DE3101227A1

DE3101227A1 - Verfahren zum schweissen von rotationssymmetrisch ausgebildeten werkstuecken aus metallen mit stark unterschiedlicher haerte

Info

Publication number: DE3101227A1
Application number: DE19813101227
Authority: DE
Inventors: Manfred 8901 Kissing Menzinger
Original assignee: KUKA Schweissanlagen und Roboter GmbH
Current assignee: KUKA Systems GmbH
Priority date: 1981-01-16
Filing date: 1981-01-16
Publication date: 1982-07-29
Also published as: GB2091153A; FR2498103A1

Description

Anmelder; Firma INDUSTRIE-WERKE KARLSRUHE AUGSBURG Aktiengesellschaft

Zweigniederlassung Keller & Knappich Zugspitzstr. 140, 8900 Augsburg

Vertreter: Dipl.-Ing. H.-D. Ernicke, Patentanwalt Schwibbogenplatz 2b, 8900 Augsburg

Akte: 772-388,389 ern/st

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Verfohren zum Schweißen von rotationssymmetrisch ausgebildeten Werkstücken aus Metallen mit stark unterschiedlicher Härte

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Reibschweißen von zwei Werkstücken mit unterschiedlicher Warmfestigkeit, wie z.B. Werkstücke aus Stahl und Aluminium bzw. Leichtmetall-Legierungen, bei dem eines der beiden festgespannten Werkstücke in Drehung versetzt und das andere Werkstück entlang der Rotationsachse gegen das rotierende angepreßt und nach Entstehen der gewünschten Reibwärme das drehende Werkstück angehalten und eine axiale Stauchkraft aufgebracht wird.

10Man hat auf wissenschaftlicher Basis schon oft untersucht, unter welchen Bedingungen sich Werkstücke aus z.B. Stahl und Aluminium oder dessen Legierungen miteinander verschweißen lassen. Dabei stellte man, soweit eine Verschweißung überhaupt erreichbar war, fest, daß die Schweißstellen zufolge Sprödigkeit keine ausreichende Festigkeit aufzuweisen. Diese Sprödigkeit wurde auf die Bildung intermetallischer Phasen im Schweißbereich zurückgeführt, die bei bestimmten Schweißtemperaturen durch das Erweichen und Fließen des weniger warmfesten Metalles entstehen.

20Folgerichtig wurden daraufhin Versuche mit dem Reibschweißverfahren unternommen, die zwar wegen der geringeren Schweißtemperatur erfolgversprechender schienen, aber zu keinen für die praktische Anwendung geeigneten Ergebnissen geführt haben. Man hat die Ursache in der Bildung von schädlichen Zwischenschichten zu finden geglaubt, deren che-

25mische Zusammensetzung und physikalische Wirkung obendrein unklar blieb, (the welding institute, Juni 1979 "Joining Aluminium To Steel").

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In der Praxis wurde ein anderer Weg beschritten, der vom Grundgedanken ausgeht, zwischen Stahl und Aluminium eine das Reibschweißen begünstigende Zwischenschicht zu legen. Die DE-AS 26 06 628 offenbart, eine Ag-haltige Haftvermittlerschicht auf das Nicht-Aluminium WerkstUck aufzubringen, die einer ein- bis zweistündigen Hitzebehandlung unter Schutzgasatmosphäre zur Reinigung von Poren, Lunkern und Gasoder anderen Finschlüssen ausgesetzt wird,,¹ Nach der Rekristallisierung der Ag-haltigen Vermittlerschicht werden die beiden Werkstücke nach dem bekannten Reibschweißverfahren verbunden.

In der DE-AS 27 52 584 wird ein Armierverfahren vorgeschlagen, das in zwei getrennten Schweißvorgängen durchgeführt wird. In einem ersten Schweißvorgang wird hierbei an dem Nicht-Aluminium-Werkstück durch Explosivschweißen eine Aluminiumschicht erzeugt, die in einem zweiten SSchweißvorgang als Zwischenschicht für die Verbindung der beiden Werkstücke verwendet wird.

Die beiden Schriften wie auch Versuche der Forschungsinstitute zeigen, daß es nach dem bisherigen Stand der Technik nicht möglich war, eine ^Msrauchbare feste Verbindung zwischen Metallen mit unterschiedlicher Warmfestigkeit unmittelbar, also ohne Verwendung einer Zwischenschicht herzustellen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine direkte Reibschweiß-²Verbindung von Werkstücken aus Metallen mit unterschiedlicher Warmfestigkeit unter Vermeidung der Bildung von Zwischenschichten zu ermöglichen, die den heutigen Anforderungen an Festigkeit genügt.

überraschenderweise gelang die Lösung deser Aufgabe dadurch, daß 3Cdie zum Verschweißen bestimmte Stirnfläche des rotierenden Werkstückes, das die größere Warmfestigkeit aufweist, nach dessen Einspannung und

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unmittelbar vor dem Reibschweißen plangedreht wird.

Durch die Verwendung des Reibschweißverfahrens, bei dem keine Vermischung der Werkstoffe stattfindet sondern eine klare Trennung der Metalle aufrechterhalten bleibt und fUr die Verschweißung eine niedrigere Temperatur benötigt Wird als bei anderen Schweißverfahren, wird die Bildung von intermetallischen Phasen verzögert bzw. verhindert. Aber erst dadurch, daß man die Stirnfläche des warmfesteren Werkstückes unmittelbar vor dem Reibschweißen plandreht, konnte die fUr die

10Praxis erwünschte Festigkeit der Schweißverbindung erreicht werden. Hierbei spielt wahrscheinlich auch eine Rolle, daß das warmfesterei/ Werkstück beim Plandrehen eine Erwärmung erfährt, die dem sofort folgenden Reibschweißvorgang zugute kommt. Auf diese Weise wird jedoch darUber hinaus zum einen sichergestellt, daß die zu verschweissende Fläche genau senkrecht zur Rotationsachse der Reibschweißmaschine ausgerichtet ist und somit einen gleichmäßigen Abrieb der Schweißfläche am weniger warmfesten Werkstück und einer damit verbundenen gleichmäßigen Erwärmung bewirkt, was nicht gewährleistet wäre, wenn man das betreffende Werkstück vor dem Einspannen stirnflächig plan-gedreht hätte, denn dadurch würde beim Einspannen des Werkstückes ein Winkelfehler der zu verschweißenden Fläche mit der Rotationsachse entstehen, der das Reibschweißen praktisch unmöglich machen wUrde. Zum anderen wird durch das Abdrehen die für die einwandfreie Verschweißung hinderliche Oxydhaut entfernt. Es entsteht

²^ zwar innerhalb kürzester Zeit bereits eine neue Oxydhaut, doch weist diese eine wesentlich geringere Dicke und daher einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Schweißqualität auf.

Während des VerschweiBungsvorgangs, in dem das die größere Warmfestigkeit aufweisende Werkstück rotiert, wird nämlich infolge der Reibungswärme das Ende des Werkstückes mit der geringeren Warmfestig-

keit plastifiziert und dabei nach außen gedrängt, wodurch die nach dem Plandrehen gebildete, sehr dUnne Oxydhaut des anderen Werkstückes aus der Schweißebene herausbefördert wird.

Durch eine Bremse wird nun in Üblicher Weise das drehende Werkstück angehalten. Gleichzeitig wird mit Hilfe einer erhöhten axialen Stauchkraft der erhitzte plastische Werkstoff nach außen verdrängt. Die beiden Werkstücke sind damit verschweißt.

Die beim Reibschweißen entstehenden Wulste können dann nach bekannter Art mittels einer in der Reibschweißmaschine angeordneten Drehvorrichtung spanabhebend beseitigt werden.

Mit der Erfindung wird somit der Vorteil erzielt, alle von ihrer Form her fUr das Reibschweißen geeigneten Werkstücke aus unterschiedlichen Metallen, insbesondere aus Stahl und Aluminium bzw. Leichtmetall-Legierungen miteinander praxisgerecht verschweißen zu können.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Reibschweißmaschine zur Durchfuhrung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das Wesen der Erfindung darin besteht, daß die Drehrichtung einen entlang der Stirnfläche des rotierend angetriebenen Werkstückes in einer Radialebene geführten Plandrehmeißel aufweist.

Reibschweißmaschinen bekannter Bauart weisen zwar manchmal Dreheinrichtungen auf. Diese sind aber für das Abdrehen des Schweißwulstes nach Beendigung des Reibschweißvorganges bestimmt und dienen somit einem anderen Zweck.

FOr das erfin-dungsgemäße Verfahren sind alle Formen von Werkstücken

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geeignet, die dem Reibschweißvorgang zugänglich sind,' Die Erfindung schließt nicht aus, auch solche reibschweißbaren Werkstücke zu verwenden, die von ihrer äußeren Kontur her nicht unbedingt als rotationssymmetrisch bezeichnet werden können, aber rotationssymmetrisch liegende Schweißflächen aufweisen. Ebenfalls erstreckt sich die Erfindung nicht nur auf Stahl-Aluminium-Schweißverbindungen sondern auch auf solche aus anderen, unterschiedlich warmfesten Metallen und deren Legierungen.

Claims

Patentansprüche

1) Verfahren zum Reibschweißen von zwei Werkstücken mit unterschiedlicher Warmfestigkeit, wie z.B. Werkstücke aus Stahl und Aluminium, bzw. Leichtmetall-Legierungen, bei dem eines der beiden festgespannten Werkstücke in Drehung versetzt und das andere Werkstück entlang der Rotationsachse gegen das rotierende angepreßt und nach Entstehen der gewünschten Reibwärme das drehende Werkstück angehalten u-nd eine axiale Stauchkraft aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Verschweißen bestimmte Stirnfläche des rotierenden

Werkstückes, das die größere Warmfestigkeit aufweist, nach

dessen Einspannung und unmittelbar vor dem Reibschweißen plangedreht wird.

2) Reibschweißmaschine mit einer Drehvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Dreheinrichtung einen entlang der Stirnfläche des rotierend angetriebenen Werkstückes in einer Radialebene geführten Plandrehmeißel aufweist.

Dipl.-Ing. H.-D. Ernicke
Patentanwalt