DE3307445C2

DE3307445C2 - Process for friction welding parts

Info

Publication number: DE3307445C2
Application number: DE19833307445
Authority: DE
Inventors: Claus-Christian 7333 Ebersbach-Weiler Alt
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1983-03-03
Filing date: 1983-03-03
Publication date: 1985-07-04
Also published as: DE3307445A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reibschweißen von Teilen, bei dem die beiden zu verschweißenden Teile während einer Erwärmungsphase unter leichtem gegenseitigem Druck relativ zueinander verdreht werden; nach ausreichender Reibungserwärmung der Teile wird deren Relativdrehung abgebremst und die relativ zueinander stillstehenden Teile werden mit hoher Axialkraft zusammengepreßt. Um die Abbremszeit zu verkürzen, wird vorgeschlagen, beide Teile drehbar zu lagern und die erforderliche Abbrems- bzw. Beschleunigungsarbeit, die zur Herbeiführung eines relativen Stillstandes beider Teile erforderlich ist, an beiden zu verschweißenden Teilen aufzubringen. Dieses kann dadurch geschehen, daß das in der Erwärmungsphase zunächst stillstehende Teil in der Abbremsphase in Drehrichtung des rotierenden Teiles beschleunigt wird. Gemäß einem anderen Vorschlag in der gleichen Richtung werden die beiden Teile während der Erwärmungsphase in entgegengesetzter Drehrichtung angetrieben und anschließend etwa gleichzeitig und gleich schnell abgebremst. Dank der beiden wahlweise anwendbaren Vorschläge ist eine kürzere Abbremszeit erzielbar, wodurch auch Werkstoffe mit niedrigem Schmelzpunkt und hoher Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Aluminium, ohne eine Verschmierung des Schweißnahtgefüges in Umfangsrichtung verschweißt werden können. Derartiges würde die Festigkeit der Schweißverbindung beeinträchtigen.The invention relates to a method for friction welding parts, in which the two parts to be welded are rotated relative to one another during a heating phase under slight mutual pressure; After sufficient frictional heating of the parts, their relative rotation is braked and the parts, which are stationary relative to one another, are pressed together with high axial force. In order to shorten the braking time, it is proposed to mount both parts in a rotatable manner and to apply the required braking or acceleration work, which is necessary to bring about a relative standstill of both parts, to both parts to be welded. This can be done in that the part which is initially stationary in the heating phase is accelerated in the direction of rotation of the rotating part in the braking phase. According to another proposal in the same direction, the two parts are driven in opposite directions of rotation during the heating phase and then braked approximately simultaneously and at the same speed. Thanks to the two optionally applicable proposals, a shorter deceleration time can be achieved, whereby materials with a low melting point and high thermal conductivity, such as. B. aluminum, can be welded in the circumferential direction without smearing of the weld seam structure. Such would affect the strength of the welded joint.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reibschweißen von Werkstücken nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 oder 3. wie es beispielsweise aus der DE-OS 05 664 als bekannt hervorgeht.The invention relates to a method for friction welding workpieces according to the preamble of claim 1 or 3. As is apparent from DE-OS 05 664 as known, for example.

Reibschweißungen werden für Stahlteile seit längerer Zeit angewandt. Die Werkstücke werden durch die Reibung bis zur hellen Rotglut erwärmt und unter Stillstand in teigigem Zustand unter erhöhtem Axialdruck zusammengepreßt, wobei die beiden Werkstücke miteinander innig verschweißen.Friction welding has been used for steel parts for a long time. The work pieces are caused by the friction heated to a bright red glow and pressed together in a doughy state under increased axial pressure while standing still, whereby the two workpieces are intimately welded to one another.

Es hat auch nicht an Versuchen gefehlt, dieses Verfahren für Aluminium anzuwenden. Dieser Werkstoff unterscheidet sich jedoch in zwei Punkten wesentlich gegenüber Stahl, wodurch die Anwendbarkeit des Reibschweißverfahrens für Aluminium stark in Frage gestellt wird. Dies ist zum einen der niedrigere Schmelzpunkt von Aluminium; dadurch ist auch der Temperaturabstand zwischen dem Schmelzpunkt und dem für das Schweißen nötigen teigigen Zustand des Aluminiums kleiner als der entsprechende Tenifteraturabstand bei Stahl. Außerdem hat Aluminium eine wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit gegenüber Stahl. Einerseits muß das Werkstück bis in den teigigen Zustand hinein erwärmt werden, andererseits muß ein ausreichender Sicherheitsabstand von flüssigem Zustand des Werkstoffes eingehalten werden, weil sonst eine Maßhaltigkeit der zu verschweißenden Werkstücke nicht eingehalten werden kann; der flüssig gewordene Werkstoff fließt unter Fliehkrafteinfluß und/oder unter dem Einfluß der axialen Pressung aus dem Schweißspalt heraus.There has also been no lack of attempts to use this method for aluminum. This material is different However, it differs significantly from steel in two respects, which makes the friction welding process useful for aluminum is strongly questioned. On the one hand, this is the lower melting point of aluminum; thereby also the temperature difference between the melting point and the for the required doughy state of the aluminum for welding is less than the corresponding tenifterature distance with steel. In addition, aluminum has a much higher thermal conductivity than steel. On the one hand the workpiece must be heated up to the doughy state, on the other hand must be sufficient Safety distance from the liquid state of the material must be observed, otherwise dimensional accuracy the workpieces to be welded cannot be adhered to; the material that has become liquid flows out of the welding gap under the influence of centrifugal force and / or under the influence of the axial pressure.

ίο Wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit von Aluminium und der nur geringfügigen Temperaturüberhöhung gegenüber der Temperatur, in dem der Werkstoff für das Schweißen ausreichend teigig ist steht nur sehr wenig Zeit zwischen dem Ende der Erwärmungsphase und dem eigentlichen Verschweißen der Werkstücke zur Verfugung. Diese Zeit ist so kurz, daß das rotierende Werkstück trotz Anwendung leistungsfähig**; Bremsen nicht mehr bis zum vollständigen Stillstand heruntergebremst werden kann. Deswegen hat man die eigentliche Schweißung und die Anwendung des hohen Anpreßdruckes bereits während des Auslaufens des rotierenden Werkstückes angewandt, was jedoch dazu geführt hat daß die entstehende Schweißnaht in Umfangsrichtung sehr stark verdreht und das Schweißnahtgefüge in Umfangsrichtung verschmiert war. Dieses beeinträchtigt in hohem Maße die Festigkeit der Schweißnahtίο Because of the high thermal conductivity of aluminum and the only slight increase in temperature compared to the temperature in which the material is used for the If welding is sufficiently doughy, there is very little time between the end of the heating phase and the actual welding of the workpieces available. This time is so short that the rotating Workpiece efficient despite application **; Braking no longer braked down to a complete standstill can be. That is why one has the actual welding and the application of the high contact pressure already applied during the stopping of the rotating workpiece, which, however, led to it has that the resulting weld seam is twisted very strongly in the circumferential direction and the weld seam structure in Was smeared in the circumferential direction. This affects the strength of the weld to a great extent

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verfahrensausgestaltung anzugeben, mit der kürzere Abbremszeiten erreicht werden können, so daß das Reibschweißverfahren auch für niedrig schmelzende und gut wärmeleitende Werkstoffe wie Aluminium anwendbar ist.The object of the invention is to provide a method configuration with which shorter braking times are achieved can be, so that the friction welding process also for low-melting and highly thermally conductive Materials such as aluminum is applicable.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch zweierlei Weise gelöst, und zwar kann entweder nach den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 oder nach den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 3 verfahren werden.According to the invention, this object is achieved in two ways, either according to the characterizing features of claim 1 or according to the characterizing features of claim 3 be proceeded.

Üblich war bisher, lediglich eines der beiden zu verschweißenden Werkstücke in Drehung zu versetzen, während das andere Werkstück nicht drehbar gelagert war.Up to now, it was common practice to set only one of the two workpieces to be welded in rotation, while the other workpiece was not rotatably supported.

Durch die Erfindung wird nun vorgeschlagen, aufgrund einer drehbaren Lagerung beider zu verschweißenden Werkstücke die erforderliche Brems- bzw. Antriebsarbeit, die dazu erforderlich ist, um einen relativen Stillstand beider Werkstücke herbeizuführen, auf die beiden zu verschweißenden Werkstücke zu verteilen. Da der Abstand der einzelnen Drehzahlen von dem Zustand eines relativen Stillstandes der Werkstücke dadurch nur noch halb so groß ist gegenü^;r dem früheren Zustand mit einem feststehenden und einem umlaufenden Werkstück, muß an jedem Werkstück nur noch ein Viertel der Drehenergie abgebremst bzw. aufgebracht werden gegenüber dem vorbekannten Zustand.The invention now proposes that both to be welded due to a rotatable mounting Workpieces the required braking or drive work that is required to achieve a relative Bringing both workpieces to a standstill, distributing them over the two workpieces to be welded. Because the distance between the individual speeds from the state of a relative standstill of the workpieces thereby is only half the size of the previous state with one fixed and one rotating Workpiece, only one has to be attached to each workpiece Quarter of the rotational energy are braked or applied compared to the previously known state.

Das Beschleunigen des zunächst stillstehenden Werk-Stücks während der Abbremsphase des rotierenden Werkstücks kann durch einen Kraftspeicher, z. B. durch eine Drehfeder oder auch durch eine zunächst leer umlaufende drehende Masse erfolgen, die zwecks Beschleunigung des stillstehenden Werkstücks über eine reibschlüssige Kupplung mit dem zunächst stillstehenden Werkstück angekoppelt wird. Durch einen solchen Ankuppelvorgang wird die kinetische Energie der umlaufenden Masse zumindest teilweise an das zunächst stillstehende Werkstück abgegeben, wodurch dieses sehr stark beschleunigt wird. Die Drehfeder oder die rotierende Masse können jeweils durch das während der Erwärmungsphase drehangetriebene Werkstück mitgespannt bzw. auf Drehzahl gebracht werden. Durch The acceleration of the initially stationary work piece during the braking phase of the rotating workpiece can be achieved by an energy storage device, e.g. B. by a torsion spring or by an initially idle rotating mass, which is coupled to the initially stationary workpiece for the purpose of accelerating the stationary workpiece via a frictional coupling. Through such a coupling process, the kinetic energy of the rotating mass is at least partially transferred to the initially stationary workpiece, which accelerates it very strongly. The torsion spring or the rotating mass can each be tensioned or brought up to speed by the workpiece, which is driven in rotation during the heating phase. By

eine Entladung eines aufgeladenen Kraftspeichers können in sehr kurzer Zeit hohe Energiebeträge freigesetzt und sehr starke Beschleunigungen erzielt werden. Selbstverständlich ist daneben auch denkbar, das zunächst stillstehende Werkstück durch den normalen Reibschluß zwischen den beiden zu verschweißenden Werkstücken zu beschleunigen. Diese Verfahrensausgestaltung ermöglicht eine besonders einfache Vorrichtung. A discharge of a charged energy store can release high amounts of energy in a very short time and very strong accelerations can be achieved. Of course, it is also conceivable that initially stationary workpiece due to the normal frictional engagement between the two to be welded Accelerate workpieces. This embodiment of the method enables a particularly simple device.

Wenn schon beide Werkstücke drehbar gelagert sind, ist es entsprechend dem zweiten Vorschlag der Erfindung möglich, beide Werkstücke während der Erwärmungsphase, jedoch in einander entgegengesetzter Drehrichtung anzutreiben. Die Drehzahlen sind dann nur halb so groß im Vergleich zu einem vergleichbaren Schweißverfahren mit einerseits stillstehenden und andererseits alleinig angetriebenen Werkstück. Wenn die Massenträgheitsmomente der beiden zu verschweißenden Werkstücke einschließlich der sie aufnehmenden mitumlaufenden v/erkstücke der Schweißvorrichtung etwa gleich groß sind, sind die beiden Drehzahlen gleich groß. Bei sehr stark unterschiedlichem Massenträgheitsmoment der zu verschweißenden Werkstücke werden zweckmäßigerweise die Drehzahlen ebenfalls unterr schiedlich gewählt, derart, daß unter Berücksichtigung der jeweiligen Massenträgheitsmomente die kinetisehen Energien der beiden Werkstücke etwa gleich groß sind. Dadurch sind die Abbremsenergien für beide Werkstücke gleich groß, so daß optimal kurze Bremszeiten erzielbar sind. Auch bei gegenläufigem Antrieb der beiden zu vers: hweißenden Werkstücke kann eine einzige Antriebsquelle für beide Werkstücke vorgesehen werden, wenn nämlich beide Werkstücke mit einem drehzahlumkehrenden Getriebe mite'nander verbunden sind. Allerdings müssen beide Werkstücke in der Abbremsphase gesondert das heißt durch jeweils eine Extrabremse abgebremst werden, um den Vorteil der reduzierten kinetischen Energien voll ausnutzen zu können. Um die Massenträgheitsmomente der Antriebsquelle und der zwischen ihr und den zu verschweißenden Werkstücke zwischengeschalteten Getriebe während der Abbremssphase nicht mit abbremsen zu müssen, ist es zweckmäßig, diese umlaufenden Werkstücke am Ende der Erwärmungsphase an einer im Kraftfluß möglichst nah an den zu verschweißenden Werkstücken liegenden Stelle von diesen abzukoppeln. Dies gilt selbstverständlich sinngemäß auch für den ersten Vorschlag der Erfindung mit nur einem v/ährend der Erwärmungsphase umlaufenden Werkstück.If both workpieces are already rotatably mounted, it is according to the second proposal of the invention possible, both workpieces during the heating phase, but in opposite directions Drive direction of rotation. The speeds are then only half as high as compared to a comparable one Welding process with, on the one hand, stationary and, on the other hand, solely driven workpiece. If the Mass moments of inertia of the two workpieces to be welded, including those that hold them rotating parts of the welding device are approximately the same size, the two speeds are the same great. If the mass moment of inertia of the workpieces to be welded varies greatly expediently the speeds also differently selected, such that taking into account of the respective mass moments of inertia, the kinetic energies of the two workpieces are roughly the same are great. As a result, the braking energies are the same for both workpieces, so that ideally short braking times are achievable. Even if the two workpieces to be welded are driven in opposite directions, one only drive source provided for both workpieces are, namely, when both workpieces are connected to each other with a speed-reversing gear are. However, both workpieces have to be separated in the braking phase, that is to say by one each Extra brake can be braked in order to take full advantage of the reduced kinetic energies. About the moments of inertia of the drive source and that between it and the one to be welded Not having to slow down workpieces between gear units during the deceleration phase, it is advisable to place these rotating workpieces on one in the power flow at the end of the heating phase Decouple the location as close as possible to the workpieces to be welded. this applies of course, in the same way for the first proposal of the invention with only one v / uring the heating phase rotating workpiece.

Claims

Patent claims:

1. Process for friction welding workpieces, in which the two workpieces to be welded together during a heating phase be rotated relative to each other with axial pressure at the point to be welded furthermore, after sufficient frictional heating of the workpieces, their relative rotation is braked and the workpieces that are stationary relative to one another have a significantly higher axial force than during the heating phase are pressed together, characterized in that the rotatably mounted, during the heating phase stationary workpiece during the deceleration phase of the other rotating workpiece in its Direction of rotation is accelerated until the speed matches.

2. The method according to claim 1, characterized in that that the initially stationary workpiece by means of sliding frictional engagement with the rotating Workpiece is accelerated.

3. Process for friction welding workpieces in which the two workpieces to be welded during a heating phase under mutual axial pressure on the one to be welded Place to be rotated relative to each other, in which, furthermore, after sufficient frictional heating the workpieces whose relative rotation is braked and the workpieces which are stationary relative to one another with a significantly higher axial force than during the period the heating phase are pressed together, characterized in that both workpieces driven in the opposite direction of rotation during the heating phase and then approximately simultaneously and be braked immediately.

4. The method according to claim 2, characterized in that the speed of the two workpieces taking into account their respective moment of inertia is chosen so large that whose kinetic energies are roughly the same during the heating phase.