DE2220898B2 - Verfahren zum Reibschweißen von Metallwerkstücken - Google Patents

Description

temperatur nach dem völligen Anhalten der Drehung, wodurch fehlerhafte Sehmelzverbindungen zwischen den Stücken begünstigt werden. Es ist bekannt, daß die Benutzung von Schnellstählen oder dergleichen als Material für Reibschweißwerkstücke häufig zu technisehen 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 anerkannt, daß die Anwendungszeit für den Anstauchdruck am vorteilhaftesten unmittelbar nach der beabsichtigten Beendung der Drehung gelegt werden sollte.

Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird die zeitige Abfolge von Stauchdruck und Abbremsung der Relativdrehung der zu verschweißenden Werkstücke durch Zeitsteuereinrichtungen verwirklicht, die je ein vorgegebenes Zeitsteuersignal für die Aufbringung des Stauchdruckes und ein Steuersignal für die Auslösung des Abbremsvorganges enthalten. Dadurch wird die Durchführung des Verfahrens aufwendig und störanfällig. (»Werkstatt und Betrieb«, 1962, Heft 6, Seiten 337/338). Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Reibschweißen von insbesondere auch heterogenen Metallwerkstücken gemäß der genannten Gattung anzugeben, bei dem die zeitliche Abfolge der Abbremsung der Relativdrehung und der Aufbringung des Stauchdruckes in einfacher und sicherer und störunanfälliger Weise erfolgt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Abbremsung der Relativdrehung und die Aufbringung des Stauchdruckes durch Eingabe ein und desselben Steuersignals ausgelöst wird, und daß die Abbremsung der Relativdrehung über eine Mehrscheibennaßbremse erfolgt, die den Beginn des Abbremsvorganges gegenüber dem Beginn der Aufbringung des Stauchdrucks marklich verzögert

Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, daß als Abbremsvorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens erforderlich ist, erfindungsgemäß eine Mehrscheibennaßbremse verwendet wird, die die erfindungsgemäße Verzögerung der Abbremsung der Relativdrehung gegenüber der Aufbringung des Stauchdruckes ohne Verwendung weiterer Einrichtungen ·»> verwirklicht, daß also die Mehrscheibennaßbremse sowohl eine Bremseinrichtung als auch eine Verzögerungseinrichtung darstellt. Dadurch sind spezielle Verzögerungseinrichtungen, die den Beginn der Abbremsung der Relativdrehung gegenüber der Aufbringung des Stauchdruckes verzögern, überflüssig. Abbremsung der Relativdrehung und Aufbringung des Stauchdruckes werden durch ein und dasselbe Steuersignal ausgelöst

Vorzugsweise erfolgt das vollständige Anhalten der Drehung mit einer geringen Zeitverzögerung gegenüber dem Erreichen des vollen Stauchdruckes.

Weitere Vorzüge und Merkmale 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 zeigt

Fig. 1 vereinfacht ein Paar Metallstücke in einem Reibschweißverfahren,

F i g. 2 im Diagramm eine Kurve des Drehmomentes, ί·> das während eines Anstauchvorganges des Reibschweißverfahrens entwickelt wird,

Fig. 3—5 verschiedene Kurven zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zum Stand der Technik, wobei F i g. 3 sich auf das erfindungsgemäße Verfahren bezieht,

Fig.6 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Temperatureigenschaften, die &a den Reibflächen während des Anstauchvorganges zu beobachten sind, entsprechend den F i g. 3—5,

F i g. 7 ein Diagramm der Beziehung des Reibungskoeffizienten mit Bezug auf die Drehgeschwindigkeit des sich drehenden Werkstückes,

Fig.8 ein Diagramm der Temperaturverteilung in Beziehung zu dem angewendeten Anstauchdruck und

Fig.9—11 Muster von durchgebrochenen Probestücken nach Reibschweißungen gemäß verschiedenen Ausführungsformen.

In F i g. 1 sind 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 sind 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 F i g. 2 gezeigt.

Nach F i g. 2 kann die Reibungserscheinung, die durch eine Drehmomentübergangskurve ausgedrückt wird, welche während des gesamten Anstauchvorganges beobachtet wird, in vier aufeinanderfolgende Phasen unterteilt werden. In der Phase I tritt eine teilweise Scheerungsverformung an den Reibflächen auf. In der zweiten Phase II wird die Verformung über die gesamten sich gegenüberstehenden Flächen ausgebreitet, und durch Erwärmung erweichte Bereiche erstrekken sich einwärts in die Werkstücke. In der ziemlich langen dritten Phase III 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 Temperatur. 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 Bedingungen fortlaufend aufrechterhalten, bis das Anhaken 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.

In den F i g. 3—5 ist in den verschiedenen Kurven die Reibungsarbeit gegen die Anwendungszeit des Anstauchdruckes während des Endabschnittes nahe dem völligen Anhalten der Relativdrehung abgetragen.

F i g. 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:

45 ^s

_Ri . ρ

■η χ 10"³(kgm/s)

Dabei ist

R der Radius des Werkstücks in mm,
P der Anstauchdruck in kg/mm²,
μ der Reibungskoeffizient und

η die Zahl der Umdrehungen des Werkstücks pro Minute.

Daraus zeigt sich, daß die Reibungsarbeit mit abnehmender Werkstückdrehung bei Anwendung eines bestimmten konstanten Anstauchdruckes verringert wird.

In Fig.4 veranschaulichen zwei Kurven die Beziehung zwischen dem Reibungskoeffizienten μ und der Umdrehungszahl des Werkstückes pro Minute n. Daraus ist ersichtlich, daß das Ausmaß des Anwachsens m des Reibungskoeffizienten gegenüber der Drehungsverlangsamung zu gering ist, um die entsprechende Verringerung der Rebungsarbeit auszugleichen. Wie die schematisch dargestellte Temperaturkenr.ünie erkennen läßt, tritt an den gegeneinander stehenden J5 Werkstückflächen aufgrund der unvermeidlichen Wärmeableitung, siehe die gestrichelte Linie in F i g. 6, schon in dieser Stufe eine beträchtliche Temperaturverringerung auf. Unter dem Einfluß dieses Temperaturverringerung findet eine Verfestigung von vorher thermisch erweichten Materialien statt. Das gilt besonders im FaIi 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.

Im Fall des in Fig.5 gezeigten Verfahrensablaufes wird die Drehgeschwindigkeit verzögert nach Ablauf einer bestimmten kurzen Zeitspanne f/, 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 F i g. 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 gegeneinander 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 auswirkt. Der Temperaturgradient wird dadurch steiler und begünstigt eine merkliche Torsionsverformung in der Nähe der gegeneinander stehenden Flächen, die einen erheblichen Temperaturabfall nach Beendung der Werkstückdrehung zeigen. Auf diese Weise ergeben sich teilweise zerstörte Verbindungsstücke. Die entsprechenden Temperaturkennlinien, die in Fig.8 gezeigt sind, zeigen keine merkliche Änderung der Gleichgewichtstemperatur an den Reibungsflächen, selbst wenn der angewendete Anstauchdruck erheblich verändert wird. Das bedeutet, daß bei Anwendung eines höheren Anstauchdruckes die Menge des ausgequetschten Grates und die Steilheit des Temperaturgradienten anwächst.

Im Vergleich zu den vorerwähnten üblichen Verfahren wird das erfindungsgemäße Verfahren so ausgeführt, daß eine Bremswirkung mit dem Ziel des Anhaltens der relativen Werkstückdrehung bereits im Verlauf des Ansteigens des Anstauchdruckes eingeleitet und die Werkstückdrehung gleichzeitig mit der Erreichung eines vorbestimmten Wertes des Anstauchdruckes oder eine geringfügige Zeitspanne (u in F i g. 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. Dadurch wird die Temperatur an den Reibungsflächen unmittelbar nach Beendung der Werkstückdrehung auf einem genügend hohen Niveau gehalten, um die spontane Abkühlung des Werkstücks, insbesondere an den gegeneinander stehenden Reibflächen, gut auszugleichen. Dieser Fortschritt ist leicht feststellbar, siehe die in F i g. 6 der F i g. 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 der oben erwähnten Art zu befürchten. Zwischen den beiden Werkstücken wird eine gut ausgebildete, ausgefüllte Verbindung hergestellt.

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 (S55C 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 Fig.3—5. Probestücke wurden aus den durch Reibung verbundenen Werkstücken ausgesucht und den in den japanischen Industrienonnen JIS-2248 beschriebenen Biegeversuchen unterworfen. Die Ergebnisse sind in den Photographien der F i g. 9—11 wiedergegeben, die die gebrochenen Probestücke zeigen.

Die entsprechend den F i g. 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 ausgesetzt. Das gilt vor allem für den aus dem ersten Werkstück bestehenden Teil des fertigen Schweißstückes, der eine i<> geringere Ziehfähigkeit hat und daher durch die unvermeidbar auftretenden, zerstörend wirkenden Torsionskräfte beeinträchtigt wird. Die den F i g. 4 und 5 entsprechenden Fig. 10 und 11 zeigen ringförmige Streifen auf der Bruchfläche als Folge der hier r> beschriebenen Erscheinung.

Wenn im Gegensatz dazu das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird, das vorstehend mit Bezug auf F i g. 3 erläutert worden ist, ist die Temperatur, die an den Reibungsflächen in dem Augenblick auftritt, in 2» 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 F i g. 9.

In der Praxis ist es empfehlenswert, das Anhalten der Drehung und die Anwendung des Anstauchdruckes durch Eingabe ein und desselben Steuersignals 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 einzustellen.

Wenn es andererseits erwünscht ist, die kristalline Struktur in dem Reibschweißabschnitt des Werkstückes 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. Dadurch wird eine günstige Schweißverbindung geschaffen, wenn die Zeitspanne für den Anstauchdruck in den von der Erfindung vorgeschlagenen Grenzen gehalten wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Reibschweißen von Metallwerkstücken, bei dem zur Reibungserwärmung der anliegenden Flächen der Werkstücke die Werkstücke unter leichter Druckberührung in Relativdrehung zueinander gebracht und gehalten werden, bei dem die Relativdrehung auf Null reduziert und die Druckberührung verstärkt wird, um den Reibschweißvorgang im Endbereich der Reibungszeit abzuschließen, wobei die erforderliche Abbremsung der Relativdrehung schon während des Ansteigens des Stauchdruckes ausgelöst wird und das vollständige Anhalten der Drehung etwa gleichzeitig mit dem Erreichen des vollen Stauchdruckes erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbremsung der Relativdrehung und die Aufbringung des Stauchdrucks durch Eingabe ein und desselben Steuersignals ausgelöst wird, und daß die Abbremsung der Relativdrehung über eine Mehrscheibennaßbremse erfolgt, die den Beginn des Abbremsvorganges gegenüber dem Beginn der Aufbringung des Stauchdrucks merklich verzögert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vollständige Anhalten der Drehung mit einer geringen Zeitverzögerung gegenüber dem Erreichen des vollen Stauchdruckes erfolgt.

30

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Reibschweißen von Metallwerkstücken, bei dem zur Reibungserwärmung der anliegenden Flächen der Werkstücke die Werkstücke unter leichter Druckberührung in Relativdrehung zueinander gebracht und gehalten werden, bei dem die Relativdrehung auf Null reduziert und die Druckberührung verstärkt wird, um den Reibschweißvorgang im Endbereich der Reibungszeit abzuschließen, wobei die erforderliche Abbremsung der Relativdrehung schon während des Ansteigens des Stauchdruckes ausgelöst wird und das vollständige Anhalten der Drehung etwa gleichzeitig mit dem Erreichen des vollen Stauchdruckes erfolgt.

Bei bekannten 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. Dieses Einsetzen des eigentlichen Stauchvorgangs, d. h. der Erhöhung des Axialdruckes für den Schweißvorgang nach der vollständigen Abbremsung bzw. nach einer vollständigen Drehzahlreduzierung ist zum Beispiel »Schweißen und Schneiden« 19 (1967), Heft 2, Seiten 74 bis 77, »Industrie-Anzeiger« 93 (1971) Nr. 34, Seiten 781 bis 784, »MM-Industriejournal« 77(1961) i03, Seiten 2321 bis 2323 und »Techn. Rundschau« 63 (1971) Nr. 20, Seiten 17 und 19 zu entnehmen. Um die gewünschte Wirkung bei dem bekannten Reibschweiß- f>o verfahren zu erzielen, spielen das plötzliche Anhalten der Relativdrehung und die momentan folgende Anwendung des Anstauchdruckes zusammen eine sehr wichtige Rolle. Die erste Maßnahme dient dazu, in den aufeinander treffenden Flächen der zugehörigen Stücke b5 eine sonst mögliche Zestörung zu verhindern, die sonst aufgrund der sich entwickelnden Torsionsspannungen während einer verzögerten Geschwindigkeitsverringerung vor dem Anhalten eintreten könnte. Andererseits dient die zweite Maßnahme dazu, den Anstauchvorgang bei der höchstmöglichen Temperatur auszuführen.

Wenn der Drehmomentübergang während des Anstauchvorganges eines Reibschweißverfahrens beobachtet wird, wird festgestellt, daß ein Spitzenwert (Jes Drehmomentes entweder anfänglich oder am Ende des Anstauchvorganges auftritt, wie nachstehend noch ausführlich mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert wird.

Von der ersten Drehmomentspitze, die in der Anfangszeit des Anstauchvorganges auftritt, wird angenommen, daß sie sich zu der Zeit entwickelt, während die kleinen Vorsprünge, die an den gegenüberstehenden Flächen der beiden Stücke vorhanden sind, in gegenseitige Druckberührung treten. Dabei treten wiederholt Verformung-, 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 Verformungswiderstand in dem Material oder den Materialien der beiden Stücke erhöht wird. Es zeigt sich dabei eine Neigung zj entsprechender Drehmomenterhöhung bei Verringerung in der Drehgeschwindigkeit, während ein gewisser konstanter Anstauchdruck auf die Stücke angewendet wird.

Aufgrund der Ergebnisse der der Erfindung zugrundeliegenden Versuche ist insbesondere festgestellt worden, daß, wenn die Materialien der Werkstücke höhere Ziehfähigkeiten als im Fall von Baustählen haben, die zweite Drehmomentenspitze im Sinne der vorstehenden Erläuterungen, 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 verältnismäßig kleines Ausmaß der Temperaturverringerung an den in Reibungseingriff 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 Werkstükken herrscht.

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 oder 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 Reibungswärme. 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 Schmelz-