DE69404375T2

DE69404375T2 - Reibschweissen

Info

Publication number: DE69404375T2
Application number: DE69404375T
Authority: DE
Inventors: John Gilbert Searle
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1993-05-13
Filing date: 1994-05-12
Publication date: 1998-03-05
Anticipated expiration: 2014-05-13
Also published as: GB2277898A; GB2277898B; US5468334A; DE69404375D1; GB9309864D0; EP0624419B1; EP0624419A3; EP0624419A2; GB9409475D0

Description

Diese Erfindung betrifft das Reibschweißen.
Es ist seit vielen Jahren bekannt, daß zwei Bauteile, sogar Metallbauteile, miteinander verschweißt werden können, indem mindestens eines der Bauteile hin- und herbewegt wird und die beiden Bauteile gegeneinander gedrückt werden, wobei die zwischen den Bauteilen erzeugte Reibungswärme das Material mindestens eines Bauteils und meist beider Bauteile anschmilzt. Ein Beispiel eines technischen Gebiets, auf welchem nützliche Anwendungen des Reibschweißens gesehen werden, ist das Gebiet der Herstellung von Verdichtern oder Turbinen für Flugzeugtriebwerke. Verdichterbaugruppen können einen Blisk (Schaufeln mit integraler Scheibe (Blades plus integral discs)) oder einem Blum (Schaufeln mit integraler Trommel (Blades plus integral drum)) aufweisen, welch letzterer tatsächlich aus mehreren miteinander verbundenen Blisks besteht.
Eine Reibschweißmaschine, die zum Verbinden kreisförmiger Werkstücke wie beispielsweise Wellen, Ringe und dgl. mit sehr engen Konzentrizitätstoleranzen ausgelegt ist, ist im US-Patent 4 033 501 beschrieben. Die Maschine weist eine zu einer Einheit verbundene Spindelstock- und Reitstockbaugruppe auf, wobei der Spindelstock drehbar und verschiebbar innerhalb eines starren Reitstocks angeordnet ist. Die beiden miteinander durch Reibschweißen zu verbindenden ringförmigen Teile werden das eine innerhalb eines hohlen Spindelstocks und das andere innerhalb eines hohlen Reitstocks montiert, wobei die gesamte Baugruppe um eine gemeinsame Achse konzentrisch ist. Die ringförmigen Teile werden innerhalb des Spindelstocks und des Reitstocks in geeigneter Weise durch radial greifende Spannfutterbacken fest an Ort und Stelle gehalten. Während des Schweißvorgangs selbst werden die beiden Teile stirnseitig aneinanderstoßend zusammengebracht und das eine wird schnell relativ zum anderen gedreht, um eine ringförmige Stumpfschweißung herzustellen.
Das Verfahren kann zum Verbinden mehrerer Rotorscheiben benutzt werden, um eine mehrstufige Trommel herzustellen, an welcher anschließend radiale Schaufeln befestigt werden können, um Blums (beschaufelte Trommeln) herzustellen. Jedoch umschließt die beschriebene Schweißmaschine die Werkstücke vollständig, so daß ihre Umfangsbereiche für ein Anschweißen dieser Schaufeln unzugänglich sind. Das Problem der Einspannung der Trommel für das spätere Anbringen der Schaufeln an ihrem Umfang wird nicht behandelt. Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Werkstückhalter zum Halten eines ringförmigen Werkstücks während eines Reibschweißvorgangs vorgesehen, mit einem trommelartigen Klemmteil, dessen Inneres eine Kammer oder Aussparung zur Aufnahme des Werkstücks bildet, und das zum Ergreifen eines Endes des Werkstücks ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Klemmteil zum Ergreifen eines entgegengesetzten Endes des ringförmigen Werkstücks vorgesehen ist und Klemmkraftmittel vorgesehen sind, um das erste und das zweite Klemmteil gegeneinander zu spannen, um die entgegengesetzten Enden des Werkstücks jeweils reibschlüssig zu ergreifen, und wobei das trommelartige Klemmteil einen Sockel aufweist, um das Werkstück in einer Höhenposition innerhalb der Kammer zu ergreifen und abzustützen, derart, daß eine Schweißstelle am Umfang des Werkstücks, an welchem radial wegragende Bauteile anzuschweißen sind, zwischen den Klemmteilen zugänglich ist.
Die Klemmteile sind vorzugsweise vollständig voneinander trennbar.
Die Klemmteile sind vorzugsweise so angeordnet, daß sie das Bauteil entlang eines ringförmigen Bereichs des Bauteils spannen, vorzugsweise in im wesentlichen kontinuierlicher Berührung mit dem Bauteil in dessen Ringbereich. Sie können einen Klemmring aufweisen.
Die von den Klemmteilen im Gebrauch ausgeübte Klemmkraft ist vorzugsweise so groß, daß der Schweißdruck und die hin- und hergehenden Reibschweißkräfte auf das gehaltene Bauteil im Vergleich dazu verhältnismäßig lang sind.
Die Klemmteile können ein oberes und ein unteres Klemmteil umfassen. Die Klemmteile können von trommelartiger Konstruktion sein, wobei das Bauteil in ihnen bzw. einem von ihnen aufgenommen wird.
Die Klemmteile können über eine trennbare oder indexierbare Kupplung an einem Werkstückhalteteil montiert sein.
Das untere Klemmteil kann einen Kranz von Positionierelementen aufweisen, die in einen komplementären Kranz von komplementären Positionierelementen an dem Werkstückhalteteil eingreifen. Diese Elemente (und komplementären Elemente) sind vorzugsweise mit gleichen Winkelabständen angeordnet. Das untere Klemmteil kann von dem Werkstückhalteteil derart wegbewegbar sein, daß die Klemmteile (und ein zugeordnetes Werkstück) zwischen zulässigen Indexpositionen indexierbar ist, und zurück in Richtung zum Werkstückhalteteil bewegbar sein, um das Schweißen zu ermöglichen.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine Reibschweißeinrichtung ein Gestell mit einem zum Halten eines Werkstücks für das Reibschweißen ausgelegten Haltebereich und Werkstückklemmmittel auf, die klemmkrafterzeugende Mittel, die an einem vom Haltebereich entfernt gelegenen Bereich des Gestells angeordnet sind, und ein längliches klemmkraftübertragendes Teil auf, das für die Übertragung einer das Werkstück an den Haltebereich spannenden Klemmkraft von den Klemmkrafterzeugungsmitteln zum Haltebereich ausgelegt ist.
Vorzugsweise ziehen die kraftübertragenden Mittel das Werkstück gegen den Haltebereich. Die kraftübertragenen Mittel können einen Kopf oder eine Schulter aufweisen, die im Gebrauch ein komplementäres Element an den Werkstückhalter- Klemmmitteln ergreifen, die zum Halten des Werkstücks ausgebildet sind.
Die Kraftübertragungsmittel können zwischen der Klemmposition, in welcher das Werkstück bzw. die Werkstückhalter- Klemmmittel mit Bezug auf den Haltebereich starr gehalten werden, und einer Löseposition bewegbar sein, in welcher sie nicht stark gehalten werden.
Die obige Erfindung kann auch als Verfahren zum Reibschweißen ausgedrückt werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung sind Werkstückhaltemittel für eine Reibschweißeinrichtung vorgesehen, die Mittel umfassen, welche einer Kammer oder Aussparungen bilden, die zur Aufnahme eines Werkstücks im Gebrauch ausgebildet sind, an welchem ein Bauteil anzuschweißen ist.
Infolgedessen ragt das Werkstück im Gebrauch in die Kammer hinein.
Die Haltemittel können eine schalenartige Konstruktion haben und beweglich sein. Die Haltemittel können für eine Winkelbeweglichkeit um eine Achse und vorzugsweise für eine winkelmäßige Hin- und Herbewegung für ein Winkelbewegungs-Reibschweißen ausgebildet sein. Diese Haltemittel können mittels Lagern wie beispielsweise hydrostatischen oder Filmlagern an einem Haltesockel montiert sein.
In der Kammer bzw. der Aussparung unter dem Werkstück kann eine Abstützung vorgesehen sein. Es können Abstützungen unterschiedlicher Größen für Werkstücke unterschiedlicher Größen eingesetzt werden, um den zu schweißenden Bereich über das obere Ende der Kammer anzuheben (bzw. aufeinanderfolgende Bereiche des gleichen Werkstücks auf eine Schweißhöhe anzuheben). Die Abstützung kann höhenverstellbar sein, beispielsweise einen verstellbaren Sockel aufweisen.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Halten eines an ein Bauteil reibzuschweißenden Werkstücks das Halten des Werkstücks in einer Aussparung bzw. Öffnung in einem Werkstückhalteteil, wobei ein Teil des Werkstücks in der Kammer gelegen ist und der Teil des Werkstücks, an welchem das Bauteil anzuschweißen ist, von außerhalb der Kammer zugänglich ist.
Vorzugsweise ragt das Werkstück nach außerhalb der Kammer.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Halten eines Bauteils vorgesehen, das durch Reibschweißen zu verschweißen ist, wobei das Bauteil gegen ein weiteres Bauteil mit einer schweißdruckerzeugenden Kraft gedrängt wird und eine relative reibungserzeugende zyklische Bewegung zwischen den beiden Bauteilen erfolgt, um Schweißwärme zu erzeugen, wobei das Verfahren das Halten des Bauteils unter Anwendung von Schweißkräften umfaßt, die in etwa entgegengesetzter Richtung wie die Schweißdruckerzeugungsrichtung wirken.
Infolgedessen ist die reibschlüssige Greifkraft der Bauteilhaltemittel auf das Bauteil mindestens so groß wie die schweißdruckerzeugende Kraft.
Die obige Erfindung kann als Vorrichtung zum Halten des Werkstücks mittels Reibung bzw. zum Halten der Außenseite des Werkstücks ausgedrückt werden.
Die obigen Aspekte der Erfindung sind insbesondere, aber nicht ausschließlich, zum Schweißen von Schaufeln auf Luftverdichterscheiben oder- Trommeln für Flugzeugtriebwerke und dgl. geeignet.
Eine Anzahl weiter Erfindungen sind im Zusammenhang mit dem Versuch zum Reibschweißen von Schaufeln Trommel zum Herstellen von Blums oder Blisks für Verdichter oder Turbinen für Triebwerke, beispielsweise für Flugzeuge, entstanden.
Ein Blum weist typischerweise eine dünne zylindrische Außenwand auf, die vielleicht drei oder vier Millimeter dick ist. Beim Reibschweißen einer Turbinenschaufel an der Trommel werden radiale schweißdruckerzeugende Kräfte in der Größenordnung von vielleicht 15 Tonnen erzeugt. Dies würde einen nicht abgestützten Blum verformen. Es wurde vorschlagen, daß Innere des Blums unter Druck zu setzen, oder es beispielsweise mit einem niedrig schmelzenden Stützmetall zu füllen, um eine zeitweise Abstützung zu finden. Keiner dieser Vorschläge erscheint jedoch so gut wie die vorliegenden Vorschläge.
Nach einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Reibschweißen eines Blums (oder sonstigen verformbaren Gegenstands mit einem Inneren und einem Äußeren) vorgesehen, welches das Abstützen des Blums von der Außenseite umfaßt.
Vorzugsweise erfolgt die Abstützung am oder nahe dem Bereich des Blums (oder sonstigen Gegenstands), an welchem die Reibschweißung stattfindet.
Die Abstützung kann oberhalb und/oder unterhalb einer Ebene erfolgen, in welcher eine relative Hin- und Herbewegung zwischen dem Blum (oder sonstigen Gegenstand) und dem Bauteil auftritt.
Zusätzlich oder alternativ kann der Blum in der Hin- und Herbewegungsebene abgestützt werden.
Eine Vorrichtung zum Erreichen des Vorstehenden kann geschaffen werden und es ist Schutz derselben sowie des Verfahrens gewünscht.
Nach einem noch weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Reibschweißen eines Bauteils, beispielsweise einer Schaufel, an ein Werkstück, wie beispielsweise einem Blum, das Anlegen einer Mehrzahl von einwärts gerichteten Druckkräften an das Werkstück, das Herbeiführen einer relativen reibungserzeugenden Bewegung zwischen dem Werkstück und dem Bauteil, und das relative Gegeneinanderdrängen des Werkstücks und des Bauteils zum Erzeugen eines Schweißdrucks, wobei die Resultierende der einwärts gerichteten Kräfte auf das Werkstück eine Komponente in zu der durch das Bauteil während des Schweißens ausgeübten Schweißkraft entgegengesetzten Richtung hat.
Vorzugsweise ist die Resultierende der genannten Mehrzahl von Druckkräften im wesentlichen gleich der Schweißkraft, aber wirkt in im wesentlichen der entgegengesetzten Richtung.
Vorzugsweise werden die Druckkräfte auf das Werkstück in im wesentlichen regelmäßigen Winkelabständen ausgeübt, wobei die Schweißkraft die winkelmäßige Stelle einer der Druckkräfte einnimmt.
Vorzugsweise ist die Schweißkraft von gleicher Größe wie eine Druckkraft. Höchst vorzugsweise sind die Druckkräfte und die Schweißkraft alle von im wesentlichen gleicher Größe.
Das Verfahren umfaßt außerdem vorzugsweise das Bewegen von Druckteilen, die zum Erzeugen der Druckkräfte in vorgegebenen Positionen ausgelegt sind. Das Werkstück wird also zur Einnahme einer vorgegebenen Konfiguration gezwungen.
Vorzugsweise sind viele Druckkräfte vorhanden, vorzugsweise mindestens zwei, oder drei oder mehr, und höchst vorzugsweise mindestens sieben oder, oder mindestens elf oder mehr.
Die Druckkräfte haben vorzugsweise gleiche Winkelabstände und sind zum Zentrum des Werkstückkörpers (bzw. mindestens zum Zentrum seines Querschnitts in der Schweißebene) gerichtet.
Das Verfahren ist insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf das Schweißen hohler Werkstücke und das Schweißen an allgemein symmetrische Werkstücke wie beispielsweise zylindrische Werkstücke anwendbar.
Die Größe der Druckkräfte kann so gesteuert werden, daß sie während eines Schweißvorgangs variieren.
Es kann eine Vorrichtung zum Bewerkstelligen des Vorstehenden vorgesehen sein, und diese soll ebenfalls geschützt sein.
Vorzugsweise werden die Druckteile einwärts gedrückt, bis ein Anschlag erreicht wird. Sie werden vorzugsweise gleichzeitig bewegt oder zumindest in Gruppen oder paarweise (vielleicht symmetrisch angeordnete Gruppen).
Wie man sieht, wird bei dem obigen Verfahren der Halterung eines Werkstücks dieses von seiner Außenseite her anstatt (oder sowie auch) von der Innenseite des Werkstücks abgestützt.
Die Erfindung umfaßt tatsächlich, in welche Richtung auch immer betrachtet, das Einspannen des Werkstücks in einem Vielbackenfutter, wobei eine der Backen des Spannfutters durch das zu schweißende Bauteil und die Schweißkraft ersetzt ist.
Das Verfahren kann das Wegnehmen eines Druckteils umfassen, um ein Reibschweißen an oder neben seiner Stelle zu ermöglichen. Das Verfahren kann auch das Einführen eines Druckteils an oder neben einem Bereich des Werkstücks umfassen, wo ein Bauteil angeschweißt worden ist.
Nach einem noch weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Halterung eines hohlen Werkstücks während des Reibschweißens das Vorsehen einer inneren Stützwand, die entlang der inneren Peripherie des Werkstücks an oder nahe dem Bereich des Werkstücks verläuft, an welchem die Schweißung stattfindet.
Die Stützwand kann nur um einen Teil der Innenfläche des Werkstücks verlaufen oder kann vollständig um die innere Peripherie des Werkstücks verlaufen und einen Ring darstellen. Wenn das Werkstück einen kreisförmigen Querschnitt hat, kann die Stützwand ein entsprechender Ring sein.
Die Stützwand kann aus gesonderten Baublöcken herstellt sein, welche der Benutzer in das Werkstück einsetzt, um die Stützwand aufzubauen.
Die Erfindung besteht auch in einem Verfahren zur Verstärkung eines reibzuschweißenden hohlen Werkstücks und in einer Einrichtung oder einem Teilesatz, um dies auszuführen.
Nach einem noch weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Reibschweißen von Schaufeln an der Trommel eines Blums mit einer inneren Vollscheibe oder Speichenscheibe, wobei das Verfahren das Einspannen des Blums in einer Radialebene und das absichtliche Drücken der Scheibe aus ihrer Ebene umfaßt, um so die Richtung ihrer Ausbiegung beim Zusammendrücken des Blums zu steuern.
Nach einem noch weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, daß die Scheiben oder sonstigen inneren Tragstrukturen eines hohlen Gegenstands wie beispielsweise eines Blums während eines Reibschweißvorgangs so ausgelenkt werden, daß sie eine radiale Auswärtskraft erzeugen, die mindestens eine Kraftkomponente in der entgegengesetzten Richtung derjenigen aufweist, in welcher ein an den Gegenstand anzuschweißendes Bauteil relativ zur Außenfläche des Gegenstands gedrückt wird.
Die inneren Stützstrukturen können also so unter Spannung gesetzt werden, daß sie eine der Schweißdruckkraft entgegenwirkende Radialkraft erzeugen.
Beispielsweise könnten die Innenscheiben eines Blums einen entspannten Zustand haben, in welchem sie aus einer Ebene ausgewölbt sind, und man könnte sie zurück in eine flache Konfiguration spannen (und idealerweise eine flache Konfiguration während des Schweißens oder direkt vor dem Schweißen einnehmen).
Dieser Gedanke der Verformung innerer Strukturen in eine etwa radiale Ebene derart, daß sie radial auswärts gerichtete Kräfte erzeugen, könnte auch zum Abstützen anderer hohler Gegenstände eingesetzt werden, wenn sie während eines Fertigungsprozesses oder in ihrem schließlichen Gebrauch Druckkräften ausgesetzt sind.
Es werden nun Ausführungsformen der Erfindung lediglich beispielshalber mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen zeigt:
Fig. 1a eine Werkstückhalteanordnung,
Fig. 1b eine Veränderung der Anordnung nach Fig. 1a im Detail,
Fig. 2 schematisch eine Schaufel plus einstückige Trommel (Blum) mit daran angeschweißter Schaufel,
die Figuren 3a und 3b Draufsichten zweiter Alternativkonstruktionen des Blums nach Fig. 2,
Fig. 4 schematisch das Prinzip eines neuen Wegs des Reibschweißens und verformbarer Konstruktionen,
Fig. 5 schematisch eine Einzelheit einer Anordnung zur praktischen Umsetzung des Gedankens nach Fig. 4,
die Figuren 6 bis 10 weitere mögliche Anordnungen zur Verwendung in Verbindung mit dem Gedanken nach Fig. 4,
Fig. 11 schematisch ein Prinzip der Abstützung einer hohlen verformbaren Konstruktion während des Reibschweißens,
die Figuren 12 und 13 eine Einzelheit der Anordnung nach Fig. 11, und
Fig. 14 eine neue Konstruktion eines Blums.
Allgemein ausgedrückt, umfaßt das Reibschweißen das Reiben zweier Bauteile aneinander, so daß erzeugte Reibungswärme eine Schweißung bewirkt. Es ist üblich, die beiden Bauteile gegeneinander zu drücken, um die Reibung zu erhöhen. In den folgenden Beispielen wird ein erstes Bauteil, nämlich eine Turbinenschaufel, an ein zweites Bauteil (bzw. Werkstück) wie beispielsweise eine Scheibe oder Trommel einer Turbine angeschweißt. In den Beispielen wird das erste Bauteil radial gegen das Werkstück mit einer schweißdruckerzeugenden Kraft gedrängt, und das Werkstück wird hin- und herbewegt, um so eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Bauteil zu erzeugen. Natürlich kann, solange die Relativkräfte vorhanden sind, der Effekt dadurch bewirkt werden, daß beispielsweise das gleiche Bauteil radial vorgespannt wird, beide Bauteile hin- und herbewegt werden, eines der Bauteile anstatt hin- und her orbital bewegt wird usw.
Die Figuren 1a und 1b zeigen eine neue Werkstückhalteanordnung, die in Kombination mit einer Reibschweißvorrichtung (deren Konzept neu und erfinderisch ist) oder einer herkömmlicheren Reibschweißvorrichtung wie beispielsweise einer Linear-Reibschweißvorrichtung eingesetzt werden könnte.
Es ist eine Trommel 90 eines Axialverdichters dargestellt, an welchem Verdichterschaufeln 91 reibzuschweißen sind, um eine Anordnung Schaufel plus integrale Trommel (Blum) herzustellen. Die Trommel 90 weist erhabene Schweißvorsprünge 92 auf, die an ihrer Peripherie angeordnet sind (obwohl man auch eine kontinuierliche Oberfläche, beispielsweise einen Ringvorsprung bevorzugen kann). Die Schaufeln 91 sind in Richtungen quer zur Radialrichtung mit Bezug auf die winkelmäßige Reibschweißung um eine Achse 93 mittels Bauteilhaltern 94 eingespannt, welche die Schaufeln radial gegen den jeweiligen Schweißvorsprung 92 drängen, der sich an der Schweißstelle befindet, um einen Schweißdruck zu erzeugen.
Der Werkstückhalter weist eine Schale bzw. Trommel 95 auf, die auf hydrostatischen bzw. Filmlagern 96 montiert ist, die in einem Tragrahmen bzw. Tragteil 97 vorgesehen sind. Ein ringförmiger Abstandsblock 98, Fig. 1b, oder Reihen von Blöcken sitzen auf der Basis 99 der Schale und tragen den ringförmigen unteren Randbereich der Trommel 90. Alternativ oder zusätzlich kann eine einstellbare Basisplattform 103, Fig. 1a, zu bevorzugen sein. Eine Zugstange 100 verläuft durch die Bohrung im Zentrum der Trommel und endigt in einem Kopf 101, der eine Klemmkraft auf die obere Ringfläche der Trommel über eine das ringförmige Bauteil 102 spreizende Kraft ausübt.
Die Seitenwände und möglicherweise das Gehäuse der Trommel 95 können ebenfalls Klemmteile zum Ergreifen der Seiten der Trommel 90 und zum Unterstützen von derer starrer Halterung mit der Trommel aufweisen. Alternativ kann die Trommel fest an der Schale 95 einfach durch die von der Zugstange 100 ausgeübte Reibungskraft gehalten werden. Die Schale könnte natürlich mit einem Füllmaterial gefüllt sein, beispielsweise Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, um die Trommel zu halten, aber dies ist nicht die bevorzugte Anordnung.
Diametral gegenüberliegende Paare von Schaufeln 95 werden geschweißt, in dem die gesamte Schale 95 winkelmäßig mit hinund hergehender Bewegung bewegt wird. Das winkelmäßige Reibschweißen insbesondere mit einer Radialkomponente der Schweißdruckkraft ist in der parallelen Patentanmeldung GB 93 09 824.2 und GB 93 09 865.5 beschrieben.
Nach einem Schweißvorgang wird die Trommel 90 zum nächsten Paar von zu schweißenden Schweißvorsprüngen 92 indexiert (diese können das nächstbenachbarte Paar oder ein weiter winkelmäßig beabstandetes Paar sein). Das nächste Paar von Schaufeln 91 wird dann angeschweißt. Nachdem eine vollständige horizontale Reihe von Schaufeln an der Trommel 90 angeschweißt worden ist, wird diese zur nächsten Reihe hochindexiert, um diese in die Horizontalposition der Bauteilhalter 94 zu bringen. Dieses axiale Aufwärtsindexieren erfolgt durch Anheben des einstellbaren Plattformbasisteils 98 automatisch durch Axialeinstellmittel, die in der Lage sind, in vorgegebenen zulässigen Axialpositionen (oder kontinuierlich variablen Axialpositionen) zu stoppen. Alternativ kann der Abstandsblock 98 gegen einen axialhöheren bzw. längeren Block oder durch Hinzufügen eines weiteren Abstandsblocks zum Anheben der Trommel ausgetauscht werden.
Es kann wünschenswert sein, die Schale 95 so zu verändern, daß man in einer zu der Achse, um welche sie hin- und herbewegt wird, senkrechten Ebene oben auf der Trommel schweißen kann. Um dies zu erreichen, kann ein herausnehmbarer Umbaustopfen vorgesehen sein, der in das obere Ende der Trommel paßt. Bauteilhaltemittel würden dann auf dem Stopfen vorgesehen sein. Damit kann sowohl auf der Oberseite der Schale als auch an ihren Seiten und sogar an beiden Orten gleichzeitig geschweißt werden.
Wie man sieht, ergibt die Schalenanordnung für den Bauteilhalter für den Blum eine Möglichkeit zum Ergreifen der Außenseite der Seitenwände des Blums mit Reibkräften.
Fig. 2 zeigt eine andere Möglichkeit des Reibschweißens einer Schaufel an einem Trommel. Die Wände der Trommel eines Verdichters können aus Metall hergestellt sein, das nur 3 mm oder 4 mm dick ist. Die auf die Reibschweißstelle, mit 130 bezeichnet, ausgeübte radiale Schweißkraft kann im Größenbereich von 15 Tonnen liegen. Das Innere der Turbinentrommel enthält Aussteifungskonstruktionen wie beispielsweise dünne Membranen, die dazu dienen, die Trommel gegen Zentrifugall- Zentripetalkräfte zu verstärken, und können auch zum Zentrieren des Turbinenumlaufs im Betrieb um eine mittige Achse eines Triebwerks dienen, das mit einer mit 132 bezeichneten strichpunktierten Linie dargestellt ist.
Die radiale Schweißkraft, die auf die Trommel ausgeübt werden muß, ist so groß, daß sie die Trommel zerstören würde. In der Vergangenheit wurde vorgeschlagen, die Trommel dadurch abzustützen, daß sie mit einem Gas druckbeaufschlagt wird, oder daß sie während des Schweißens mit einem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt gefüllt wird. Es wird nun vorgeschlagen, die Trommel von der Außenseite abzustützen.
Fig. 2 zeigt Stützklemmteile 133 und 134, die über und unter das Plateau 92 ragen, an welchem die Schaufel 13 anzuschweißen ist. Die Stützklemmteile spannen die (radial verlaufenden) oberen und unteren Flächen des Plateaus ein und fixieren es gegen radiale Bewegung und dienen auch zur Aufnahme der radialen Schweißkraft 130. Die Trommel und die Stützklemmteile können sich winkelmäßig um die Achse 12 bewegen, um hin- und hergehend Reibungswärme zu erzeugen. Alternativ kann die Schaufel 13 bewegt werden, beispielsweise in die und aus der Zeichenebene umfangsmäßig mit Bezug auf die Trommel, und außerdem radial angedrückt werden, oder die Trommel kann radial angedrückt werden, während die Schaufel hin- und herbewegt wird.
Wie man sieht, kann der Bereich der Trommel angrenzend an eine Schweißstelle anstatt an ihrer Innenseite oder zusätzlich hierzu abgestützt werden.
Wie man ebenfalls sieht, kann anstelle der Anordnung einzelner Vorsprünge, an welchen die Schaufeln angeschweißt werden, ein ringförmiger Vorsprung am Äußeren der Trommel vorgesehen sein. Die Stützklemmteile 133 und 134 können bei dieser Anordnung immer noch wirksam werden. Fig. 3a zeigt einen ringförmigen Vorsprung 135 mit einzelnen Plateaus.
Fig. 3b zeigt das Einspannen der umfangsmäßig beabstandeten Seitenflächen der Plateaus zum Abstützen desselben gegen die radiale Schweißkraft und zur Reaktion auf diese Kraft. Der Bauteilhalter für die Schaufel 13 ist in Fig. 3b weggelassen.
Wie man sieht, kann man auch angrenzend an eine Schweißstelle einspannen. Die Klemmittel können das Werkstück auf dem Plateau sowohl oberhalb und unterhalb und auf jeder Seite des Bereichs ergreifen, an welchem die Schaufel angeschweißt wird, um so eine örtliche Verformung des Trommelumfangs zu vermeiden.
Fig. 4 zeigt schematisch ein weiteres signifikantes neues Prinzip zum Reibschweißen von Schaufeln an Trommeln. Das Prinzip ist beim Schweißen an anderen zusammendrückbaren Gegenständen gleichermaßen anwendbar.
Die Trommel 11 wird durch eine große Anzahl von mit gleichen Winkelabständen angeordneten, radial gerichteten Druckkräften zusammengedrückt, die durch Pfeile 140 dargestellt sind. Die Stelle einer der Druckkräfte 140 wird durch die Schaufel 13 und die radial gerichteten Schweißdruck eingenommen. Die Größe jeder Druckkraft 140 ist im wesentlichen gleich groß wie der radial gerichtete Schweißdruck. Der Schweißdruck ist dann notwendig, um die Symmetrie des Systems auszugleichen, anstatt das System ins Ungleichgewicht zu bringen, wie das früher der Fall war.
Es ist klar, daß, wenn die Scheibe bzw. Trommel 11 winkelmäßig bewegt wird, die die radialen Druckkräfte 140 erzeugenden Mittel winkelmäßig mitbewegt werden können.
Fig. 5 zeigt eine Möglichkeit, nach welcher die Druckkräfte 140 hergestellt werden können. Die Druckkräfte werden effektiv durch Zähne eines Spannfutters erzeugt. Ein Ring 150 umschließt die Trommel bzw. Scheibe 11 und weißt eine Vielzahl von mit gleichen Winkelabständen radial verlaufenden Druckstiften 151 auf, die in Bohrungen 152 der Platte 150 sitzen. Die Stifte 151 haben einen zylindrischen Teil 153, der in den Bohrungen aufgenommen ist. Ein radial äußerer Teil der Bohrungen 152 haben Gewinde, die bei 154 dargestellt sind, und nehmen mit Gewinde versehene Schäfte 155 auf, die an ihrem äußeren Ende eine damit einstückige Mutter 156 aufweisen. Die Platte 150 weist eine Vielzahl von Anschlagflächen 157 auf, die an ihrem peripheren Außenrand vorgesehen sind. Die radial inneren Enden jedes der Gewindeteile 155 weisen eine Anschlagfläche auf, die mit einer komplementären Anschlagfläche auf den Stiften 151 zusammenwirken. Die Teile 155 werden im Gebrauch auf den Anschlag 157 heruntergeschraubt und dies stellt sicher, daß die innere bogenförmige Fläche 158 der Stifte 151 auf einem vorgegebenen Kreis liegen. Die Scheibe bzw. Trommel 11 wird zusammengedrückt, indem sie gezwungen wird, in der Ebene der ringförmigen Platte 150 eine vorgegebene Form und Größe einzunehmen. Automatische Mittel 159, beispielsweise elektrische oder hydraulische Motoren, dienen zum Betätigen der Muttern 156.
Jede der Druckstift- und Antriebsmechanismusbaugruppen ist von der Platte abnehmbar und kann durch einen Bauteilhalter ersetzt werden, der eine an der Scheibe bzw. Trommel reibzuschweißende Schaufel enthält. Dies kann bewerkstelligt werden, indem der Stift und die zugehörige Bohrung 150 in einem Plattenteil angeordnet werden, der vom Plattenring 150 getrennt ist. Der Plattenring 150 kann aus einer Mehrzahl von lösbar miteinander verbundenen Ringsegmenten hergestellt sein. Dies kann eine zweckmäßige Möglichkeit sein, irgendeine bestimmte Druckstiftbaugruppe durch einen Bauteilhalter mit Schaufel auszutauschen.
Alternativ, wenn die Druckstifte 151 zurückgezogen sind, so daß sie die Scheibe bzw. Trommel 11 nicht zusammendrücken, kann die Scheibe bzw. Trommel in eine weitere Position indexiert werden, um einen anderen Bereich zur Schweißstation des Rings 150 zu bringen. Auf diese Weise bestünde keine Notwendigkeit, die Schweißstation mit Bezug auf den Ring 150 zu bewegen. Man müßte eine Möglichkeit finden, um zu vermeiden, daß bereits geschweißte Schaufeln das Indexieren verhindern - beispielsweise könnten die Stifte während des Indexierens zeitweise in eine andere Axialebene bewegt oder eine gleichwertige Relativbewegung bewirkt werden.
Vorzugsweise werden alle Stifte 151 gleichzeitig in ihre vorgegebenen Positionen bewegt. Dies kann durch geeignete Steuermittel erfolgen oder durch eine mechanische Anordnung.
Anstelle des Bewegens der Druckstifte 151 in eine vorgegebene Position können sie mit einer vorgegeben Kraft bzw. einem vorgegebenen Druck vorgeschoben werden.
Fig. 6 zeigt eine Abwandlung der Mittel zum Vorschieben und anhalten der Druckstifte 151. Bei der Anordnung nach Fig. 6 weißt der Ring 150 eine Vielzahl von Bohrungen auf, welche die Stifte 151 aufnehmen. Jeder Stift 151 weist eine innere Bohrung auf, die eine Kammer 161 bildet, die in Kombination mit einem mittigen Vorsprung 160 zur Führung der Bewegung des Stifts 151 dienen kann oder auch nicht. Die Kammer enthält Hydraulikmittel und ist an einem Pumpe P angeschlossen. Zum Vorschieben des Stifts 151 wird das Hydraulikmittel druckbeaufschlagt.
Die Stifte 151 tragen jeweils einen einstellbaren Anschlag 162. Der Anschlag 162. Der Anschlag wird bei diesem Beispiel durch das Zusammewirken zwischen der Stirnfläche eines mit Schraubgewinde versehenen Bolzens 263, der in einer dem Stift 151 zugeordneten Bohrung aufgenommen wird, und einer komplementären, auf dem Ring vorgesehenen Anschlagfläche gebildet. Die Position des Anschlags kann manuell oder automatisch durch Ein- oder Ausschrauben des Anschlags eingestellt werden.
Fig. 6 zeigt auch die elektronische Überwachung der Position des Stifts 151, was schematisch durch ein Potentionmeter 164, gestellt ist. Das Potentiometer oder ein anderer gleichwertiger Fühler führt Positionssignale zu einer Steuereinheit 165 zu, welche die Tätigkeit der Pumpe P steuert. Dies kann ein zweckmäßiger Weg sein, alle Stifte gemeinsam zu bewegen. Statt der gemeinsamen Bewegung aller Stifte zusammen kann es bevorzugt sein, sie in vorgegebenen Kombinationen wie beispielsweise in radial gegenüberliegenden Paaren oder in winkelmäßig symmetrisch angeordneten Gruppen zu bewegen.
Fig. 7 zeigt eine Möglichkeit der gemeinsam radial beweglichen Anordnung der Stifte 151 unter Verwendung mechanischer Mittel. Eine Antriebsplatte 166 weist einen Schlitz 167 auf, der eine Radialposition hat, die mit seiner umfangsmäßigen Länge variiert. In dem Schlitz wird ein Vorsprung des Stifts aufgenommen. Die Antriebsplatte 166 wird winkelmäßig bewegt, und der Stift 151 wird dadurch radial bewegt, wobei er in einer Bohrung in der Platte 150 geführt wird. Die Antriebsplatte 166 weist für jeden der Stifte 151 einen Schlitz 167 auf und betätigt sie alle gleichzeitig.
Die Figuren 8 bis 10 zeigen verschiedene Möglichkeiten, die ein radiales Bewegen des Stifts bzw. der Backe 151 ermöglichen. Bei der Anordnung nach Fig. 26 ist der Stift bzw. die Backe 151 mit dem Ring 150 über flexible Blätter oder Stäbe 170 verbunden. Diese ermöglichen eine regelmäßige Bewegung des Stifts, verhindern aber irgendwelches umfangsmäßiges Spiel oder Totgang. Die Scheibe bzw. Trommel kann winkelmäßig hin- und herbewegt werden, was sonst Totgang bedingen könnte.
Bei der Anordnung nach Fig. 9 wird der Stift 151 durch vorgespannte umlaufende Lagerbaugruppen 171 radial beweglich geführt, die Totgang vermeiden.
Bei der Anordnung nach Fig. 10 wird der Stift 151 nicht entlang eines Radius einwärts bewegt, sondern entlang einer mit Bezug auf den Radius geneigten Linie. Das bedeutet, daß irgendeine Tendenz zu Totgang durch die Keilwirkung des Stifts in seiner Bohrung beseitigt wird. Da die Scheibe bzw. Trommel sich im Fall einer winkelmäßigen Reibschweißbewegung zuerst in der einen Winkelrichtung und dann in der entgegengesetzten Winkelrichtung bewegt, kann es auch notwendig sein, die Stifte 151 in entgegengesetzter Richtung geneigt zu haben, was durch die Linie 172 angedeutet ist. Es kann eine Gruppe von in der einen Richtung abgewinkelten Stiften versetzt mit einer Gruppe von Stiften vorgesehen sein, die in der entgegengesetzten Richtung abgewinkelt sind.
Fig. 11 zeigt eine weitere Möglichkeit der Abstützung eines hohlen Gegenstands wie beispielsweise einer Trommel während des Reibschweißens. Die Innenwandfläche der Trommel bzw. Scheibe wird durch eine innere Stützwand 180 abgestützt. Die innere Stützwand 180 ist aus mehreren keilförmigen "Ziegeln" aufgebaut, die zur Bildung der Wand aufgebaut sind. Einer der Ziegel 183 weist parallele Seitenflächen anstatt radiale Seitenflächen auf, damit er als letzter Ziegel eingesetzt werden kann. Dieser letzte Ziegel 183 weist außerdem einen Arretiermechanismus auf, um ihn an Ort und Stelle zu verriegeln.
Die Wand 180 kann in der Ebene des zu schweißenden Bereichs oder oberhalb oder unterhalb des zu schweißenden Bereichs vorgesehen sein und kann auch oberhalb und unterhalb des zu schweißenden Bereichs vorgesehen sein. Es können zwei Wände vorgesehen sein, eine oberhalb des Schweißbereichs und eine unterhalb in dem Fall, daß ein Hindernis in der Ebene vorhanden ist, beispielsweise wenn die Membran 131 einer Trommel bzw. Scheibe sich in der axialen Höhe des zu schweißenden Bereichs befindet. Die innen aufgebaute Wand 180 kann in Kombination mit der äußeren Druckkraft eingesetzt werden, die auf die Trommel bzw. Scheibe ausgeübt wird. Die Kombinatin beider Möglichkeiten stellt sicher, daß die Trommel bzw. Scheibe nicht zu sehr zusammengedrückt wird, trotz des Vorhandenseins der Vielzahl von Druckkräften, die mit Winkelabständen an ihrem Umfang vorhanden sind.
Die Figuren 12 und 13 zeigen einen geeigneten Verriegelungsmechanismus für den letzten Ziegel 183. Ein Keil 184 ist in geeigneten Halbaussparungen zwischen dem Ziegel 183 und einem angrenzenden Ziegel 181 aufgenommen, und eine Schraube 185 dient zum Bewegen des Keils 184 in seine Position. Eine weitere Schraube dient zum Entfernen des Keils.
Während des Reibschweißens einer Trommel bzw. Scheibe mit einer inneren Membran oder Fingern 131 kann die bzw. jede Membran 131 (oder Speiche oder Finger) aus dem entspannten Zustand vor oder während des Zusammendrückens der Scheibe oder Trommel ausgebogen werden, wenn das Prinzip nach Fig. 2 angewendet werden soll. Wenn die Membranen in ihrem entspannten Zustand in einer Radialebene liegen, stellt dies sicher, daß die Membranen 131, wenn die Scheibe zusammengedrückt wird, sich in einer bekannten Weise ausbiegen und nicht einige aufwärts und einige abwärts ausbiegen, und dadurch nach Beendigung des Schweißvorgangs und Wegnehmen der Druckkräfte möglicherweise unterschiedlich unter Spannung stehende und sogar verschieden geformte Membranen zurückbleiben.
Fig. 14 zeigt eine neue Konstruktion eines Blums 200, der eine Ausbiegung seiner inneren Tragkonstruktionen 201 zum Erzeugen einer radial auswärts gerichteten Kraft benutzt. Diese Tragkonstruktionen 201 sind in ihrem entspannten Zustand gewölbt. Während des Reibschweißens einer Schaufel an der Außenseite der Trommel werden die Konstruktionen 201 axial ausgelenkt, um sie in eine etwa radiale Ebene zu drücken, wie gestrichelt dargestellt ist. Infolgedessen steht der Blum mit einer etwa radial auswärts gerichteten Kraft unter Spannung, die in entgegengesetzter Richtung zu den radialen Druckkräften 140n nach Fig. 4 verlaufen.
Natürlich ist klar, daß jeder der vielen Aspekte der hier erläuterten Erfindung bzw. Erfindungen auch in Kombination mit anderen Aspekten der Erfindung bzw. Erfindungen eingesetzt werden kann.

Claims

1. Werkstückhalter zum Halten eines ringförmigen Werkstücks (90) während eines Reibschweißvorgangs, mit einem ersten, trommelartigen Klemmteil (95), dessen Inneres eine Kammer oder Aussparung zur Aufnahme des Werkstücks (90) bildet, und das zum Ergreifen eines Endes des Werkstücks ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

ein zweites Klemmteil (101) zum Ergreifen eines entgegengesetzen Endes des ringförmigen Werkstücks (90) vorgesehen ist und Klemmkraftmittel (100) vorgesehen sind, um das erste und das zweite Klemmteil (95, 101) gegeneinander zu spannen, um die entgegengesetzten Enden des Werkstücks (90) jeweils reibschlüssig zu ergreifen, und wobei das trommelartige Klemmteil (95) einen Sockel (99) aufweist, um das Werkstück (90) in einer Höhenposition innerhalb der Kammer zu ergreifen und abzustützen, derart, daß eine Schweißstelle (92) am Umfang des Werkstücks (90), an welchem radial wegragende Bauteile (90) anzuschweißen sind, zwischen den Klemmteilen (95, 101) zugänglich ist.

2. Werkstückhalter nach Anspruch 1, der außerdem Höheneinstellmittel (103) aufweist, um die Höhenposition des Werkstücks (90) innerhalb der Kammer des trommelartigen Klemmteils (95) einzustellen.

3. Werkstückhalter nach Anspruch 2, wobei die Höheneinstellmittel (103) einen Abstandhalter (98) aufweist, der zwischen dem einen Klemmteil und dem Werkstück (90) eingesetzt ist, wobei der Abstandhalter (98) aus einem Bereich möglicher Abstandhalter mit unterschiedlichen Höhen ausgewählt ist.

4. Werkstückhalter nach Anspruch 3, wobei die Höheneinstellmittel (103) eine höheneinstellbare Plattform aufweisen, die von dem einen Klemmteil gehaltert wird und einen Bereich möglicher Positionen aufweist.

5. Werkstückhalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der außerdem Verstärkungsmittel (133, 134) aufweist, um das ringförmige Werkstück (90) zu ergreifen und das Aufnehmen von im Gebrauch während eines Reibschweißvorgangs ausgeübten Kräften durch die Konstruktion zu unterstützen.

6. Werkstückhalter nach Anspruch 5, wobei die Verstärkungsmittel (133, 134) externe Druckerzeugungsmittel aufweisen, die für eine Anlage am Äußeren des Werkstücks (90) ausgebildet sind.

7. Werkstückhalter nach Anspruch 6, wobei die äußeren Druckerzeugungsmittel (133, 134) eine Mehrzahl von mit Abständen um das Werkstück herum angeordneten Mitteln zum Ausüben einer Radialkraft auf die Außenfläche des Werkstücks (90) umfassen.

8. Werkstückhalter nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Verstärkungsmittel (133, 134) Klemmteile aufweisen, die so angeordnet sind, daß sie das Werkstück (90) angrenzend an eine Schweißstelle (92) erfassen können.

9. Werkstückhalter nach Anspruch 5, wobei die Verstärkungsmittel (180) so ausgebildet sind, daß sie das Werkstück (90) innerhalb desselben erfassen.

10. Werkstückhalter nach Anspruch 9, der zum Verstärken eines Werkstücks (90) ausgebildet ist, das aus einem im wesentlichen zylindrischen äußeren besteht und mindestens einen inneren Ringraum (131) aufweist, der koaxial mit dem zylindrischen Äußeren verläuft, mit einer Verstärkungsmembran, die so ausgebildet ist, daß sie mindestens einen Ringraum (131) ergreift und eine axiale Vorspannkraft auf diesen Ringraum ausübt.

11. Werkstückhalter nach Anspruch 5, der zur Verstärkung eines Werkstücks (200) der in Rede stehenden Art ausgebildet ist und eine Mehrzahl von axial beabstandeten inneren Ringräumen (201) aufweist, der außerdem Mittel zum Indexieren der Verstärkungsmembran zum wahlweisen Ergreifen jedes der inneren Ringräume (201) aufweist.

12. Reibschweißmaschine zum Schweißen eines Bauteils an ein Werkstück (90), wobei das Bauteil (91) mit einer schweißdruckerzeugenden Kraft relativ gegen das Werkstück (90) gedrückt wird und eine zyklische reibungserzeugende Relativbewegung zwischen dem Bauteil (91) und dem Werkstück (90) zur Erzeugung von Schweißwärme erzeugt wird, mit einem Werkstückhalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Halten des Werkstücks (90).