DE3638326C1

DE3638326C1 - Elektromagnetischer Kraftantrieb fuer eine Reibschweissmaschine

Info

Publication number: DE3638326C1
Application number: DE3638326A
Authority: DE
Inventors: Lebedev Vladimi Konstantinovic; Cernenko Ivan Alekseevic; Dyslenko Aleksandr Trofimovic; Litvin Leonid Vladimirovic; Tisura Vladimir Ivanovic
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: 1984-11-12
Filing date: 1986-11-10
Publication date: 1988-02-25
Also published as: FR2607043B1; US4715523A; GB2197998A; GB8627871D0; FR2607043A1; GB2197998B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Preßschweißausrüstung und betrifft insbesondere einen elektromagnetischen Kraftantrieb für eine Reibschweißmaschine.

Die vorliegende Erfindung kann im Maschinen-, Schneidwerkzeug- und Vorrichtungsbau und in der chemischen Industrie eingesetzt werden. Am effektivsten ist die Anwendung des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Kraftantriebs beim Reibschweißen von Werkstoffen mit stark abweichenden wärmephysikalischen Eigenschaften und beim Schweißen von Metallen mit Oxidschichten.

Zur Zeit besteht ein großes Interesse am Reibschweißen verschiedenartiger Werkstoffe mit stark abweichenden wärmephysikalischen Eigenschaften. Die Anwendung von eine Axialkraft mit einer stabilen Größe dieser Kraft bei einer Erhitzung im Schweißvorgang entwickelnden elektromagnetischen Kraftantrieben für diese Zwecke gestattet es nicht, eine einwandfreie Schweißverbindung wegen einer ungleichmäßigen Verteilung des Temperaturfeldes über den Querschnitt der Schweißstücke zu erhalten. Die Anwendung von eine betragsmäßig pulsierende Axialkraft erzeugenden elektromagnetischen Kraftantrieben gestattet es, das Temperaturfeld im Bereich der Schweißverbindung gleichmäßiger zu verteilen. Bei den verfügbaren elektromagnetischen Kraftantrieben wird aber keine Parameterregelung der pulsierenden Axialkraft in einem für die Schweißung der verschiedenartigen Werkstoffe erforderlichen Bereich erreicht.

Es ist ein eine Axialkraft entwickelnder elektromagnetischer Kraftantrieb (s. SU-Urheberschein 715 261) bekannt, der in einer Reibschweißmaschine verwendet wird und zwei Eisenkörper enthält, deren erster fest und zweiter axial verschiebbar und drehbar relativ zum ersten angeordnet ist, auf dem eine Starkstromspule befestigt ist, die durch einen betragsmäßig konstanten Strom gespeist wird.

Im beschriebenen elektromagnetischen Kraftantrieb wird die dem Magnetfluß proportionale pulsierende Axialkraft durch eine magnetische Wechselwirkung von Eisenkörpern entwickelt, die eine bestimmte geometrische Form von Stirnflächen aufweisen, die in Abhängigkeit von der Drehzahl des zweiten Eisenkörpers und der erforderlichen Pulsationsfrequenz in Form eines Polyeders, einer Ellipse u. ä. ausgeführt werden können. Derartige elektromagnetische Kraftantriebe gestatten es aber nicht, die Größe der pulsierenden Axialkraft in weiten Grenzen zu regeln.

Es ist auch ein elektromagnetischer Kraftantrieb für eine Reibschweißmaschine (SU-Urherberschein 9 48 584) bekannt, der zwei Eisenkörper enthält, deren erster fest und zweiter axial verschiebbar und drehbar relativ zum ersten Eisenkörper angeordnet ist, auf dem eine an den Ausgang eines Spannungsreglers angeschaltete Starkstromspule und mindestens eine Meßspule angebracht ist, die an den Eingang eines eine dem laufenden Wert des Magnetflusses im Reibschweißvorgang proportionale Spannung formierenden Integrators angeschaltet ist, dessen Ausgang an den Eingang einer Vergleichseinrichtung angeschlossen ist, deren Sollwerteinstelleingang eine dem Sollwert des Magnetflusses im Reibschweißvorgang proportionale Spannung zugeführt wird und deren Ausgang mit dem Steuereingang des Spannungsreglers elektrisch verbunden ist.

Auf dem ruhenden Eisenkörper mit drei konzentrisch liegenden Polen sind drei in Reihe geschaltete Meßspulen angeordnet, deren eine an der Außenfläche des im mittleren Teil des Eisenkörpers befindlichen Pols und deren zweite und dritte an der Innen- bzw- Außenfläche des den mittleren Pol umschließenden Pols angebracht sind.

Eine derartige Anordnung und Verbindung der Meßspulen gestattet es, eine genauere Messung der laufenden Werte der Magnetflüsse der Elektromagnetpole im Reibschweißvorgang vorzunehmen und bei einem Vergleich mit dem Sollwert des Magnetflusses ein Steuersignal zu erhalten, das am Spannungsregler eintrifft, wodurch sich die Größe der Axialkraft stabilisieren läßt, die von der Spaltweite zwischen den Eisenkörpern unabhängig wird.

Bei einem Reibschweißen von verschiedenartigen Werkstoffen, insbesondere von solchen mit stark abweichenden wärmephysikalischen Eigenschaften, gewährleistet aber die betragsmäßig stabile Axialkraft die Erhaltung einwandfreier Schweißverbindungen aufgrund einer ungleichmäßigen Verteilung des Temperaturfeldes über den Querschnitt der Schweißstücke nicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektromagnetantrieb für eine Reibschweißmaschine zu schaffen, bei der die konstruktive Ausführung der Vergleichseinrichtung und des Spannungsregler es ermöglicht, eine in einem weiten Bereich regelbare pulsierende Axialkraft im Reibschweißvorgang zu entwickeln, was es gestattet, die Güte von vorzugsweise aus verschiedenen Werkstoffen mit stark abweichenden wärmephysikalischen Eigenschaften hergestellten Schweißverbindungen zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im elektromagnetischen Kraftantrieb für eine Reibschweißmaschine, der zwei Eisenkörper enthält, deren erster fest und zweiter axial verschiebbar und drehbar relativ zum ersten Eisenkörper angeordnet ist, auf dem eine an den Ausgang eines Spannungsreglers angeschaltete Starkstromspule und mindestens eine Meßspule angebracht ist, die an den Eingang eines Integrators angeschlossen ist, der eine dem laufenden Wert des Magnetflusses im Reibschweißvorgang proportionale Spannung formiert und dessen Ausgang an einen Eingang einer Vergleichseinrichtung geführt ist, deren Sollwerteinstelleingang eine einem Sollwert des Magnetflusses im Reibschweißvorgang proportionale Spannung zugeführt wird und deren Ausgang mit dem Steuereingang des Spannungsreglers elektrisch verbunden ist, gemäß der Erfindung die Vergleichseinrichtung zwei Komparatoren, deren Eingänge zusammengeschaltet sind und als Eingang der Vergleichseinrichtung fungieren, bei der der Sollwerteinstelleingang des einen der Komparatoren als Sollwerteinstelleingang der Vergleichseinrichtung wirkt und dem Sollwerteinstelleingang des anderen Komparators eine dem anderen Sollwert des Magnetflusses im Reibschweißvorgang proportionale Spannung zugeführt wird, und einen eine Ausgangskennlinie in Form einer Hystereseschleife aufweisenden Steuersignalformer besitzt, dessen Eingang an die Ausgänge der Komparatoren angeschlossen ist und dessen Ausgang als Ausgang der Vergleichseinrichtung fungiert, wobei der Spannungsregler in Form eines durch Steuersignale vom Steuersignalformer umzuschaltenden Schalters ausgeführt ist.

Der erfindungsgemäße elektromagnetische Kraftantrieb für eine Reibschweißmaschine gestattet es, eine pulsierende Axialkraft zu entwickeln, deren Maximal- und Minimalwert sich in einem weiten Regelbereich - vom Null- bis zu einem Nennwert - regeln lassen, der durch die Abmessungen der Eisenkörper festgelegt wird, sowie den Maximal und Minimalwert der Axialkraft im Reibschweißvorgang bei einer relativen Verschiebung der Eisenkörper zu stabilisieren. Beim Anlegen einer derartigen Axialkraft an die Schweißstücke wird bei deren Erhitzung im Reibschweißvorgang eine gleichmäßigere Verteilung des Temperaturfeldes über den Querschnitt erreicht, was die Wärmeeinflußzone in Richtung von der Mitte einer Schweißverbindung zu deren Peripherie gleichmäßig macht. Auf solche Weise wird die Güte von Reibschweißverbindungen, insbesondere von solchen aus verschiedenartigen Werkstoffen mit stark abweichenden wärmephysikalischen Eigenschaften, beispielsweise aus Vanadium und Stahl, Molybdän und Wolfram, oder aus gleichartigen Werkstoffen mit einer Oxidschicht, erhöht.

Die Erfindung soll nachstehend anhand einer Ausführungsform mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 ein Strukturschaltbild eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Kraftantriebs für eine Reibschweißmaschine;

Fig. 2 eine Ausgangskennlinie einer erfindungsgemäßen Vergleichseinrichtung;

Fig. 3 einen Zeitverlauf des Magnetflusses in den Eisenkörpern eines erfindungsgemäßen Elektromagnetantriebs für eine Reibschweißmaschine.

Der elektromagnetische Kraftantrieb für eine Reibschweißmaschine enthält zwei Eisenkörper 1, 2 (Fig. 1), deren erster fest und zweiter axial verschiebbar und drehbar relativ zum Eisenkörper 1 angeordnet ist, auf dem eine an den Ausgang eines Spannungsreglers 4 angeschaltete Starkstromspule 3 und in der betrachteten Ausführungsform eine an den Eingang eines Integrators 6 angeschaltete Meßspule 5 angebracht sind. Die Anzahl der Meßspulen 5 kann in den anderen Ausführungsformen größer als Eins sein und richtet sich hauptsächlich nach der Konfiguration des Eisenkörpers 1. Der Integrator 6, dessen Zeitkonstante nach dem Kapazitätswert eines Kondensators 7 und dem Wert eines Widerstandes 8 bestimmt wird, die an einem Operationsverstärker 3 angeschlossen sind, formiert eine dem laufenden Wert des Magnetflusses im Reibschweißvorgang proportionale Spannung. Der Ausgang des Integrators 6 ist an einen Eingang 10 einer Vergleichseinrichtung 11 angeschlossen, deren Sollwerteinstelleingang 12 eine dem Sollwert des Magnetflusses im Reibschweißvorgang proportionale Spannung zugeführt wird. Die Vergleichseinrichtung 11 weist zwei Komparatoren 13, 14 auf, deren Vergleichseingänge zusammengeschaltet sind und als Eingang 10 der Vergleichseinrichtung 11 wirken. Der Sollwerteinstelleingang des Komparators 13 tritt als Sollwerteinstelleingang 12 der Vergleichseinrichtung 11 auf, während dem Sollwerteinstelleingang des anderen Komparators 14, der als anderer Sollwerteinstelleingang 15 der Vergleichseinrichtung 11 fungiert, eine einem anderen Sollwert des Magnetflusses im Reibschweißvorgang proportionale Spannung zugeleitet wird. Die Vergleichseinrichtung 11 weist einen Steuersignalformer 16 auf, der in der betrachteten Ausführungsform bei der Einführung eines in Schaltung eines summierenden Schmitt-Triggers aufgebauten Operationsverstärkers 17 eine als Hystereseschleife geformte Ausgangskennlinie hat. Zum Steuersignalformer 16 gehört ein Rückführungswiderstand 18, dessen Nennwert den Nennwerten von Widerständen 19 und 20 gleich ist, die die Ausgänge der Komparatoren 13, 14 mit einem Eingang des Operationsverstärkers 17 verbinden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 17 tritt als Ausgang des Steuersignalformers 16 auf, der seinerseits als Ausgang der mit dem Steuereingang des Spannungsreglers 4 über einen Leistungsverstärker 21 verbundenen Vergleichseinrichtung 11 fungiert.

Der Steuersignalformer 16 kann auch beispielsweise in Schaltung eines (RS-)Flip-Flops mit Setzeingängen aufgebaut werden.

Der Spannungsregler 4 ist in Form eines Schalters ausgeführt, der in der beschriebenen Ausführungsform eine halbgesteuerte Gleichrichterbrücke darstellt, die gesteuerte Gleichrichter 22, 23 und ungesteuerte Gleichrichter 24, 25 enthält und durch einen Gleichrichter 26 geshuntet ist. Der Schalter kann beispielsweise als Schalttransistor oder als ein anderes Schaltelement aufgebaut sein. Der Spannungsregler 4 wird durch Steuersignale vom Steuersignalformer 16 umgeschaltet.

Die Fig. 2, 3 erläutern die Arbeitsweise des Elektromagnetantriebs für eine Reibschweißmaschine, wobei in Fig. 2 eine Ausgangskennlinie der Vergleichseinrichtung 11 dargestellt ist, auf der in Richtung der Abszissenachse ein laufender Wert der Ausgangsspannung U _Φ des Integrators 6, der dem laufenden Wert des Magnetflusses Φ in den Eisenkörpern 1, 2 im Reibschweißvorgang proportional ist, und in Richtung der Ordinatenachse ein logisches Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung 11 aufgetragen sind. Fig. 3 zeigt ein Zeitdiagramm eines laufenden Wertes des Magnetflusses Φ in den Eisenkörpern 1, 2 (Fig. 1), der auf der Ordinatenachse in Abhängigkeit von der auf der Abszissenachse aufgetragenen Zeit t aufgetragen ist.

Der erfindungsgemäße elektromagnetische Kraftantrieb für eine Reibschweißmaschine arbeitet wie folgt.

Vor der Einschaltung des elektromagnetischen Kraftantriebs werden an die Sollwerteinstelleingänge 12, 15 (Fig. 1) der Vergleichseinrichtung 11 im voraus Spannungen U₁ und U₂ (Fig. 2) angelegt, die in der betrachteten Ausführungsform den Sollwerten eines maximalen und minimalen Magnetflusses Φ₁ bzw. Φ₂ (Fig. 3) im Reibschweißvorgang proportional sind. Hierbei ist die Spannung am Eingang 10 (Fig. 1) der Vergleichseinrichtung 11 gleich Null, und die einer "logischen 0" entsprechenden Ausgangsspannungen der Komparatoren 13, 14 gelangen über die Widerstände 19 und 20 auf einen Eingang des Operationsverstärkers 17 mit dem Rückführungswiderstand 18. Dank dem Vorhandensein des eine Ausgangskennlinie in Form einer Hystereseschleife aufweisenden Steuersignalformers 16 in der Vergleichseinrichtung 11 nimmt also deren Ausgangsspannung vor der Einschaltung des elektromagnetischen Kraftantriebs einen Wert "logische 1" an. Bei der Einspeisung des elektromagnetischen Kraftantriebs gelangt solch ein Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung 11 (Fig. 1) über den Leistungsverstärker 21 auf den Steuereingang des Spannungsreglers 4 und öffnet die gesteuerten Gleichrichter 22, 23. Die durch die halbgesteuerte Gleichrichterbrücke des Spannungsreglers 4 gleichgerichtete Speisespannung U wird auf die Starkstromspule 3 gegeben, in der ein Übergangsvorgang eines Stromanstiegs und also auch das einer Verstärkung des Magnetflusses Φ in den Blechpaketen 1 und 2 stattfindet. Hierbei wird in der Meßspule 5 eine der Änderung des Magnetflusses Φ proportionale elektromotorische Kraft e induziert, die aus der Beziehung

ermittelt wird, worin w die Windungszahl der Meßspule 5 bedeutet.

Das elektrische Signal von der Meßspule 5 trifft am Eingang des Integrators 6 ein, dessen Ausgangsspannung, die aus der Beziehung

ermittelt wird, worin R der Wert des Widerstandes 8 und C die Kapazität des Kondensators 7 ist, auf den Eingang 10 der Vergleichseinrichtung 11 gegeben wird. Sobald die Ausgangsspannung U _Φ des Integrators 6 den Wert U₂ der Steuerspannung am Sollwerteinstelleingang 15 des Komparators 14 erreicht hat, nimmt sein Ausgangssignal einen Wert "logische 1" an. Das Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung 11 (Punkt A in Fig. 2) ändert aber seinen Wert nicht, und im elektromagnetischen Kraftantrieb wird der Vorgang der Verstärkung des Magnetflusses Φ (Abschnitt AB, Fig. 3) fortgesetzt. Sobald die Ausgangsspannung U _Φ des Integrators 6 den zum Sollwert Φ₁ (Fig. 3) des Magnetflusses proportionalen Wert U₁ (Fig. 2, Punkt B) der Steuerspannung erreicht hat, nimmt das Ausgangssignal des Komparators 13 einen Wert "logische 1" an und gelangt auf einen Eingang des Steuersginalformers 16, was an dessen Ausgang ein Signal "logische 0" erscheinen und die gesteuerten Gleichrichter 22, 23 des Spannungsreglers 4 sperren läßt. Hierbei setzt ein Übergangsvorgang eines Stromabfalls in der Starkstromspule 3 über den Nebenschlußgleichrichter 26 des Spannungsreglers 4 ein, was eine Verringerung des Betrages Φ des Magnetflusses in den Eisenkörpern 1, 2 herbeiführt und einem Abschnitt BC im Zeitverlauf (Fig. 3) entspricht.

Sobald der Betrag des Magnetflusses in den Eisenkörpern 1, 2 auf einen Minimalwert (Punkt C, Fig. 3) abgesunken ist, fällt die Ausgangsspannung des Integrators 6 auf den Wert U₂ (Punkt C, Fig. 2) der Steuerspannung am Sollwerteinstelleingang 15 des Schalters 14 ab. Die Vergleichseinrichtung 11 schaltet in einen Zustand um, der analog dem oben beschriebenen Zustand vor der Einschaltung des elektromagnetischen Kraftantriebs ist: deren Ausganssignal nimmt wieder einen Wert "logische 1" an und öffnet die gesteuerten Gleichrichter 22, 23 des Spannungsreglers 4. Es erfolgt ein Anwachsen des Stroms in der Starkstromspule 3 und also auch des Magnetflusses in den Eisenkörpern 1, 2 auf einen Wert, der durch die Steuerspannung U₁ am Sollwerteinstelleingang 12 des Komparators 13 in der Vergleichseinrichtung 11 gegeben ist.

Dank der Ausführung der Vergleichseinrichtung 11 mit zwei Sollwerteinstelleingängen 12, 15 und des Steuersignalformers 16 mit der Ausgangskennlinie in Form einer Hystereseschleife sowie der Ausführung des Spannungsreglers 4 in Form eines Schalters wiederholt sich der Vorgang der Änderung des Magnetflusses in den Eisenkörpern 1, 2 zyklisch.

Hierbei entspricht der Art der Änderung des Magnetflusses Φ in den Eisenkörpern 1, 2 auch die Art der Änderung der im Spalt zwischen den Eisenkörpern 1, 2 im Reibschweißvorgang erzeugten Axialkraft F, was aus der Beziehung

ermittelt wird, worin S die Polfläche der Eisenkörper 1,2 und µ₀ die absolute Permeabilität ist.

Die Größe der Axialkraft F wird also im Reibschweißvorgang durch den laufenden Wert des Magnetflusses Φ in den Eisenkörpern 1, 2 bestimmt und hängt von der Spaltweite zwischen ihnen nicht ab, während sich der Minimal- und Maximalwert der pulsierenden Axialkraft durch Regelung der Steuerspannung U₁, U₂ an den Sollwerteinstelleingängen 12, 15 der Vergleichseinrichtung 11 in weiten Grenzen - von Null bis zu einem dem Nennwert der durch den elektromagnetischen Kraftantrieb entwickelten Axialkraft entsprechenden Wert - regeln lassen.

Die Anwendung der pulsierenden Axialkraft bei einer Erhitzung von aus verschiedenartigen Werkstoffen mit stark abweichenden wärmephysikalischen Eigenschaften hergestellten Schweißstücken im Reibschweißvorgang führt zu periodischen Verschiebungen der Zone der maximalen Wärmeentwicklung in Richtung von der Mitte zur Peripherie und umgekehrt, weshalb das Temperaturfeld ausgeglichen und der Stoß gleichmäßiger erwärmt, die Oxidschichten zerstört und eine feinkörnige homogene Struktur der Verbindungszone geschaffen werden, was die Güte einer Schweißverbindung verbessert.

Claims

Elektromagnetischer Kraftantrieb für eine Reibschweißmaschine, der
- - einen ersten fest angeordneten Eisenkörper (1),
- - einen zweiten axial verschiebbar und drebar relativ zu ersten Eisenkörper (1) angeordneten Eisenkörper (2),
- - eine auf dem ersten Eisenkörper (1) angeordnete Starkstromspule (1),
- - einen Spannungsregler (4), dessen Ausgang an die Starkstromspule (3) angeschlossen ist,
- - mindestens eine auf dem ersten Eisenkörper (1) angeordnete Meßspule
- - einen Integrator (6) dessen Eingang an jede Meßspule (5) angeschlossen ist und der eine dem laufenden Wert des Magnetflusses im Reibschweißvorgang proportionale Spannung formiert,
- - eine Vergleichseinrichtung (11) enthält, deren Eingang (10) an den Ausgang des Integrators (6) angelegt ist, an deren Sollwerteingang (12) eine einem Sollwert des Magnetflusses proportionale Spannung zugeführt wird und deren Ausgang mit dem Steuereingang des Spannungsreglers (4) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet daß die Vergleichseinrichtung (11)
- - zwei Komparatoren (13, 14), deren Eingänge zusammengeschaltet sind und als Eingang (10) der Vergleichseinrichtung (11) wirken, bei der der Sollwerteinstelleingang des einen der Komparatoren (13) als Sollwerteinstelleingang (12) über Vergleichseinrichtung (11) auftritt und dem Sollwerteinstelleingang des anderen Komparators (14) eine einem anderen Sollwert des Magnetflusses im Reibschweißvorgang proportionale Spannung zugeführt wird, und
- - einen eine Ausgangskennlinie in Form einer Hystereseschleife aufweisenden Steuersignalformer (16) besitzt, dessen Eingang an die Ausgänge der Komparatoren (13, 14) angeschlossen ist und dessen Ausgang als Ausgang der Vergleichseinrichtung (11) fungiert, wobei der Spannungsregler (4) in Form eines durch Steuersignale vom Steuersignalformer (16) umzuschaltenden Schalters ausgeführt ist.