DE4225435A1

DE4225435A1 - Appts. for friction welding two components having different cross-sectional contours - with an annular support surrounding (with an initial clearance) the tubular component

Info

Publication number: DE4225435A1
Application number: DE19924225435
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dipl Ing Gruenauer; Rainer Dipl Ing Simanowski
Original assignee: KUKA Schweissanlagen und Roboter GmbH
Current assignee: KUKA Systems GmbH
Priority date: 1992-07-31
Filing date: 1992-07-31
Publication date: 1994-02-10

Abstract

Two components, with one of them shaped as a tube (2), are joined by friction welding. The other component (3) in the form of a rotating drive mandrel is pressed into the tube (2), radially deforming its wall and increasing the contact area (10). The appts. includes an annular support (8) surrounding - with a lateral gap - the tubular component (2) at least over a certain region. USE/ADVANTAGE - For friction welding of components. Joints with improved strength characteristics are obtd.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Oberbegriff des Verfahrens- und Vorrichtungshauptanspruchs.The invention relates to a method and a device with the features in the preamble of the process and Device main claim.

In der Praxis ist es bekannt, zwei Werkstücke mit unterschiedlichen Querschnittskonturen, z. B. ein Rechteckrohr und einen massiven Zylinder stumpf reibzuschweißen. Die Festigkeit dieser Reibschweißverbindung ist für manche Anwendungsfälle nicht ausreichend, da die Flächenüberdeckung zwischen den Rohrwänden und dem Zylinder relativ gering ist.In practice it is known to use two workpieces different cross-sectional contours, e.g. B. a Rectangular tube and a solid cylinder blunt friction welding. The firmness of this Friction welding is not for some applications sufficient because the area coverage between the Pipe walls and the cylinder is relatively low.

Es ist aus der Praxis ferner noch bekannt, zylindrische Bolzen in kreisrunde Öffnungen reibzuschweißen. Hierbei sind die Querschnittskonturen der beiden Teile allerdings gleich, so daß keine Probleme mit der Flächenüberdeckung und der Belastbarkeit der Reibschweißverbindung auftreten.It is also known from practice to be cylindrical Friction welding studs into circular openings. Here are the cross-sectional contours of the two parts, however same, so that no problems with the area coverage and the resilience of the friction weld connection occur.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zur Erzielung höher belastbarer Reibschweißverbindungen zwischen einem Rohrteil und einem anderen Werkstück mit abweichenden Querschnittskonturen aufzuzeigen.It is an object of the present invention, one way to achieve more robust friction welded connections between a pipe part and another workpiece to show deviating cross-sectional contours.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Verfahrens- und Vorrichtungshauptanspruch.The invention solves this problem with the features in Process and device main claim.

Mit der Erfindung wird vorgeschlagen, die beiden Werkstücke ineinander greifend reibzuschweißen, wobei das Rohrteil plastisch verformt wird. Hierdurch werden die Unterschiede in den Querschnittskonturen weitgehend ausgeglichen. Durch diese Verformung des Rohrteiles wird die Kontakt- und Schweißfläche zwischen den beiden Werkstücken erheblich vergrößert. Zur Erhöhung der Flächenüberdeckung trägt auch das Ineinandergreifen der beiden Werkstücke bei. Insgesamt ergibt sich dadurch eine deutlich gesteigerte Belastbarkeit der Reibschweißverbindung.The invention proposes the two workpieces interlocking friction weld, the pipe part is plastically deformed. This will make the differences largely balanced in the cross-sectional contours. By this deformation of the pipe part becomes the contact and Welding area between the two workpieces considerably enlarged. Also contributes to increasing the area coverage the interlocking of the two workpieces. All in all this results in a significantly increased resilience the friction welded joint.

Es empfiehlt sich, die radiale Verformung des Rohrteiles durch eine umgebende Fassung zu begrenzen. Einerseits wird hierdurch die Eintauchtiefe des Treibdornes beschränkt. Andererseits wird durch die Fassung eine radiale Stützkraft gegen den Stauchhub am Ende des Plastifizierungsvorganges beim Reibschweißen erzielt.We recommend the radial deformation of the pipe part to be limited by a surrounding version. On the one hand this limits the immersion depth of the drifting mandrel. On the other hand, the socket creates a radial support force against the upsetting stroke at the end of the plasticizing process achieved in friction welding.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich unterschiedlichste Querschnittskonturen reibschweißen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel besitzt der Treibdorn eine im wesentlichen rotationssymmetrische Kontur, die beispielsweise kreisrund oder als gleichmäßiges Vieleck ausgebildet sein kann. Der Treibdorn kann massiv oder rohrförmig sein. Das Rohrteil hat vorzugsweise eine mehreckige Innenkontur. Beispielsweise lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung Rundrohre und Rechteckrohre reibschweißen. Mit der Erfindung bietet sich eine breite Variationspalette für die Querschnittskonturen, die auch Querschnittskombinationen umfaßt, die bislang überhaupt nicht reibgeschweißt werden konnten.With the method according to the invention Friction welding of various cross-sectional contours. in the preferred embodiment, the mandrel has a essentially rotationally symmetrical contour, the for example circular or as an even polygon can be trained. The drifting mandrel can be massive or be tubular. The tubular part preferably has one polygonal inner contour. For example, with the inventive method and the associated device Friction welding round tubes and rectangular tubes. With the Invention offers a wide range of variations for the Cross-sectional contours, which are also cross-sectional combinations includes that have not been friction welded at all could.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.Advantageous refinements are in the subclaims specified the invention.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Im einzelnen zeigen:The invention is in the drawings for example and shown schematically. In detail show:

Fig. 1-3 in geschnittener Seitenansicht- und Draufsicht den Reibschweißvorgang in drei Schritten, Fig. 1-3 in a sectional plan view of the friction welding Seitenansicht- and in three steps,

Fig. 4 eine Querschnittsvariante in Draufsicht und Fig. 4 is a cross-sectional variant in plan view and

Fig. 5 eine Reibschweißvorrichtung in schematischer Seitenansicht. Fig. 5 shows a friction welding device in a schematic side view.

Fig. 1-3 zeigen in drei Schritten oder Zwischenstellungen das Reibschweißen eines zylindrischen Werkstücks (3) und eines rohrförmigen Werkstücks (2). Die obere Hälfte der Figuren gibt jeweils den mittigen Längsschnitt und die untere Hälfte den zugehörigen Querschnitt an der oben eingezeichneten Schnittlinie an. Figs. 1-3 show in three steps or intermediate positions of the friction welding of a cylindrical workpiece (3) and a tubular workpiece (2). The upper half of the figures shows the central longitudinal section and the lower half the associated cross section on the cutting line drawn above.

Das Rohrteil (2) ist in diesem Ausführungsbeispiel als im Querschnitt quadratisches Rohr ausgebildet. Das andere Werkstück (3) ist als Treibdorn ausgebildet, der einen zylindrischen Querschnitt mit einer konischen Spitze aufweist. Der Treibdorn (3) ist im gezeigten Ausführungsbeispiel massiv ausgebildet, kann in Variation dazu aber auch ein Rohr sein.The tube part ( 2 ) is designed in this embodiment as a square tube in cross section. The other workpiece ( 3 ) is designed as a driving mandrel, which has a cylindrical cross section with a conical tip. The driving mandrel ( 3 ) is solid in the exemplary embodiment shown, but in variation can also be a tube.

Das Rohrteil ist von einer vorzugsweise ringförmigen Fassung (8) umgeben, die mit dem Rohrende (13) bündig abschließt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Fassung (8) kreisrund und liegt mit ihrer Innenwand lose oder mit einem leichten Preßsitz an den Ecken bzw. Eckkanten (5) des Rohrteiles (2) außenseitig an. Die Fassung (8) kann alternativ auch einen kleinen Abstand, etwa im Millimeterbereich, von den Eckkanten (5) haben.The pipe part is surrounded by a preferably annular socket ( 8 ) which is flush with the pipe end ( 13 ). In the embodiment shown, the socket ( 8 ) is circular and lies with its inner wall loose or with a slight press fit on the corners or corner edges ( 5 ) of the tubular part ( 2 ) on the outside. The socket ( 8 ) can alternatively have a small distance, approximately in the millimeter range, from the corner edges ( 5 ).

Wie Fig. 1 verdeutlicht, besteht zwischen den geraden Wandabschnitten (6) des Rohrteiles (2) und der umgebenen Fassung (8) ein Freiraum (12). Die Größe des Freiraumes (12) hängt von der Größe der Bauteile ab. Durch entsprechende Gestaltung der Fassung (8) oder auch des Rohrteiles (2) kann der Freiraum (12) in Größe und Form verändert werden.As illustrated in FIG. 1, there is a free space ( 12 ) between the straight wall sections ( 6 ) of the tube part ( 2 ) and the surrounding frame ( 8 ). The size of the free space ( 12 ) depends on the size of the components. The size and shape of the free space ( 12 ) can be changed by appropriately designing the socket ( 8 ) or the tube part ( 2 ).

Zum Reibschweißen wird der Treibdorn (3) mit seiner konischen Spitze in das Rohrteil (2) eingeführt. Der Außendurchmesser des Treibdorns (3) ist größer als die lichte Innenbreite des rechteckigen Rohrteils (2). Vorzugsweise ist der Außendurchmesser des Treibdorns (3) auch größer als die äußere Breite des Rohrteils (2).For friction welding, the driving mandrel ( 3 ) is inserted into the tubular part ( 2 ) with its conical tip. The outside diameter of the driving mandrel ( 3 ) is larger than the inside width of the rectangular tube part ( 2 ). The outer diameter of the driving mandrel ( 3 ) is preferably also larger than the outer width of the tubular part ( 2 ).

Der Treibdorn (3) liegt mit seiner Anschrägung (4) im wesentlichen punktförmigen und damit kleinen Kontaktflächen (10) an den geraden Innenwandabschnitten (6) des Rohrteiles (2) an. Die beiden Werkstücke (2, 3) werden unter axialem Druck um die gemeinsame zentrale Drehachse (11) in Drehung zueinander versetzt. Vorzugsweise wird der Treibdorn (3) gegenüber dem festgehaltenen Rohrteil (2) gedreht und auch axial entlang der Drehachse (11) zugestellt. Die kinematische Zuordnung kann aber auch umgekehrt sein.With its bevel ( 4 ), the driving mandrel ( 3 ) lies essentially in the form of punctiform and thus small contact surfaces ( 10 ) on the straight inner wall sections ( 6 ) of the tubular part ( 2 ). The two workpieces ( 2 , 3 ) are set in rotation relative to one another under axial pressure around the common central axis of rotation ( 11 ). The driving mandrel ( 3 ) is preferably rotated with respect to the fixed pipe part ( 2 ) and also fed axially along the axis of rotation ( 11 ). The kinematic assignment can also be reversed.

Durch die Reibwärme wird das Rohrteil an den Kontaktflächen (10) zunehmend erwärmt und plastifiziert. Durch den axialen Druck und die Anschrägung (4) werden die geraden Wandabschnitte (6) verformt und wölben sich wie in Fig. 2 gezeigt langsam radial nach außen. Durch diese Verformung (7) werden die Kontaktflächen (10) zwischen den Werkstücken (2, 3) vergrößert, wodurch die Plastifizierung und die Verformung (7) erhöht werden. The tubular part is increasingly heated and plasticized at the contact surfaces ( 10 ) by the frictional heat. The straight wall sections ( 6 ) are deformed by the axial pressure and the bevel ( 4 ) and, as shown in FIG. 2, slowly curve radially outwards. This deformation ( 7 ) increases the contact areas ( 10 ) between the workpieces ( 2 , 3 ), which increases the plasticization and the deformation ( 7 ).

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ergibt sich an den geraden Wandabschnitten (6) eine trichterförmige Verformung (7), die der Neigung der Anschrägung (4) entspricht. Hierdurch werden zusätzlich die Kontaktflächen (10) vergrößert.As can be seen from Fig. 2, there is a funnel-shaped deformation ( 7 ) on the straight wall sections ( 6 ), which corresponds to the inclination of the bevel ( 4 ). As a result, the contact areas ( 10 ) are additionally enlarged.

Die Fassung (8) kann eine Stützfunktion für das Rohrteil (2) erfüllen. Sie verhindert, daß die Ecken oder Eckkanten des Rohrteils (2) radial zur Achse (11) nach außen ausweichen können. Die Verformungen (7) der geraden Wandabschnitte (6) erstrecken sich beim weiteren Vorschub des Treibdorns (3) zunehmend in die Freiräume (12). Die eckige Querschnittskontur, insbesondere Innenkontur des Rohrteils (2) wird dadurch immer runder und gleicht sich der Außenkontur des Treibdorns (3) an. Die innenliegenden Eckkanten (5) nähern sich dabei zunehmend dem Treibdorn (3) bzw. seiner Anschrägung (4).The socket ( 8 ) can fulfill a supporting function for the tubular part ( 2 ). It prevents that the corners or corner edges of the tubular part ( 2 ) can move radially to the axis ( 11 ) outwards. The deformations ( 7 ) of the straight wall sections ( 6 ) increasingly extend into the free spaces ( 12 ) when the driving mandrel ( 3 ) is advanced. As a result, the angular cross-sectional contour, in particular the inner contour of the tubular part ( 2 ), becomes more and more rounded and adjusts to the outer contour of the driving mandrel ( 3 ). The inner corner edges ( 5 ) are increasingly approaching the driving pin ( 3 ) or its bevel ( 4 ).

Fig. 3 zeigt das Endstadium, bei der der Endbereich des Rohrteiles (2) zur Gestalt eines Kegelmantels verformt ist und im Bereich der Verformung (7) mit einer großen umlaufenden Kontaktfläche (10) an der Anschrägung (4) anliegt. In diesem Verformungsstadium erfolgt der Stauchhub, mit dem die plastifizierten Kontaktbereiche der Werkstücke (2, 3) verbunden und verschweißt werden. Fig. 3 shows the final stage, in which the end region of the tube part ( 2 ) is deformed to the shape of a conical shell and in the region of the deformation ( 7 ) with a large circumferential contact surface ( 10 ) bears against the bevel ( 4 ). In this stage of deformation, the upsetting stroke takes place, with which the plasticized contact areas of the workpieces ( 2 , 3 ) are connected and welded.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Fassung (8) als zylindrischer Ring gestaltet. Bei dem gezeigten Verformungsgrad preßt sich das Rohrteil (2) zumindest mit seinem oberen Ende ringförmig umlaufend an die Fassung (8) an. Die Fassung (8) kann alternativ auch konisch ausgebildet sein und damit von außen her die Verformung (7) des Rohrteils (2) beeinflussen. In the embodiment shown, the socket ( 8 ) is designed as a cylindrical ring. In the case of the degree of deformation shown, the tubular part ( 2 ) presses at least with its upper end in a ring circumferentially against the holder ( 8 ). The socket ( 8 ) can alternatively also be conical and thus influence the deformation ( 7 ) of the tubular part ( 2 ) from the outside.

Die Fassung (8) kann als verlorenes Bauteil auf den reibgeschweißten Werkstücken (2, 3) verbleiben.The socket ( 8 ) can remain as a lost component on the friction-welded workpieces ( 2 , 3 ).

In der bevorzugten Ausführungsform ist die Fassung (8) jedoch mehrteilig ausgebildet und kann maschinell in der Reibschweißvorrichtung (1) geöffnet und damit nach Beendigung des Reibschweißvorganges von den Werkstücken (2, 3) wieder gelöst werden. Wie Fig. 5 verdeutlicht, sind die beiden Werkstücke (2, 3) in Spanneinrichtungen (9) der Reibschweißvorrichtung (1) gehalten. Die Fassung (8) kann dabei an der Spanneinrichtung (9) für das Rohrteil (2) befestigt sein. Sie wird dann mit der Spanneinrichtung (9) geöffnet und geschlossen. Die Fassung (8) kann aber auch in beliebiger anderer Weise angeordnet und betätigt werden, beispielsweise in Form eines Ringgreifers etc.In the preferred embodiment, however, the holder ( 8 ) is constructed in several parts and can be opened mechanically in the friction welding device ( 1 ) and thus released from the workpieces ( 2 , 3 ) after the friction welding process has ended. As illustrated in FIG. 5, the two workpieces ( 2 , 3 ) are held in clamping devices ( 9 ) of the friction welding device ( 1 ). The socket ( 8 ) can be attached to the clamping device ( 9 ) for the tubular part ( 2 ). It is then opened and closed with the tensioning device ( 9 ). The holder ( 8 ) can also be arranged and actuated in any other way, for example in the form of a ring gripper etc.

Fig. 4 zeigt eine Variante der Werkstückpaarung. Der Treibdorn (3) ist in diesem Ausführungsbeispiel als zylindrisches Rohr ausgebildet. Das Rohrteil (2) besitzt in der Ausgangslage einen rechteckigen Querschnitt. Das Rechteckrohr ist schmäler als der Treibdorn (3), andererseits aber deutlich breiter als dieser. Dementsprechend ergibt sich nur eine teilweise Verformung (7), die die Form von zwei Bogensegmenten hat. Eine Schweißverbindung findet dementsprechend nur über einem Teil des Treibdornumfanges statt. Fig. 4 shows a variant of the workpiece pairing. In this exemplary embodiment, the driving mandrel ( 3 ) is designed as a cylindrical tube. The tubular part ( 2 ) has a rectangular cross section in the starting position. The rectangular tube is narrower than the drift mandrel ( 3 ), but on the other hand significantly wider than this. Accordingly, there is only a partial deformation ( 7 ), which has the shape of two arc segments. Accordingly, a welded joint only takes place over part of the circumference of the drifting mandrel.

Eine ähnliche, teilweise Verformung kann auch beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel der Fig. 1-3 stattfinden, wenn die Werkstückabmessungen entsprechend variieren und/oder die Eintauchtiefe des Treibdorns (3) im Rohrteil (2) begrenzt ist. Beispielsweise kann eine Reibschweißverbindung auch in einer Stellung entsprechend Fig. 2 stattfinden. A similar, partial deformation can also take place in the above-described exemplary embodiment in FIGS . 1-3 if the workpiece dimensions vary accordingly and / or the immersion depth of the driving mandrel ( 3 ) in the tube part ( 2 ) is limited. For example, a friction welding connection can also take place in a position according to FIG. 2.

Abweichungen der gezeigten Querschnittsformen sind in vielerlei Hinsicht möglich. Zum einen kann das Rohrteil (2) eine Dreiecksform haben. Es kann aber auch fünf oder mehr Ecken (5) aufweisen. Es muß auch keine gleichmäßige Querschnittskontur haben. Beispielsweise kann das Werkstück (2) auch als Ovalrohr ausgebildet sein.Deviations from the cross-sectional shapes shown are possible in many ways. On the one hand, the tubular part ( 2 ) can have a triangular shape. However, it can also have five or more corners ( 5 ). It also does not have to have a uniform cross-sectional contour. For example, the workpiece ( 2 ) can also be designed as an oval tube.

In der bevorzugten Ausführungsform ist der Treibdorn (3) genau axial-symmetrisch, d. h. er hat eine kreisrunde Kontur. Alternativ kann er aber auch der Kreisform angenäherte, vorzugsweise gleichmäßige Mehreckkontur besitzen. In gewissen Grenzen kann der Treibdorn (3) auch oval sein. Durch die Reibwärme wird auch der Treibdorn (3) plastifiziert und kann seine Außenkontur zur einer stärkeren Rotationssymmetrie hin verändern.In the preferred embodiment, the driving mandrel ( 3 ) is exactly axially symmetrical, ie it has a circular contour. Alternatively, however, it can also have a polygonal contour approximating the circular shape, preferably uniform. The driving pin ( 3 ) can also be oval within certain limits. Due to the heat of friction, the driving mandrel ( 3 ) is also plasticized and can change its outer contour towards a stronger rotational symmetry.

Wie Fig. 4 verdeutlicht, gleicht sich die Fassung (8) in Ihrer Form der gewählten Konturenpaarung der Werkstücke (2, 3) an. Sie ist an die gewünschte Verformung (7) angepaßt. In Fig. 4 besteht die Fassung (8) beispielsweise aus zwei Kreisschalenabschnitten, die von außen über eine geeignete Zustellvorrichtung an die Breitseite des Rohrteils 2 angepreßt sind.As illustrated in FIG. 4, the frame ( 8 ) is similar in shape to the selected contour pairing of the workpieces ( 2 , 3 ). It is adapted to the desired deformation ( 7 ). In Fig. 4, the socket ( 8 ) consists, for example, of two circular shell sections which are pressed from the outside onto the broad side of the tubular part 2 via a suitable feed device.

BezugszeichenlisteReference list

1 Reibschweißvorrichtung
2 erstes Werkstück, Rohrteil
3 zweites Werkstück, Treibdorn
4 Anschrägung
5 Ecke
6 Wandung, gerader Wandabschnitt
7 Verformung
8 Fassung
9 Spanneinrichtung
10 Kontaktfläche, Schweißfläche
11 Drehachse
12 Freiraum
13 Rohrende 1 friction welding device
2 first workpiece, pipe part
3 second workpiece, drift mandrel
4 chamfer
5 corner
6 wall, straight wall section
7 deformation
8 version
9 tensioning device
10 contact surface, welding surface
11 axis of rotation
12 free space
13 pipe end

Claims

1. A method for friction welding two workpieces with different cross-sectional contours, one of which is designed as a tubular part, characterized in that the other workpiece designed as a driving mandrel ( 3 ) is pressed with relative rotation into the tubular part ( 2 ), the driving mandrel ( 3 ) the wall of the tubular part ( 2 ) is radially deformed and adjusts to its outer contour while increasing the contact area ( 10 ).

2. The method according to claim 1, characterized in that the tubular part ( 2 ) is deformed against an outside surrounding socket ( 8 ).

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a driving mandrel ( 3 ) with a substantially rotationally symmetrical contour is friction welded with a tubular part ( 2 ) which has a polygonal cross-sectional shape.

4. The method according to claim 3, characterized in that the driving mandrel ( 3 ) is tubular.

5. The method according to claim 1 or one of the following, characterized in that the driving mandrel ( 3 ) with a bevel ( 4 ) is pressed against the tubular part ( 2 ).

6. The method according to claim 1 or one of the following, characterized in that the socket ( 8 ) surrounds the tubular part ( 2 ) in an annular shape and abuts the corners ( 5 ) of the tubular part ( 2 ).

7. The method according to claim 1 or one of the following, characterized in that the socket ( 8 ) is essentially adapted to the contour of the driving mandrel ( 3 ).

8. The method according to claim 1 or one of the following, characterized in that the socket ( 8 ) surrounds the tubular part ( 2 ) detachably and removably.

9. A device for carrying out the method according to claim 1 or one of the following, characterized in that a socket (8) is arranged at the clamping point of the tubular member (2), the said tubular member (2) at least regionally with a lateral clearance (12) surrounds, into which the wall ( 6 ) of the tubular part ( 2 ) can deform.

10. The device according to claim 9, characterized in that the socket ( 8 ) axially flush with the tube end ( 13 ).

11. The device according to claim 9 or 10, characterized in that the socket ( 8 ) is formed in several parts.