit HP vergrößert sich plötzlich merklich mit
Anwachsen des angewendeten Anstauchdruckes und nimmt dann plötzlich bei Abnahme
der Werkstückdrehung wieder ab, im wesentlichen wie im Fall der Fig. 4. Die Temperatur
der gegeneinander stehenden Flächen ist durch eine strichpunktierte Linie in Fig.
6 veranschaulicht, Die Flächentemperaturkurve zeigt eine zeitweilige Ausbeulung
durch
Anwendung des Anstauchdruckes, In der Praxis zeigt sich jedoch häufig, daß die derart
aufgeheizten und geschmolzenen Teile des Werkstückmaterials radial nach außen dringen,
wie bereits angedeutet wurde, so daß die Temperatur der gegenzenander stehenden
Flächen der Werkstücke wieder auf den ausgeglichenen Zustand absinkt, In diesem
Fall ist deshalb zu beobachten, daß die Anwendung des erhöhten Anstauchdruckes ziemlich
nachteilig sich auf die thermisch beeinflußten Materialbereiche im Sinne einer Verringerung
auswirkt0 Der Temperaturgradient wird dadurch steiler und begünstigt eine merkliche
Korsionsverformung in der Nähe der gegeneinander stehenden Flächen, die einen erheblichen
Demperaturabfall nach Beendung der Werkstückdrehung zeigen, Auf diese Weise ergeben
sich teilweise, zerstörte Verbindungsstücket Die entsprechenden Temperaturkennlinien,
die in Fig. 8 gezeigt sind, zeigen keine merkliche Änderung der Gl-eichgewichtstemperatur
an den Reibungsflächen, selbst wenn der angewendete Anstauchdruck erheblich verändert
wird, Das bedeutet, daß bei Anwendung eines höheren Anstauchdruckes die Menge des
ausgequetschten Grat es und die Steilheit des Temperaturgradienten anwächst0 Im
Vergleich zu den vorerwähnten üblichen Verfahren wir* das erfindungsgemäße Verfahren
so ausgeführt, daß eine Bremswirkung mit dem Ziel des Anhaltens der relativen Werkstückdrehung
bereits im Verla-uSndes Ansteigens des Anstauchdruckes eingeleitet und die Werkstückdrehung
gleichzeitig
mit der Erreichung eines vorbestimmten Wertes des
Anstauchdruckes oder eine geringfügige Zeitspanne (td in Fig. 3) danach beendet
wird. Nach Fig. 3 erhöht sich die Reibungsarbeit während der Bremsung oder des Abschnittes
der Verringerung der Drehgeschwindigkeit mit zunehmendem Anstauchdruck und zeigt
dann einen plötzlichen Abfall. Der derart verursachte zeitweilige Temperaturanstieg,
der auf der Erhöhung der Reibungsarbeit beruht, erreicht seinen Spitzenwert in unmittelbarer
Nähe des Endes der Drehung.
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Dadurch wird die Temperatur an den Reibungsflächen unmittelbar nach
Beendung der Werkstückdrehung auf einem genügend hohen Niveau gehalten, um die spantane
Abkühlung des Werkstücks, insbesondere an den gegenanander stehenden Reibflächen,
gut auszugleichen. Dieser Fortschritt ist leicht feststellbar, siehe die in Fig.
6 der Fig. 3 entsprechende ausgezogene Linie. In diesem Fall enthält die Reibungsfläche
des ersten Werkstückes 1, das z.B. aus Schnelldrehstahl besteht, noch Material im
geschmolzenen Zustand. Die relative Drehbewegung der Werkstücke wird noch innerhalb
des derart in der geschmolzenen Phase gehaltenen Teiles des Materials ausgeführt.
Daher ist praktisch keine Zerstörung durch Rißbrüche derXben erwähnten Art zu befürchten.
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Zwischen den beiden Werkstücken wird eine gut ausgebildete, ausgefüllte
Verbindung hergestellt.
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Beispiel Als erstes Werkstück wurde eine runde Stange aus Schnelldrehstahl
der Klasse 9(SKH9 der japanischen Industrienorm) verwendet, Als zweites Werkstück
wurde eine runde Stange aus kohlenstoffhaltigem Baustahl (5550 der japanischen Industrienorm)
verwendet, Diese beiden Stangen wurden einem Reibungsschweißverfahren mit einem
Druck P2 von 22 kg/mm2 über 30 Sekunden unterworfen, Das Verfahren wurde mit Bezug
auf die Anwendung des Anstauchdruckes und die Beendung der relativen Werkstückdrehung
auf drei-verschiedene Weisen ausgeführt, siehe die xig. 3 - So Probestücke wurden
aus den durch Reibung verbundenen Werkstücken ausgesucht und den in den japanischen
Industrienormen JIS-2248 beschriebenen Biegeversuchen unterworfen, Die Ergebnisse
sind in den Photographien der Fig. 9 - 11 wiedergegeben, die die gebrochenen Probestücke
zeigen0 Die entsprechend den zeigt 4 und 5 hergestellten Stücke waren fehlerhaft,
In diesen Fällen werden die unter Druck gegeneinander stehenden Werkstückflächen
mit Verringerung der Drehgeschwindigkeit abgekühlt, und die bereits verfestigten
Teile der vorher geschmolzenen Materialabschnitte sind einer merklichen Verwindungsverformung
unmittelbar vor dem gänzlichen Aufhören der Drehung ausgesetzte Das gilt vor allem
für den aus dem ersten Werkstück bestehenden Teil des fertigen SchweißstückesX der
eine geringere Ziehfähigkeit hat und daher durch die unvermeidbar auftretenden,
zerstörend
wirkenden Korsionskräfte beeinträchtigt wird, Die den
Fig. 4 und 5 entsprechenden Fig 10 und 11 zeigen ringförmige Streifen auf der Bruchfläche
als Folge der hier beschriebenen Erscheinung, Wenn im Gegensatz dazu das erfindungsgemäße
Verfahren angewendet wird, das vorstehend mit Bezug auf Fig. 5 erläutert worden
ist, ist die Temperatur, die an dt Reibungsflächen in dem Augenblick auftritt, in
dem die Drehung angehalten wird, nicht geringer als die Gleichgewichtstemperatur,
die während der vorhergehenden Reibungs-Heizperiode zu beobachten war, In diesem
Fall ergibt sich eine fehlerfreie, günstige Schweißverbindung, siehe Fig, 9o In
der Praxis ist es empfehlenswert, das Anhalten der Drehung und die Anwendung des
Anstauchdruckes durch Eingabe ein- und desselben Steuersignales auszulösen. Dabei
wird in positiver Weise Gebrauch gemacht von der praktisch unvermeidbaren Verzögerung
in der Arbeitsweise einer Mehrscheibennaßbremse üblicher Bauart Wenn eine bestimmte
Zeitdauer für die Druckanstiegsperiode zur Anwendung des Anstauchdruckes erforderlich
ist, kann eine Zeitgebervorrichtung benutzt werden, um den Zeitpunkt des Anhaltens
der Drehung richtig einzustellen0 Wenn es andererseits erwünscht ist, die kristalline
Struktur
in dem Reibschweißabscflnitt des Werkstück es merklich feiner zu machen, kann in
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung der Anstauchdruck-über die gewöhnlich
zu erwartende Größe hinaus gesteigert werden, Selbst wenn die Drehung zum völligen
Anhalten gebracht wird, bevor in diesem Fall der gewünschte Anstauchdruck erreicht
ist, werden die Reibflächen auf einer ausreichend hohen Temperatur gehalten.
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Dadurch wird eine günstige Schweißverbindung geschaffen, wenn die
Zeitspanne für den Anstauchdruck in den von der Erfindung vorgeschlagenen Grenzen
gehalten wird, - PATENTANSPRUCH -