DE2929832C2

DE2929832C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von Rohren durch Reibschweißen

Info

Publication number: DE2929832C2
Application number: DE2929832A
Authority: DE
Inventors: Atsuya Kamakura Kamada; Masaru Tokio/Tokyo Kobayashi; Izumi Tochigi Ochiai; Takao Yokohama Terabayashi; Yoiti Sano Wakabayashi; Kenichi Fujisawa Waragai
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-07-24
Filing date: 1979-07-23
Publication date: 1986-07-03
Also published as: JPS5516758A; IT7968523A0; DE2929832A1; US4331280A; IT1118908B; JPS6222713B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines Metallrohrs von verhältnismäßig geringem Formänderungswiderstand, wie Aluminium, mit einem Metallrohr von größerem Formänderungswiderstand, wie Kupfer oder Eisen, durch Reibschweißen der im Patentanspruch 1 angegebenen Gattung. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3.

Aus der DE-OS 16 27 453 ist ein Verfahren zum Verbinden von Werkstücken mit unterschiedlichen Querschnittsflächen durch Reibschweißen bekannt, bei dem die rotationssymmetriscken Stoßflächen der Werkstücke so umschlossen werden, um auf diese Weise die während der Schweißung auftretende plastische Verformung des Werkstückes mit der kleineren Querschnittsfläche zu begrenzen. Zweckmäßig wird im Inneren der Werkstücke im Bereich der Schweißstelle ein Dorn gleichachsig zur Fassung angeordnet. Dieses bekannte Vorgehen ist jedoch zum Verbinden von insbesondere dünnwandigen Rohren mit Wandstärken von 5 mm und weniger nicht geeignet, weil diese Rohre durch den axialen Andruck während des Schweißpressens aufgebaucht, geknickt oder aus der Flucht gebracht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung aufzuzeigen, mit denen auch dünnwandige Metallrohre durch Reibschweißen auf einfache Weise fest miteinander verbunden werden können, wobei eines der Rohre aus einem Metall mit einem verhältnismäßig geringen Formänderungswiderstand, z. B. Aluminium, und das andere Rohr aus einem Metall mit höherem Formänderungswiderstand, z. B. Kupfer oder Eisen, besteht. M 60 Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 (Verfahren) und des Patent- ^: anspruehs 3 (Vorrichtung) gelöst.

Durch die abgeschrägte Endfläche des Rohrs mit dem höheren Formänderungswiderstand ist es möglich, die Rohre beim gegenseitigen Eintreiben und dem folgenden Reibschweißen in gegenseitiger axialer Ausrichtung zu halten. Die Verwendung des relativ festen Ringes mit einem mittleren konischen Abschnitt ermöglicht die Einwirkung erheblich größerer axialer Druckkräfte auf die Verbir.dungsflächen, wobei die wärmeisolierenden Eigenschaften des Ring-Werkstoffes einen steilen Temperaturanstieg der beiden zu verschweißenden Rohrenden und damit kurze Zeiten für die Herstellung der Schweißverbindung ergeben. Ferner wird aufgrund der konischen Endfläche des Rohres mit dem höheren Formänderungswiderstand eine etwa um das dreifach Größe-

re Verbindungsfläche erzielt, was die Herstellung hochfester Schweißverbindungen auch bei dünnwandigen Rohren ermöglicht

Der Ringabschnitt mit dem größeren Durchmesser führt zu einem Plätteffekt von etwa 20% der Wandstärke des Rohres mit dem geringeren Formänderungswiderstand, wobei die bei diesem Plätten erzeugte Wärme die zu verbindenden Rohrenden insbesondere im Bereich der Verbindungsflächen aufheizt Außerdem werden verschiedene Fehler, wie z.B. eine unerwünschte Verdünnung des abgeschrägten Rohrteils, Gratbildungen im Rohrinneren und ein zu weites Ineinandereindringen der beiden Rohre, vermieden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine fertige Reibschweißverbindung zweier dünnwandiger Metallrohre im Axialschnitt;

F i g. 2 eine Vorrichtung zum Verbinden zweier dünnwandiger Metallrohre durch Reibschweißen im schematischen Grundriß;

F i g. 3 einen vergrößerten Axialschnitt eines Rohrhalters der Vorrichtung nach F i g. 2;

F i g. 4 das Rohr mit dem höheren Formänderungswiderstand und abgeschrägtem Ende in Seitenansicht;

F i g. 5 einen vergrößerten Axialschnitt des in der Vorrichtung nach F i g. 2 eingesetzten Ringes; F i g. 6 einen Axialschnitt des Ringes nach F i g. 5 beim Ineinanderschieben der beiden Rohrenden.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist ein Rohr 1 aus einem Metall mit relativ höherem Formänderungswiderstand, z. B. Kupfer oder Eisen, mit dem Ende eines Rohrs 2 von geringerem Formänderungswiderstand, z. B. Aluminium, durch eine Schweißnaht 26 zwischen dem abgeschrägten Ende des inneren Rohres 1 und dem aufgeweiteten Endabschnitt 27 des äußeren Rohres 2 verbunden, wobei sich im unmittelbaren Bereich der Nahtstelle im Rohrinneren ein Ringwulst mit dem Durchmesser d,-gebildet hat

Die Reibschweißvorrichtung nach F i g. 2 besteht aus einer drehangetriebenen Baugruppe 40 unJ aus einer stationären Baugruppe 50. Ein Rohr 1 aus einem Metall mit höherem Formänderungswiderstand, z. B. aus Kupfer, hat eine unter einem Neigungswinkel ä zur Rohrachse abgeschrägte Endfläche, weiche das stoßfreie Einführen dieses Rohrendes in ein drehfest gehaltenes Rohr 2 aus einem Metall von geringerem Formänderungswiderstand, z. B. aus Aluminium, ermöglicht auch wenn beide Rohre 1,2 gleiche Durchmesser haben. Das Kupferrohr 1 ist in einem Futter 3 fixiert, dessen Welle 5 in einem Traglager 4 gehalten ist Eine Bremse 6 ist abtriebsseitig mit der Welle 5 über eine Kupplung 7 und antriebsseitig über Riemenscheiben 8, 11 und einen Treibriemen mit dem Getriebe 10 eines Motors 9 verbunden.

In der ortsfesten Baugruppe 50 ist das zweite zu verschweißende Rohr 2 in einem Rohrhalter 13 festgelegt. Der Rohrhalter 13 ist mit einem Futter 14 und einem Futterhalter 15 verbunden, der mittels Gleitführungen an seiner Unterseite auf Schienen in Längsrichtung verfahren werden kann. Ein Druckluft-Zylinder 18 greift mit seiner Kolbenstange 19 am Futterhalter 15 an. Ein Ring 20 aus wärmeiso'ierendem Material umschließt das Ende des Rohres 2 und weist einen konischen mittleren Abschnitt auf, an den nach außen ein Abschnitt von vergrößertem Innendurchmesser d\ anschließt Dieser Innendurchmesser d\ ist so gewählt, daß ein Auswalzen bzw. Plätten von 20 bis 50% der Wanddicke to des Rohres 2 bei seinem Aufweiten durch Einstecken des Rohrs 1 auftritt Der Innendurchmesser d\ bestimmt sich nach der Gleichung:

d\ = d_B + (1 bis 1,6) ■ t_A.

Der kleinere Durchmesser di im inneren Abschnitt des Ringes 20 entspricht etwa dem Außendurchmesser d_A des Rohres 2 entsprechend der Gleichung:

d₂ = d_A + 0,05.

Da durch den Walz- bzw. Plättefekt im geraden Abschnitt eine Vorheizung auftritt, kann eine hochfeste Schweißung erhalten werden, ohne den Kontaktdruck an den Verbindungsflächen wesentlich zu steigern. Außerdem wird eine hohe Bindefestigkeit durch die relativ großen Verbindungsflächen erzielt. Aus diesem Grunde soll der Neigungswinkel β des konischen Ringabschnittes zur Ringachse vorzugsweise im Bereich zwischen 8 und 30° lieger und zum Neigungswinkel oc des Rohres 1 in folgender Beziehung stehen:

Das Material des Ringes 20 muß eine ausreichend hohe Wärmeisolierung bewirken und eine höhere Festigkeit als Kupfer aufweisen. Beispielsweise können Asbestschaum oder bevorzugt keramische Werkstoffe als Ringmaterial verwendet werden.

Gemäß F i g. 3 umschließt ein Doppelkonusfutter 21 das Rohr 2 im Paßsitz, welches in einer zweiteiligen Spanneinrichtung 22,23 eingespannt ist. Das Rohr 2 wird in das Doppelkonusfutter 21 eingeführt und der Teil 22 wird gegen den Teil 23 angezogen, so daß das Doppelkonusfutter 21 das Roh' 2 festklemmt. Der Ring 20 wird eingesetzt und durch einen Ringhalter 25 fixiert. Die beiden Baugruppen 40, 50 der Vorrichtung sind so ausgelegt, daß die Rohre 1,2 axial fluchten.

Im Betrieb wird die Drehbewegung des Motors 9 über das Untersetzungsgetriebe 10, den Riementrieb Ii, 12, 8, die Biemse 6 und die Welle 5 auf das Bohrfutter 3 übertragen, so daß das Rohr 1 in Drehung versetzt wird. Durch Zufuhr von Druckluft in den Zylinder 18 wird der Futterhalter 15 auf den Schienen 16,17 zusammen mit dem fixierten Rohr 2 gegen das drehangetriebene Rohr 1 vorgeschoben. Dabt t dringt das abgeschrägte Ende des Rohres 1 in das Rohr 2 ein, wobei das Rohr 2 aufgeweitet und zwischen den konischen Endflächen des Rohres 1 und des miltbren Abschnittes des Ringes 20 eingefaßt wird. Bei diesem Vorgang wird das Ende des Rohres 2 im geraden Ringabschnitt und durch das eindringende Rohr 2 unter Wärmeerzeugung geplättet und

IO

20 25

gestreckt. Die erzeugte Reibungswärme wird nicht nach außen abgeführt, sondern zur Erwärmung der beiden Rohrenden ausgenutzt. Sobald die konischen Flächen der beiden Rohre in gegenseitigen Reibungseingriff gelangen, tritt ein sehr schneller Temperaturanstieg auf und die Grenzflächen werden in einer kurzen Zeitspanne aufgeschmolzen. In diesem Stadium wird unter Aufrechterhaltung des Kontaktdruckes die Kupplung 7 betätigt, um die Drehung des Rohres I abrupt zu beenden. Nach Lösen der Spanneinrichtung 22, 23 wird der Ring 20 nach rechts bewegt, um eine Luftkühlung der gebildeten Schweißnaht 26 zu ermöglichen.

Im folgenden werden die Werte für zwei Beispiele einer Reibschweißverbindung von dünnwandigen Rohren aus Kupfer und Aluminium angegeben, die in einer Vorrichtung nach F i g. 2 innerhalb von 4 s hergestellt wurde, wobei die Luftabkühl-Periode nach Anhalten des Kupferrohres bei 5 s lag.

Tabelle 1

Hauptdaten für die Reibungsschweißung

Versuch	Abmessung des	Drehendes Rohr	Abmessung des	Drehzahl	Druckbelastung des
No.	Rohres	Abschrägungs-	Ringes	des Rohres	stehenden Rohres P
		winkel λ°	d;.d₂.ß.l		Preßgeschwindigkeit V
			(siehe Fig. 5)

Kupfer: Außendurch- λ = 10° messer 8 mm Wanddicke 1 mm Aluminium: ebenso

d] = 93 mm 0 Kupfer:

d₂ = 3,05 mm 0 3000 U/min

β = 20° Aluminium:

/ =5 mm Stationär

Kupfer: Außendurchmesser 635 mm Wanddicke 0,8 mm Aluminium: ebenso

d\ = 73 mm 0

di = 6,4 mm 0

β = 20°

/ =5 mm

Kupfer: 3000 U/min Aluminium: Stationär

P-V =

P-

V =

230 kg

■■ 4 mm/s

230 kg ■ 4 mm/s

30

40 45 50

In jedem Fall war die Reibungsschweißung möglich, auch wenn die Außendurchmesser auf 3 mm und die Dicken auf 0,5 mm bei beiden Rohren verringert wurden.

Die Eigenschaften der so erhaltenen Kupfer-Aluminium-Schweißverbindungen sind in der Tabelle 2 aufgeführt. Aus der Tabelle 2 ist ersichtlich, daß die Schweißverbindung in jedem Fall eine ausreichend hohe Druckfestigkeit zeigt.

Tabelle 2 Eigenschaften dor Rohrschweißverbindung	Zugfestigkeit	Bruchpunkt	Druckfestigkeit (400 N/cm 3 min Nj-gas)	Maximaldicke der geschmolzenen Verbindung
Versuch No.	2000N 1600N	Aluminiummatrix Aluminiummatrix	Kein Leck Kein Leck	etwa 8 μΐη etwa 10 μπι
1 2

Weil ein Vorheizeffekt durch Verformen des Aluminiumrohrs im geraden Ringteil erhalten wird, ergibt sich ein schneller Temperaturanstieg an den abgeschrägten Verbindungsflächen. Als Ergebnis können hochfeste Verschweißungen in einer Reibungszeit von nur 2 bis 4 s erzielt werden. Ferner wird eine unerwünschte Verdünnung des schrägen äußeren Rohrteils 27 (F i g. 7) vermieden und die Eindringtiefe des Kupferrohres 1 in das Aluminiumrohr 2 kann klein sein, wobei der Durchmesser c//etwa bei dii.0,7 do liegt, was ein Ausdrehen der inneren Umfangsiiäche der Schweißverbindung erübrigt Mit gleichem Erfolg kann das drehende Rohr gegen das stationäre Rohr bewegt und gedruckt werden. Es ist auch möglich, das im Ring 20 festgelegte Rohr mit hoher Drehgeschwindigkeit anzutreiben und das abgeschrägte Rohr stationär zu halten. Aufgrund der minimalen Gratbildung ist ein Innen-Ausdrehen in keinem Falle notwendig.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verbinden eines Metallrohrs von verhältnismäßig geringem Formänderungswiderstand, wie Aluminium, mit einem Metallrohr von größerem Fo₁ .nänderungswiderstand, wie Kupfer oder Eisen, durch Reibschweißen, bei dem die gleichachsig ausgerichteten Rohrenden relativ gegeneinander vorgeschoben und miteinander in Eingriff gebracht werden, wobei eines der Rohre um seine Längsachse in eine Drehbewegung versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß während der kontinuierlichen Drehbewegung des einen Rohres das Rohr mit dem größeren Formänderungswiderstand mit seinem abgeschrägten Ende in das Rohr mit dem geringeren Formänderungswiderstand eingeschoben und unter gleichzeitiger

ίο Vorwärmung der gegenseitigen Berührungsflächen beider Rohre das Rohr mit dem geringeren Formänderungswiderstand das seinerseits in die Bohrung eines aus wärmeisolierendem Material bestehenden Ringes, die einen geraden Abschnitt eines geringeren Durchmessers als die Summe des Außendurchmessers des Rohres mit dem größeren Formänderungswiderstand und der doppelten Wanddicke des Rohrs mit dem geringeren Formänderungswiderstand und daran stetig anschließend einen abgeschrägten Abschnitt mit allmählich abnehmendem Durchmesser aufweist, eingeführt wird, bis zur Anlage an die Innenwand der zylindrischen Bohrung des Ringes aufgeweitet wird, wobei mit dem Anliegen des aufgeweiteten Rohrendes an dem konischen Abschnitt der Bohrung des Ringes eine Aufheizung der beiden Rohre im Bereich ihrer schrägen Berührungsflächen bis auf Schweißtemperatur erfolgt, woraufhin die Drehbewegung des einen Metallrohrs abgebrochen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Durchmesser (d\) des geraden Abschnitt; der Bohrung im Bereich zwischen (ds+ tA bis de+1,6 Ia) gewählt wird, wobei (da) den Außendurchmesser des Rohres mit dem größeren Formänderungswiderstand und (t*) die Wandstärke des Rohres mit dem kleineren Formänderungswiderstand bedeuten, und daß der konische Abschnitt in der Bohrung zur Horizontalen einen Winkel zwischen 8 und 30° bildet.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, bestehend aus je einer Halterung zur festen gleichachsigen Einspannung je eines Rohres, aus einem Drehantrieb für eines der Rohre und aus einem Vorschubantrieb für mindestens eines der Rohre, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (13) für das Rohr (2) mit geringerem Formänderungswiderstand einen Ring (20) enthält, der in einem ersten Abschnitt den Endteil des Rohres (2) im Paßsitz umschließt und der einen mittleren konischen Teil aufweist, dessen Neigungswinkel β größer als der Neigungswinkel ex. des konischen Endteils des Rohres (1) mit dem größeren Formänderungswiderstand ist und der in einen dritten zylindrischen Abschnitt übergeht, dessen Durchmesser (d\) kleiner als die Summe aus dem Außendurchmesser (da; d_A) des Rohres (1) mit dem größeren Formänderungswiderstand und der doppelten Wanddicke fa) des Rohres (2) mit dem geringeren Formänderungswiderstand ist.

4. Vorrichtung nach Ansprui Ί 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (20) aus einem wärmeisolierenden Material besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung für das drehangetriebene Rohr (1) eine Ausrückkupplung (6) zwischen dem Drehantrieb (9) und dem Spannfutter (3) aufweist