DE3638270A1

DE3638270A1 - Verfahren zum reibungsschweissen

Info

Publication number: DE3638270A1
Application number: DE19863638270
Authority: DE
Inventors: Vladimir Konstantinovi Lebedev; Ivan Alekseevic Cernenko; Aleksandr Trofimovic Dyslenko; Leonid Vladimirovic Litvin; Vladimir Ivanovic Tisura
Original assignee: Institut Elektrosvarki Imeni E O Patona Akademii Nauk Ukrainskoi Ssr
Current assignee: Institut Elektrosvarki Imeni E O Patona Akademii Nauk Ukrainskoi Ssr
Priority date: 1986-11-12
Filing date: 1986-11-10
Publication date: 1988-05-19
Also published as: US4712724A; GB2197612B; DE3638270C2; FR2607044B1; FR2607044A1; GB2197612A; GB8627872D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Preßschweißen und betrifft insbesondere Verfahren zum Reibungsschweißen.

Die vorliegende Erfindung kann im Maschinen- und Werkzeugbau in der elektrotechnischen und chemischen Industrie ihre Anwendung finden.

Besonders wirksam kann das erfindungsgemäße Schweißverfahren beim Schweißen von heterogenen Werkstoffen mit stark unterschiedlichen thermophysikalischen Eigenschaften sowie beim Schweißen von Teilen eingesetzt werden, deren Stößflächen eine Zunderschicht aufweisen.

Die Verwendung von Verfahren zum Reibungsschweißen für diese Zwecke mit einer stabilen Größe der Axialkraft bei der Erwärmung gestattet es nicht, Schweißverbindungen von einer hohen Güte zu erhalten, weil sich das Temperaturfeld über den Querschnitt der Schweißteile ungleichmäßig verteilt. Die Verwendung von bekannten Verfahren zum Reibungsschweißen mit einer pulsierenden Größe der Axialkraft bei der Erwärmung ermöglicht eine gleichmäßigere Verteilung des Temperturfeldes innerhalb der Zone der Schweißverbindung. Beim Schweißen von heterogenen Werkstoffen mit stark unterschiedlichen thermophysikalischen Eigenschaften wird jedoch durch die Verwendung solcher Verfahren die erforderliche Verteilung des Temperaturfeldes in der Zone der Schweißverbindung nicht gesichert, was zu Bindefehlern im Fugenquerschnitt und an der Fugenkante führen kann.

Bekannt ist ein Verfahren zum Reibungsschweißen (siehe das Buch von V.I. Vill "Reibungsschweißen von Metallen", Leningrad, Verlag "Mashinostroenie", 1970, S. 61), das praktisch in allen Reibungsschweißmaschinen seine Anwendung findet und darin besteht, daß man die Schweißteile koaxial einspannt, diese in eine relative Drehbewegung setzt, an den Schweißteilen eine gleichbleibende Axialkraft bei der Erwärmung im Laufe des Reibungsschweißprozesses angreifen läßt und nach der erforderlichen Erwärmung der Zone der Schweißverbindung ein Hämmern der Schweißnaht vornimmt.

Beim Schweißen von Schweißteilen aus heterogenen Werkstoffen mit stark unterschiedlichen thermophysikalischen Eigenschaften nach dem genannten Verfahren kann die erforderliche Umverteilung des Temperaturfeldes in der Zone der Schweißverbindung nicht erzielt werden, wodurch die Güte und die Zuverlässigkeit der Schweißverbindung vermindert werden. Beim Angreifen von größeren Axialkräften bei der Erwärmung im Laufe des Reibungssschweißprozesses weist die Zone der Erwärmung von Schweißteilen eine X-Form auf, was zur Bildung von Bindefehlern im Fugenquerschnitt führen kann; beim Angreifen von kleineren Axialkräften weist die genannte Zone die Form einer Linse auf, was zur Bildung von Bindefehlern an der Fugenkante führen kann.

Bekannt ist ein Verfahren zum Reibungsschweißen (siehe SU-Urheberschein 12 09 398, 1986), welches darin besteht, daß man Schweißteile aus Werkstoffen mit bestimmtem Elastizitätsmodul koaxial einspannt, diese in eine relative Drehbewegung setzt, an den Schweißteilen eine sich periodisch ändernde Axialkraft bei der Erwärmung im Laufe des Reibungsschweißprozesses angreifen läßt und ein Hämmern der Schweißnaht vornimmt.

Bei diesem Verfahren zum Reibungsschweißen ändert sich die Axialkraft in jeder Periode, die durch unterschiedliche Frequenz gekennzeichnet ist, von einem Minimalwert bis zu einem Maximalwert so, daß der Maximalwert der Axialkraft kontinuierlich zunimmt. Durch eine solche Änderung der Axialkraft bei der Erwärmung werden die technologischen Möglichkeiten des Verfahrens etwas erweitert: auf einer Maschine, die zum Reibungsschweißen von Teilen mit einem bestimmten Durchmesser bestimmt ist, können Teile von einem größeren Durchmesser geschweißt werden. Die veränderliche Frequenz, mit der eine periodische Änderung der Axialkraft verwirklicht wird, gewährleistet jedoch die erforderliche Umverteilung des Temperaturfeldes in der Zone der Schweißverbindung nicht, was zu einer unzureichend intensiven und einer gleichmäßigen Erwärmung der genannten Zone führt.

Durch die Steigerung der Axialkraft bei der Erwärmung bis zu ihrem Maximalwert in mehreren Perioden beim Reibungsschweißen von heterogenen Werkstoffen mit stark unterschiedlichen thermophysikalischen Eigenschaften wird eine Inhomogenität der wärmebeeinflußten Zone in der Richtung vom Zentrum zum peripheren Bereich der Schweißverbindung hervorgerufen, was die Güte der Schweißverbindung vermindert sowie zur Bildung von Bindefehlern an der Fugenkante und zu einer unbegründeten Verlängerung der Erwärmungszeit führen kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Reibungsschweißen zu entwickeln, bei dem man an den Schweißteilen eine sich periodisch mit einer bestimmten Frequenz ändernde Axialkraft bei der Erwärmung im Laufe des Reibungsschweißprozesses angreifen läßt, wodurch die erforderliche Umverteilung des Temperaturfeldes in der Zone der Schweißverbindung erzielt wird, was zu einer Intensivierung dieses Prozesses und zu einer Erhöhung der Güte der Schweißverbindungen vorzugsweise aus Werkstoffen mit stark unterschiedlichen thermophysikalischen Eigenschaften führen soll.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß man bei einem Verfahren zum Reibungsschweißen, welches darin besteht, daß man Schweißteile aus Werkstoffen mit bestimmtem Elastizitätsmodul koaxial einspannt, diese in eine relative Drehbewegung setzt, an den Schweißteilen eine sich periodisch ändernde Axialkraft bei der Erwärmung im Laufe des Reibungssschweißprozesses angreifen läßt, und ein Hämmern der Schweißnaht vornimmt, erfindungsgemäß, die sich periodisch ändernde Axialkraft bei der Erwärmung im Laufe des Reibungsschweißprozesses an den Schweißteilen mit einer Frequenz, die der Größe des kleineren Elastizitätsmoduls des Werkstoffes der Schweißteile und dem Durchmesser oder dem kleinsten von den Durchmessern der Schweißteile indirekt proportional ist, unter gleichzeitiger Änderung des Frequenzwertes in einem Bereich von ±15% angreifen läßt.

Es ist zweckmäßig, daß man, wenn mindestens eins der Schweißteile mit Zunder überzogene Stoßflächen aufweist, bei der Erwärmung im Laufe des Reibungsschweißprozesses das dabei entstehende Reibungsmoment mißt, die Wirkung der sich mit einer Festfrequenz periodisch ändernden Axialkraft bei einem eingeregelten Wert des Reibungsmomentes einstellt, und vor Beginn des Hämmerns der Schweißnaht an den Schweißteilen eine gleichbleibende Axialkraft angreifen läßt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Reibungssschweißen gestattet es, bei der Erwärmung im Laufe des Reibungsschweißprozesses eine Umverteilung des Temperaturfeldes in der Richtung vom peripheren Bereich zum Zentrum und umgekehrt zu erzielen, wodurch der Schweißprozeß intensiviert und eine gleichmäßige Erwärmung der Schweißteile über den gesamten Querschnitt gefördert werden. Dadurch wird eine homogene wärmebeeinflußte Zone über den gesamten Querschnitt der Schweißteile in der Richtung vom Zentrum zum peripheren Bereich hergestellt und die Güte der Schweißteile, insbesondere aus heterogenen Werkstoffen mit stark unterschiedlichen thermophysikalischen Eigenschaften, wie Vanadin+Stahl, Molybdän+Wolfram oder aus mit einer Zunderschicht überzogenen Werkstoffen verbessert.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Durchführungsbeispielen mit beigefügten Zeichnungen erläutert; Es zeigt

Fig. 1 - eine graphische Darstellung der Änderung der Axialkraft, der Kraft des Hämmerns der Schweißnaht und der Drehgeschwindigkeit im Laufe des Reibungsschweißprozesses in Abhängigkeit von der Zeit, gemäß der Erfindung;

Fig. 2 - eine graphische Darstellung der Änderung der Axialkraft und des Reibungsmomentes im Laufe des Reibungsschweißprozesses in Abhängigkeit von der Zeit für Schweißteile, von denen mindestens ein Schweißteil mit einer Zunderschicht überzogene Stoßflächen aufweist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Reibungsschweißen kann mittels einer beliebigen bekannten Maschine zum herkömmlichen oder zum trägen Reibungsschweißen realisiert werden und besteht in folgendem.

Schweißteile mit einem bestimmten Elastizitätsmodul werden koaxial eingespannt und in eine relative Drehbewegung gesetzt. Die Schweißteile können gleiche oder unterschiedliche Durchmesser aufweisen und aus heterogenen Werkstoffen mit stark unterschiedlichen thermophysikalischen Eigenschaften wie Schmelztemperatur, Festigkeitsgrenze, Härte, Elastizitätsmodul usw. hergestellt werden. Dann läßt man an den Schweißteilen eine sich periodisch ändernde Axialkraft bei der Erwärmung im Laufe des Reibungsschweißprozesses angreifen, wobei die Frequenz, mit der die Axialkraft angreift, durch die thermophysikalischen Eigenschaften der Werkstoffe der Schweißteile und deren Durchmesser bestimmt wird, und genauer gesagt, ist sie indirekt proportional der Größe des kleineren Elastizitätsmoduls der Werkstoffe der Schweißteile und dem Durchmesser oder dem kleinsten von den Durchmessern der Schweißteile, der unter der Berücksichtigung der Festigkeit der Schweißverbindung gewählt wurde, wobei sich der Frequenzwert in einem Bereich von ±15% ändert. Es wurde experimentell nachgewiesen, daß die Abhängigkeit der Frequenz f beim Angreifen der Axialkraft P₁ an den Schweißteilen die folgende ist:

worin
E -Elastizitätsmodul des Werkstoffes mit einer kleineren Größe dieses Wertes (MPa); d -Durchmesser oder der kleinste von den Durchmessern der Schweißteile (mm) bedeuten.

Fig. 1 veranschaulicht den Charakter der Änderung der Axialkraft P₁ bei der Erwärmung im Laufe des Reibungsschweißprozesses (Abschnitt OA, Kurve a), der Kraft P₂ beim Hämmern der Schweißnaht (Abschnitt BC, Kurve a) und der Drehgechwindigkeit n beim trägen Reibungsschweißen (Kurve b₁) sowie beim herkömmlichen Reibungsschweißen (Kurve b₂), die an der Ordinatenachse aufgetragen sind, in Abhängigkeit von der Zeit t, die an der Abszissenachse aufgetragen ist. Wie aus der graphischen Darstellung zu ersehen ist (Abschnitt OA, Kurve a), nimmt die Axialkraft P₁ auf dem Anfangsabschnitt von Null bis zu ihrem maximalen Wert P _max zu, dessen Größe in jeder Periode konstant bleibt, durch die thermophysikalischen Eigenschaften der Werkstoffe und deren geometrischen Abmessungen bestimmt wird und der Größe der Axialkraft beim Reibungsschweißen beim Angreifen einer gleichbleibenden Axialkraft etwa gleich ist, wonach sie bis zu einem Wert von P _min abnimmt, dessen Größe ausgehend davon gewählt wird, daß eine Entfernung der Oxidfilme aus der Zone der Schweißverbindung gewährleistet werden muß. Dieser Prozeß der Änderung der Axialkraft P₁ wird periodisch mit einer Festfrequenz f bis zu einem Zeitpunkt t₁ wiederholt, wo beim trägen Reibungsschweißen eine relative Drehbewegung der Schweißteile (die Geschwindigkeit n nimmt von ihrem maximalen Wert bis zu Null ab, Kurve b₁) aufhört, und beim herkömmlichen Reibungsschweißen werden die Schweißteile stillgesetzt (bis zum Drehmoment t₁ bleibt die Geschwindigkeit n konstant, und dann ist sie gleich Null, Gerade b₂).

Die Anzahl der Perioden der Änderung der Axialkraft P₁ wird experimentell für konkrete Werkstoffe der Schweißteile bestimmt.

Die Änderung der Axialkraft kann mittels eines beliebigen Antriebes der Axialkraft, der in Reibungsschweißmaschinen verwendet wird, d. h. mittels eines Hydro-, Druckluft- oder eines Elektromagnetantriebes verwirklicht werden.

Durch eine periodische Änderung der Axialkraft bei der Erwärmung mit der oben angegebenen Frequenz werden die Zonen der maximalen Wärmeentwicklung über die Reibungsfläche der Schweißteile bewegt, die Fließgrenze vermindert, die Oxid- und Fettfilme zerstört und ein feinkörniges und homogenes Gefüge der Schweißverbindung hergestellt. Dabei wird die Erwärmungszeit im Laufe des Reibungsprozesses verkürzt, weil der Ausgleich des Temperaturfeldes sowohl durch die Wärmeleitfähigkeit der Werkstoffe der Schweißteile, als auch durch die Bewegung der Zonen maximaler Wärmeentwicklung in der Zone der Schweißverbindung in der Richtung vom peripheren Bereich zum Zentrum und umgekehrt bedingt wird.

Bei einer Abweichung des Frequenzwertes von dem berechneten Wert um mehr als 15% wird die Wirksamkeit der periodischen Änderung der Axialkraft vermindert, weil dabei die Bewegungsgeschwindigkeit der Zone der maximalen Wärmeentwicklung der Frequenz der Änderung der Axialkraft nicht entspricht.

Nach dem Aufhören des Angreifens der Axialkraft P₁ an den Schweißteilen läßt man an diesen eine gleichbleibende Kraft P₂ beim Hämmern der Schweißnaht (Abschnitt BC, Kurve a) angreifen, die dem maximalen Wert P _max der Axialkraft bei der Erwärmung entsprechen oder diesen Wert übertreffen kann. Das Hämmern der Schweißnaht wird bis zum Zeitpunkt t₂ durchgeführt, der experimentell bestimmt wird.

Wird bei den Schweißteilen mindestens ein Schweißteil verwendet, dessen Stoßflächen mit einer Zunderschicht überzogen sind, mißt man im Laufe des Reibungsschweißprozesses mittels beliebiger bekannter Meßmethode das dabei entstehende Reibungsmoment M; der experimentell ermittelte Charakter der Änderung dieses Reibungsmomentes M wird in Fig. 2 (Kurve b) dargestellt, wo ebenfalls eine graphische Darstellung der Änderung der Axialkraft P₁ (Abschnitt OA, Kurve a) und der Kraft P₂ beim Hämmern der Schweißnaht (Abschnitt BC, Kurve a), die an der Ordinatenachse abgegriffen sind, in Abhängigkeit von der Zeit t, die an der Abszissenachse abgegriffen ist, wiedergegeben ist.

Wie aus dieser graphischen Darstellung (Kurve b) zu ersehen ist, nimmt das Reibungsmoment M zuerst stark zu, und dann nimmt es stufenlos ab und erreicht den eingestellten Wert (Zeit t₁). Bis zum Zeitpunkt t₁ läßt man an den Schweißteilen die sich periodisch ändernde Axialkraft P₁ mit einer Festfrequenz f, wie das oben beschrieben ist, angreifen, wodurch die Zunderschicht zerstört und aus der Zone der Schweißverbindung entfernt wird. Die weitere Erwärmung im Laufe des Reibungsschweißprozesses bis zum Zeitpunkt t₁, der, wie oben angegeben, bestimmt wird, wird bei einem konstanten Wert der Axialkraft P₁ durchgeführt, der dem maximalen Wert P _max gleich ist oder nahe an diesem liegt.

Dann läßt man an den Schweißteilen bis zum Zeitpunkt t₂ die Kraft P₂ des Hämmerns der Schweißnaht (Abschnitt BC, Kurve a) ähnlich, wie oben beschrieben, angreifen.

Zu einem besseren Verständnis der Erfindung werden nachstehend konkrete Durchführungsbeispiele angeführt.

Beispiel 1

Man führte ein herkömmliches Reibungsschweißen von Vanadin mit einem niedriggekohlten Stahl folgender Zusammensetzung (Gew.-%) durch: C - O, 25÷0,28, Beimengungen 1, Rest - Fe. Der Durchmesser der Schweißteile d=30 mm; der Elastizitätsmodul des Vanadins E=1,33 · 10⁵ MPa, der Elastizitätsmodul des Stahls E=2,0 · 10⁵ MPa.

In die Berechnungsformel zur Bestimmung der Frequenz f der Änderung der Axialkraft wurde der Elastizitätsmodul E₁ des Vanadins eingesetzt. Es wurde folgende Schweißführung angewandt: Drehfrequenz = 100 s^-1, Axialkraft P _max=100 kN, P _min=20 kN, Kraft beim Hämmern der Schweißnaht P₂=200 kN; Frequenz f=2 Hz. Bei der Durchführung von Zugversuchen wurde die Schweißverbindung beim Angreifen der Axialkraft mit einer Frequenz, die in einem Bereich von ±15% des berechneten Wertes lag, hinsichtlich des Vanadins zerstört. Schweißverbindungen, die bei Frequenzen der Änderung der Axialkraft hergestellt wurden, welche Frequenzen außerhalb des Bereiches von ±15%, z. B. F 2,3 Hz und F 1,7 Hz lagen, wurden bei Zugversuchen über die Schweißzone zerstört.

Beispiel 2

Man führte ein herkömmliches Reibungsschweißen der Schweißteile aus einem Konstruktionsstahl folgender Zusammensetzung (Gew.-%) durch: C - 0,4, Cr - 1, Rest - Fe von unterschiedlichen Durchmessern d₁ = 16 mm, d₂ = 50 mm; dabei waren die Stoßflächen der Schweißteile mit einer Zunderschicht überzogen. Der Elastizitätsmodul des Konstruktionsstahls betrug E = 2,0 · 10⁵ MPa. In die Berechnungsformel wurde die Größe des Durchmessers des kleineren Schweißteils d₁ = 16 mm eingesetzt. Es wurde folgende Schweißführung angewandt: Drehfrequenz - 100^-1 s, Axialkraft P _max = 25 kN. P _min = 15 kN, Kraft beim Hämmern der Schweißnaht P₂ = 40 kN, Frequenz der Änderung der Axialkraft F = 2,5 Hz. Bei einer Frequenz der Änderung der Axialkraft von f 2,1 Hz und f 2,8 Hz war es nicht möglich, eine Schweißverbindung von einer zufriedenstellenden Güte zu erhalten. Im Laufe des Reibungsschweißprozesses wurde das Reibungsmoment M gemessen, und bei einem eingeregelten Wert desselben wurde das Angreifen der sich ändernden Axialkraft eingestellt und diese wurde gleichbleibend auf 25 kN justiert.

Beispiel 3

Man führte ein träges Reibungssschweißen eines hitzebeständigen Stahls der Zusammensetzung (Gew.-%): C - 0,45, Cr - 14, Ni - 14, V - 2, Rest - Fe mit einem Konstruktionsstahl der Zusammensetzung (Gew.-%): C - 0,4, Cr - 1, Rest - Fe durch, wobei der Durchmesser der Schweißteile 16 mm betrug. Der Elastizitätsmodul des hitzebeständigen Stahls betrug E = 2,3 · 10⁵ MPa, der Elastizitätsmodul des Konstruktionsstahls - E = 2,0 · 10⁵ MPa. In die Berechnungsformel zur Bestimmung der Frequenz f der Änderung der Kraft wurde der Elastizitätsmodul E des Konstruktionsstahls eingesetzt. Es wurde folgende Schweißführung angewandt: Anfangsdrehfrequenz - 270 s^-1, Axialkraft: P _max = 20 kN, P _min = 13,5 kN, Kraft beim Hämmern der Schweißnaht P₂ = 35 kN, Frequenz der Änderung der Kraft f = 2,5 Hz.

Das vorliegende Verfahren ist durch eine Schweißzeit von t₂ = 4 s gekennzeichnet, während beim trägen Schweißen bei einem konstanten Wert der Axialkraft von P₁ = 20 kN die Schweißzeit t₂ = 5,1 s beträgt.

Claims

1. Verfahren zum Reibungsschweißen, welches darin besteht, daß man:

- Schweißteile aus Werkstoffen mit bestimmtem Elastizitätsmodul koaxial einspannt,
- diese in eine relative Drehbewegung setzt,
- an den Schweißteilen eine sich periodisch ändernde Axialkraft bei der Erwärmung im Laufe des Reibungsschweißprozesses angreifen läßt, und
- ein Hämmern der Schweißnaht vornimmt,

dadurch gekennzeichnet, daß man die sich periodisch ändernde Axialkraft bei der Erwärmung im Laufe des Reibungsschweißprozesses an den Schweißteilen mit einer Frequenz, die der Größe des kleineren Elastizitätsmoduls des Werkstoffes der Schweißteile und dem Durchmesser oder dem kleinsten von den Durchmessern der Schweißteile indirekt proportional ist, unter gleichzeitiger Änderung des Frequenzwertes in einem Bereich von ±15% angreifen läßt.

2. Verfahren zum Reibungsschweißen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man im Falle, daß mindestens eins der Schweißteile mit einer Zunderschicht überzogene Stoßflächen aufweist, bei der Erwärmung im Laufe des Reibungsschweißprozesses

- das dabei entstehende Reibungsmoment mißt,
- die Wirkung der sich mit einer Festfrequenz periodisch ändernden Axialkraft bei einem eingeregelten Wert des Reibungsmomentes einstellt,
- vor Beginn des Hämmerns der Schweißnaht an den Schweißteilen eine gleichbleibende Axialkraft angreifen läßt.