DE69836827T2

DE69836827T2 - Verfahren und vorrichtung zum reibruehrschweissen

Info

Publication number: DE69836827T2
Application number: DE69836827T
Authority: DE
Inventors: Erik Karl KNIPSTRÖM; Anders Malm
Original assignee: ESAB AB
Current assignee: ESAB AB
Priority date: 1997-04-04
Filing date: 1998-04-03
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2018-04-04
Also published as: CN1103265C; NO994729D0; PL336211A1; PL185998B1; SE9701265D0; AU6862098A; KR100525625B1; NO994729L; DE69836827D1; NO323177B1; CA2285078A1; JP2001518848A; WO1998045080A1; CZ294721B6; EP1037725A1; CA2285078C; CZ348899A3; CN1251549A; US7150389B1; KR20010005919A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Reibrührschweißverfahren, gemäß dem die zu schweißenden Werkstücke auf einem Arbeitstisch positioniert und mittels Klemmmitteln aneinander und/oder an den Arbeitstisch geklemmt werden und gemäß dem rotierenden Schweißmittel so angeordnet sind, dass sie sich entlang einem Stoß zwischen den Werkstücken bewegen, während sie beim Schweißen gegen die Werkstücke gedrückt werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft gleichfalls eine Vorrichtung zum Reibrührschweißen, umfassend einen Arbeitstisch, der die zu schweißenden Werkstücke trägt, mindestens ein Klemmmittel zum Klemmen der Werkstücke aneinander und/oder an den Arbeitstisch und ein Schweißmittel, dass angepasst ist, um entlang eines Stoßes zwischen den Werkstücken vorgeschoben zu werden, während sie beim Schweißen gegen die Werkstücke gedrückt werden.
Die Definition Reibrührschweißen bezeichnet ein Schweißverfahren, gemäß dem die zusammen zu fügenden Werkstücke entlang ihrer Liniennaht durch die Zufuhr von Reibungswärme von einer rotierenden Schweißsonde plastiziert werden, wobei die Sonde entlang des Stoßes zwischen den Werkstücken bewegt wird, während sie zu der gleichen Zeit gegen die Werkstücke gedrückt wird. Wie beschrieben in WO93/10935 und WO95/26254 sollte die Schweißsonde aus einem Material hergestellt werden, das härter ist, als das der Werkstücke, und während des Schweißverfahrens sollten die Werkstücke jeweils aneinander und an den Arbeitstisch sicher befestigt sein. In dieser Hinsicht unterscheidet sich diese Technik von der der konventionellen Reibschweißung, gemäß der die Reibungswärme durch die jeweilige Bewegung der Werkstücke erzeugt wird, indem sie aneinander gepresst werden, d.h. die Reibungswärme wird nur durch die zwei aneinander zu fügenden Komponenten erzeugt. Diese Reibrührschweißtechnik gemäß den vorstehend erwähnten Publikationen wird für das Schweißen von verschiedenen Materialien verwendet, wie Plastik, Metall, et cetera in verschiedenartigen Anwendungsbereichen, zum Beispiel um Werkstücke zusammen zu fügen, um Risse in einem Werkstück zu reparieren, und so weiter. Die Auslegung der Schweißsonde ist festgesetzt z.B. durch das zu schweißende Material und durch die beabsichtigte Anwendung.
Bei Gasmetalllichtbogenschweißen und insbesondere bei Unterpulverschweißen, wenn die geschmolzenen Pools im Allgemeinen von erheblichen Dimensionen sind, wird oft ein Unterstützungsmittel verwendet, d.h. ein Unterstützungsbarren, welcher gegen die Rückseite des Stapels während des Schweißverfahrens gedrückt wird, um die Kanten des Stapels zu stützen, und um den geschmolzenen Pool vor dem Auslaufen zu schützen, während das vollständige Schweißeinbrandtiefestadium erreicht ist. Bei Konstruktion der Unterstützungsmittel sind thermische Überlegungen weitgehend entscheidend bei der Wahl von dem Unterstützungsmittelmaterial, besonders in dem Fall vom Schweißen von Aluminium. Der Kühlungseffekt auf den Stapel von dem Unterstützungsmittel darf nicht zu stark sein.
Gleichermaßen werden Unterstützungsmittel bei vollständigem Einbrandtiefeschweißen in Verbindung mit Reibrührschweißen ähnlich verwendet. In diesem Fall dient das Unterstützungsmittel als eine mechanische Stütze und bildet die untere Fläche von dem Stoß. Auch in diesem Fall kann das Unterstützungsmittel mit einer thermischen Barriere gegen einen darunter liegenden Unterstützungsbarren gebildet werden, um die in dem Schweißprozess erzeugte Reibungswärme besser auszunutzen.
Eines der Probleme, die bei Reibrührschweißen von schwer zu schweißenden Materialen, wie mit Magnesium, mit Lithium oder mit Kupfer legiertem Aluminium, angetroffen werden, ist dass, die während des Schweißverfahrens angewendeten Kräfte von so einem Ausmaß sind, dass es die Schweißsonde veranlasst nach einer vergleichsweise kurzen Schweißperiode als ein Ergebnis von Ermüdung zu brechen. Dies ist vor allem bei Werkstücken zutreffend, die eine Dicke von mehr als 5 mm besitzen.
Ein anders Problem ist die Erzeugung von kurzen aber tiefen Rissen in der Oberfläche des Unterstützungsmittels, besonders in der Querrichtung des Letzteren aufgrund thermischer Ermüdung. Da die Verbindung bzw. der Stoß infolge seiner Plastizität während des Schweißverfahrens die Erscheinung der Unterstützungsmitteloberfläche annehmen wird, werden diese Risse sich selbst als Vorsprünge auf der unteren Fläche des Stoßes manifestieren, und als ein Ergebnis wird die Verbindung unakzeptabel sein.
Ein weiteres Problem ist, dass die in schwer zu schweißenden Materialien erzeugte Reibungswärme unzureichend sein kann, und dass folglich vollständige Schweißeinbrandtiefe nicht erreicht wird, oder dass Fehlen oder Fusion geschieht.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reibrührschweißen zur Verfügung zu stellen, mittels welcher es möglich wird, die funktionsfähige Haltbarkeit der Schweißsonde wesentlich zu verlängern. Es ist gleichfalls wünschenswert, die Qualität der gebildeten Verbindung zu steigern, vorzugsweise durch Sicherstellung zuverlässiger Schweißeinbrandtiefe und vollständigem Verschmelzen gegenüber dem Grundwerkstoff, und zusätzlich dazu die Produktivität zu steigern.
Dieses Ziel wird gemäß der vorliegenden Erfindung mittels eines Reibrührschweißverfahrens von der in der Einleitung definierten Art erreicht, welches Verfahren durch die Merkmale des kennzeichnenden Abschnittes von Anspruch 7 gekennzeichnet ist. Der Anlauf des Schweißverfahrens ist angemessen überlegt, um der Moment zu sein, wenn die Schweißsonde in den Stoß abgesenkt wird.
Um diese Ziel zu erreichen, bietet die vorliegende Erfindung auch eine Vorrichtung der in der Einleitung kurz dargestellten Art zum Reibrührschweißen, welche Vorrichtung durch die Merkmale des kennzeichnenden Abschnitt von Anspruch 7 gekennzeichnet ist.
Aufgrund von der Lieferung von zusätzlicher Hitze zu dem Stoß zwischen den Werkstücken hinausgehend über die durch die Rotation des Schweißmittels erzeugte Reibungswärme und jegliche andere Hitze, die zu dem Stoß durch das Schweißmittel in einer anderen Weise geliefert werden kann, ist die Nutzungsdauer der Schweißsonde wesentlich verlängert. In Fällen, wenn der Stoß mittels eines darunter liegenden Unterstützungsmittels unterstützt ist, wird Rissbildung des Letzteren auch vorgebeugt, wenn Hitze zu dem Stoß durch das Unterstützungsmittel geliefert wird. Die Differenz ist ausgeprägt und ist eine Voraussetzung für das Schweißen von zum Beispiel etlichen Aluminiumlegierungen mit akzeptabler Wirtschaftlichkeit. Zusätzlich ist höhere Schweißqualität aufgrund von verbesserter Einbrandtiefe und sichereres Schweißen an den Grundwerkstoff erreicht und es wird auch möglich die Schweißgeschwindigkeit mit daraus folgender höherer Produktivität zu steigern.
Vorteilhaft modifizierte Abarten von diesem Verfahren und dieser Vorrichtung werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden detaillierter mit Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung, die eine Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, beschrieben.
Die in der Zeichnung gezeigte Vorrichtung 1 ist für das Zusammenschweißen zweier Werkstücke 2, 3 geplant, wobei das letztere z.B. fließgepresste Aluminiumprofilabschnitte sind.
Während des Schweißverfahrens sind die Werkstücke 2, 3 an den Arbeitstisch 7 durch Klemmmittel 5 und 6 jeweils gesichert. Die Klemmmittel 5 und 6 bestehen jeweils aus einem Kompressionszylinder. Der vorliegende Arbeitstisch ist ein horizontaler Maschinentisch 7a, an welchem ein Unterstützungsmittel 7b mittels eines Unterstützungsbarrens 7d in der Form eines Doppel-T-Trägers fest gesichert ist und welcher durch einen festen, steifen Rahmen 7c gestützt wird. Das Unterstützungsmittel 7b ist mit einer Auskehlung 60 gebildet, die sich in der Längsrichtung der Abstützung erstreckt, wobei die Auskehlung eine Heizspule in der Form eines Heizkabels 70 darin aufgenommen hat.
Der Stoß zwischen den Werkstücken 2, 3 ist in Abgleich mit der Längsachse des Unterstützungsmittel platziert. Das Unterstützungsmittel unterstützt auch die Kanten des Stoßes und bewahrt das plastizierte Material vor dem Wegfließen bei der Erlangung von vollständiger Schweißeinbrandtiefe.
Das Schweißen wird mittels eines Schweißmittels in der Form von einer Schweißsonde 12 und einer Rotationsspindel 13 ausgeführt. Die Schweißsonde besteht aus einem zylindrischen Körper 12a, der daran einen zylindrischen Stift 12b angefügt hat, von welchem der Umfang kleiner ist als der des Sondenkörpers. Wegen dieser Anordnung wird der untere Teil des zylindrischen Körpers über den oberen Teil des Stiftes herausragen. Im Folgenden wird der untere Teil des Körpers als die Schulter des Körpers bezeichnet werden und, wie es von der Zeichnung sichtbar wird, grenzt die Schulter gegen die oberen Flächen der Werkstücke 2, 3 in der normalen Position der Schweißsonde an. Der Schweißsondenkörper und der Stift können zum Beispiel in Übereinstimmung mit einer der in WO93/10935 oder in WO95/26254 gezeigten Ausführungsformen konfiguriert werden. Der obere Teil des Körpers 12a ist mit der Rotationsspindel 13 verbunden, welche durch eine Antriebseinheit, nicht gezeigt, wie ein Antriebsmotor betrieben wird.
Die Werkstücke 2, 3 sind zuerst in der Vorrichtung 1 mittels der Klemmmittel 5, 6 gesichert, wobei Acht genommen wird, dass der Luftspalt, d.h. der Stoß zwischen den zugewandten Endkanten der Profilabschnitte nicht die Dimensionen übersteigt, die für die Ursache verantwortlich sind, eine unzureichende Schweißnaht zu bilden. Wie es aus der Zeichnung sichtbar wird, ist der Spalt in Abgleich mit der Längsachse c des Unterstützungsmittels 7b platziert. Das Unterstützungsmittel wird dann mittels des eingebauten Heizkabels 70 vorgeheitzt bis die Temperatur des Unterstützungsmittels in dem Bereich von 150–250°C ist. Dieser Temperaturbereich wird durch traditionelle Mittel gemessen, zum Beispiel durch einen Temperatursensor, nicht gezeigt. Anschließend wird das Aufheizen von dem Unterstützungsmittels und so von dem Stoß, das Schweißverfahren durch die Schweißsonde eingeleitet, die gemacht ist, um in einer bestimmten Geschwindigkeit zu rotieren, während sie sich zu der gleichen Zeit entlang des Spaltes in einer vorbestimmten Geschwindigkeit vorschiebt. Wie anfangs beschrieben werden die Endkanten der Profilabschnitte durch die während dieses Prozesses erzeugte Reibungswärme plastiziert.
Der resultierende geschweißte Stoß, wenn fest geworden, ist ein homogener, hochfester Stoß.
Es sollte offensichtlich sein, dass die Erfindung nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen begrenzt ist, aber in einer Zahl von unterschiedlichen Arten innerhalb des Bereiches der abhängigen Ansprüche modifiziert werden kann. Zum Beispiel kann das Unterstützungsmittel 7b durch ein zu der Auskehlung 60 geliefertes Erhitzungsfluid oder durch indirekte Lieferung von Elektrizität, anstelle mittels eines in die Auskehlung eingebauten Hitzekabels 70, erhitzt werden. Anstatt Erhitzung des Stoßes über das Unterstützungsmittel, kann der Stoß durch ein Erhitzungselement erhitzt werden, wie ein unterhalb des Stoßes oder in Kontakt mit den Seiten des Stoßes positionierter Gasbrenner. Induktionserhitzung ist ein anderes mögliches Verfahren zur Lieferung der zusätzlichen Hitze. Die Vorrichtung kann natürlich zum Zusammenschweißen von Werkstücken aus anderen Metallen oder Metalllegierungen als Aluminium, wie z.B. Titan oder Stahl, verwendet werden. Wenn die Vorrichtung verwendet wird, um Titan- oder Stahlwerkstücke zusammen zu schweißen, sollte das Unterstützungsmittel zu Temperaturen in dem Bereich von 500–1000°C erhitzt werden.

Claims

Verfahren zum Reibrührschweißen gemäß dem die zu schweißenden Werkstücke (2, 3) auf einem Arbeitstisch (7) positioniert und mittels Klemmmitteln (5, 6) aneinander und/oder an den Arbeitstisch geklemmt werden und gemäß dem rotierende Schweißmittel (12, 13) so angeordnet sind, dass sie sich entlang einem Stoß zwischen den Werkstücken bewegen, während sie beim Schweißen gegen die Werkstücke gedrückt werden, wobei dem Stoß vor dem und/oder während des Schweißvorgang(s) zusätzliche Wärme zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Wärme über die Reibungswärme, die in dem Stoß aus der Drehung der Schweißmittel (12, 13) erzeugt wird, hinaus zugeführt wird, und über irgendeine andere Wärme hinaus, die dem Stoß vielleicht auf irgendeine andere Weise durch die Schweißmittel (12, 13) zugeführt wird, wobei die zusätzliche Wärme den Stoß auf eine Temperatur von bis zu 250°C unter der Schmelztemperatur des Materials des Stoßes vorwärmt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoß durch ein Heizelement erwärmt wird, das unter dem Stoß positioniert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoß durch darunter liegende Unterlagemittel (7b) gestützt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterlagemittel auf eine Temperatur im Bereich von 150–250°C erwärmt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterlagemittel auf eine Temperatur im Bereich von 500–1000°C erwärmt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterlagemittel (7b) durch eine Heizspule (70) erwärmt werden, die in die Unterlagemittel eingebaut ist.
Vorrichtung (1) zum Reibrührschweißen, die einen Arbeitstisch (7), der die zu schweißenden Werkstücke (2, 3) stützt, mindestens ein Klemmmittel (5, 6), um die Werkstücke aneinander und/oder an den Arbeitstisch zu klemmen, und Schweißmittel (12, 13), die so angepasst sind, dass sie entlang einem Stoß zwischen den Werkstücken vorgeschoben werden, während sie beim Schweißen gegen die Werkstücke gedrückt werden, umfasst, und die gekennzeichnet ist durch ein Heizelement (70) zum Zuführen zusätzlicher Wärme vor dem und/oder während des Schweißvorgang(s) zum Stoß, über die Reibungswärme hinaus, die in dem Stoß aus der Drehung der Schweißmittel (12, 13) erzeugt wird, und über irgendeine andere Wärme hinaus, die dem Stoß vielleicht auf irgendeine andere Weise durch die Schweißmittel zugeführt wird, wobei das Heizelement (70) im Gebrauch so angepasst ist, dass es den Stoß auf eine Temperatur von bis zu 250°C unter der Schmelztemperatur des Materials des Stoßes vorwärmt, und wobei das Heizelement unter dem Stoß positioniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Unterlagemittel (7b), die unter dem Stoß positioniert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterlagemittel (7b) so angepasst sind, dass sie durch das Heizelement (70) erwärmt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement eine Heizspule (70) ist, die in die Unterlagemittel (7b) eingebaut ist.