EP3259094A1 - VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM REIBSCHWEIßEN - Google Patents

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM REIBSCHWEIßEN

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EP3259094A1
EP3259094A1 EP16708090.2A EP16708090A EP3259094A1 EP 3259094 A1 EP3259094 A1 EP 3259094A1 EP 16708090 A EP16708090 A EP 16708090A EP 3259094 A1 EP3259094 A1 EP 3259094A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
friction
workpieces
phase
friction welding
during
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16708090.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Manfred Menzinger
Stefan Ohm
Andreas Klett
Walter Weh
Erwin VÖTTERL
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KUKA Deutschland GmbH
Original Assignee
KUKA Industries GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KUKA Industries GmbH filed Critical KUKA Industries GmbH
Publication of EP3259094A1 publication Critical patent/EP3259094A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B23K20/227—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating taking account of the properties of the materials to be welded with ferrous layer
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    • B23K2103/18—Dissimilar materials

Definitions

  • the invention relates to a method and apparatus for friction welding of workpieces having the features in the preamble of the process and
  • Such methods and devices for friction welding are known in practice. They are used for workpieces with relatively small diameters. In the friction phase, a constant friction pressure is used.
  • the invention solves this problem with the features in the method and device main claim.
  • a basic aspect of the invention provides that the
  • the pressing device of the friction welding device can be controlled accordingly.
  • the pressure range with the increase of initially about 5 N / mm 2 to 80 N / mm 2 is particularly favorable.
  • the features in the subclaims may relate to said basic aspect. They have particular advantages in connection with the specified pressure ranges, whereby they can also be used for other pressure ranges and thus combined.
  • Device for friction welding have the advantage that by changing and increasing the friction pressure during the friction phase, the heat conditions and heat influences in the process can be additionally and better controlled and optimized.
  • the heat input and the temperature profile close to the contact and
  • Cooling speed can be positively influenced.
  • Cooling rate such hardening and dynamic strength problems can be avoided or at least substantially reduced.
  • the friction pressure increase can be attributed to the heating and cooling properties of the
  • Carbon content is beneficial.
  • a Reibffyerhöhung can be done stepwise or staircase-like.
  • wave-like pressure fluctuations during the Reibdruckerhöhung are possible. It has also been found to be favorable when the friction pressure is changed and increased during most or all of the friction phase. In particular, from an initially low pressure level out of the
  • the claimed Reibsch bulktechnik has other advantages. In particular, it allows the friction welding of
  • the workpieces may have a frictional diameter of 200 mm or more, preferably 500-650 mm.
  • the workpieces may, during the rubbing phase (R) at the point of contact, e.g. with a
  • Peripheral speed of 5 m / sec or more, preferably 12-17 m / sec, are rotated relative to each other.
  • the friction pressure (p) and the drive speed can be adjusted and adjusted accordingly during the duration of the friction phase (R).
  • the low initial pressure causes the still rigid contacting
  • the workpieces are advantageously designed as tubes or have at least one tubular section in the region of the friction-welded connection.
  • Friction welding machine can start.
  • the friction welding pressure can then be gradually increased, the
  • connection area is a preferably slow Reibdruckanmaschinent and a high peripheral speed only a narrow contact and Liquefied connection area, whereby also melted material particles can be ejected. This is a heat loss and a homogenization of workpiece heating and a reduction of the
  • the friction welding device may have a control, with the implementation of the claimed method, a pressing device and a rotating device of the
  • Friction welding device are driven accordingly.
  • the controller can be programmable and can
  • a friction welding program in particular, include a friction welding program.
  • a technology database may be associated with which the friction welding parameters for a wide variety of
  • Reibsch usage screwmessern are formed as tubes. They are fastened in a workpiece holder in a suitable manner, in particular by means of a clamping device. For the transmission of high torque large radial clamping pressures are required, which load the workpiece.
  • the claimed arrangement of a support device supports these clamping pressures and avoids deformations of the workpiece.
  • the claimed Reibsch bulktechnik is especially for a rotating and circumferential relative movement of the workpieces of advantage. It can alternatively be used with appropriate adaptation in other friction welding techniques and kinematics of relative movement, in which, for example, the
  • Relative movement is oscillating and / or a linear component of motion and / or a pendulum motion or the like is present. in the subclaims are further advantageous
  • Figure 2 a diagram for the speed
  • Figure 3 a diagram for the speed
  • the invention relates to a method and a device (1) for the friction welding of workpieces (2, 3).
  • the workpieces (2, 3) can be of any type and size and can be made of any kind suitable for friction welding
  • the workpieces are designed as tubes or have at least one tubular section in the region of the friction-welded connection.
  • the workpieces (2,3) made of metal.
  • they are made of steel with a higher carbon content, which tends to harden at a higher cooling rate.
  • the workpieces (2, 3) can consist of the same or a different material.
  • Melting temperature and the thermal conductivity may be present.
  • the workpieces (2,3) have a very large effective diameter at the contact and connection point (4). This diameter is 200 mm or more.
  • the contact and connection point (4) This diameter is 200 mm or more.
  • Diameter over 350 mm more preferably in the range between 500 mm and 650 mm.
  • the workpieces (2, 3) to be joined are moved axially against one another along a central process axis (8) and pressed against them
  • Process axis (8) relative to each other and rotated circumferentially.
  • the workpieces (2, 3) are pressed axially against one another at the contact and connection point (4) with a certain friction pressure (p). Due to the frictional resistance, heat in the contact and
  • the workpieces (2, 3) are axially distanced, whereby the rotational movement of the one workpiece (2) starts. Then the workpieces (2,3) are axially approximated and brought into touching contact during feed, wherein by the axial pressure force (F) at the peripheral contact and connection region (4) a
  • Friction pressure (p) is applied.
  • a flying start of the feed takes place in the already rotating workpiece (2).
  • the beginning of the pressure increase with workpiece contact signals the actual position to
  • the zero position is for the control of the
  • the workpieces (2, 3) can first be brought into touching contact without relative rotation in order to detect the said zero position and the actual position via the increase in pressure. Then they are again distanced a piece, the relative rotation starts and at the same time the axial feed takes place. In both variants, the target speed (n) is reached when touched.
  • the friction phase (R) starts in which the workpiece edges at the contact and connection area (4) under the friction pressure (p) are plasticized by the heat and optionally a
  • FIG. 3 shows a diagram of the course of the friction pressure (p) and of the rotational speed (n) according to the known prior art in an application for large diameters and conventional friction
  • Peripheral speeds of about 3 m / sec. with a correspondingly dimensioned friction welding device The friction pressure (p) is already very high at the beginning of the friction phase (R) and remains constant during the friction phase.
  • a conventional pressure value is for example about 80 N / mm 2 .
  • the nominal or rated speed (n) is also constant after a start phase and is approx. 100 rpm.
  • Such a friction welding method with the conventional welding parameters (p, n) requires a very strong rotary drive and an oversized
  • the friction-effective diameter of the workpieces (2,3) is 560 mm.
  • the friction pressure (p) is significantly lower than in the prior art. It is for example at about 5 N / mm 2 . It initially stays at this low level for a certain amount of time and then ramps up and linearly up to a friction pressure of eg 80 N / mm 2 at the end of the friction phase (R).
  • the offset or the time delay up to the beginning of the pressure increase can with the start phase to
  • Friction pressure (p). At the end of the friction phase (R), the friction pressure is approximately the same as in the prior art according to FIG. 3.
  • Friction welding also the rated speed (s) of the
  • Rotary drive (6) higher than in the prior art of Figure 3. It is about 500 U / min. After completion of the start phase, it also remains constant until the end of the friction phase (R) and then preferably abruptly
  • the target ⁇ or rated speed (n) at the contact and connection area (4) has a peripheral speed of about 14.4 m / sec. It is much higher than in the prior art, where it is about 1 to 5 m / sec.
  • the friction pressure (p) is increased in a range between about 4 N / mm 2 and 100 N / mm 2 in the friction phase.
  • the friction pressure (p) is preferably continuously or continuously changed and increased.
  • the pressure increase can also be in a non-linear curve function
  • Connection area (4) vary. They are preferably at or above 5 m / sec. A range between 12 and 17 m / sec is preferred.
  • the specified speed (n) can be
  • two workpieces (2,3) are friction welded.
  • double-head friction welding machines are possible in which three or more workpieces are friction-welded together in one process.
  • the rotating device (6) has in the shown
  • a drive motor which rotates the arranged on a spindle workpiece holder (10) to the process axis (8).
  • This can be a direct drive or an intermediate gear drive.
  • the rotating device (6) may further comprise a braking device.
  • the rotary drive can be designed as a flywheel drive, in which the drive motor sets a flywheel in rotation about the process axis (8), which then in
  • Friction welding process brings the required kinetic energy.
  • the drive motor is in different
  • Embodiments preferably designed as a controllable and possibly adjustable electric motor. He can as
  • the pressing device (7) ensures the axial approach of the workpieces (2, 3) over the path (s) and the pressing force or friction force (F) acting thereby.
  • Pressing device (7) can be designed and arranged in any suitable manner for this purpose. It can generate axial tensile or compressive forces. In the illustrated and preferred embodiment, it is designed as a feed device (14). This has a feed drive (15) for the advance of the feed device (14).
  • the feed drive is e.g. designed as a hydraulic cylinder. Alternatively, as another linear drive, in particular as an electric spindle drive or the like. be educated.
  • the feed drive (15) is controllable and also controllable in conjunction with a suitable force and / or wegetzmden sensor.
  • the e.g. stationary on the frame (5) arranged and supported feed drive (15) by means of a rod-like feed member on an axially movable on the frame (5) mounted bracket (16).
  • the workpiece holder (11) is fixedly or releasably attached to the holder (16).
  • the workpiece holders (10,11) can in any order
  • Embodiments they are equipped with a clamping device (12), which respectively clamps the workpiece (2,3) radially from the outside or inside.
  • the clamping device (12) which respectively clamps the workpiece (2,3) radially from the outside or inside.
  • Clamping device (12) may e.g. have a chuck with two or more radially adjustable jaws.
  • a support device (13) can be arranged on a workpiece (2, 3) which opposes and counteracts the clamping device (12), wherein it supports the clamping forces and the workpiece (2, 3).
  • the support means (13) is e.g. arranged in the rotating workpiece (2), but can also be located on both or all workpieces (2,3). It can through the cavity of the workpiece (2,3) with the respective
  • the friction welding device (1) has a preferably programmable logic controller (9) which is connected to the various machine components,
  • the controller (9) controls the friction welding device (1) and its components in a corresponding manner to
  • Embodiments and variants are arbitrarily combined with each other and possibly also reversed.
  • Double-head friction welding devices are
  • one of the pressing device (7) advanced support (16) include a rotary drive (6), wherein between the rotating workpieces one or more further and preferably relatively non-rotatably held workpieces are arranged.
  • Pressing device (7) can also axially with both sides be connected to movable machine heads and move them axially and against each other and against a central support for a third or more workpieces.
  • a pressing device (7) can also be modified from FIG. 1 in a single-head friction welding machine
  • a feed device (14) are formed by cylinder with Gehauseanitati on this axially movable machine head or headstock.
  • the friction welding device (1) can in particular also be designed as a double single-head friction welding machine which has a common central and stationary support device or holder (16) with workpiece holders (11) on both sides and a mirror-image arrangement of
  • a pressing device (7) can in this and in other embodiments on the stationary or axial shown in Figure 1

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Reibschweißen von Werkstücken (2,3), die in einer Reibphase (R) unter Reibkontakt und mit einem Reibdruck (p) in einer Relativdrehung um eine Prozessachse (8) durch Reibungswärme plastifiziert und verschweißt werden. Der durch einen axialen Vorschub des einen Werkstücks (3) aufgebrachte Reibdruck (p) wird während der Dauer der Reibphase (R) vorzugsweise rampenformig verändert und erhöht.

Description

BESCHREIBUNG
Verfahren und Vorrichtung zum Reibschweißen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reibschweißen von Werkstücken mit den Merkmalen im Oberbegriff des Verfahrens- und
Vorrichtungshauptanspruchs .
Derartige Verfahren und Vorrichtungen zum Reibschweißen sind aus der Praxis bekannt. Sie werden für Werkstücke mit relativ kleinen Durchmessern eingesetzt. In der Reibphase wird mit einem konstanten Reibdruck gearbeitet.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
verbesserte Reibschweißtechnik aufzuzeigen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Verfahrens- und Vorrichtungshauptanspruch.
Ein Grundaspekt der Erfindung sieht vor, dass der
Reibdruck (p) während der Dauer der Reibphase (R)
verändert und erhöht wird. Die Andrückeinrichtung der Reibschweißvorrichtung kann entsprechend gesteuert werden. Der angegebene Druckbereich mit der Veränderung und
Erhöhung zwischen ca. 4 N/mm2 und 100 N/mm2 ist
vorteilhaft. Der Druckbereich mit der Steigerung von anfänglich ca. 5 N/mm2 auf 80 N/mm2 ist besonders günstig. Alternativ kann es unter dem besagten Grundaspekt andere Druckbereiche, insbesondere höhere Endwerte des Reibdrucks geben. Die Merkmale in den Unteransprüchen können sich auf den besagten Grundaspekt beziehen. Sie haben in Verbindung mit den spezifizierten Druckbereichen besondere Vorteile, wobei sie auch für andere Druckbereiche einsetzbar und damit kombinierbar sind. Die Reibschweißtechnik, d.h. das Verfahren und die
Vorrichtung zum Reibschweißen, haben den Vorteil, dass durch die Veränderung und Erhöhung des Reibdrucks während der Reibphase die Wärmebedingungen und Wärmeeinflüsse im Prozess zusätzlich und besser gesteuert und optimiert werden können. Insbesondere kann durch den erst während der Reibphase ansteigenden Reibdruck die Wärmeeinbringung und das Temperaturprofil nahe an der Kontakt- und
Verbindungsstelle zwischen den Werkstücken derart
beeinflusst werden, dass die sich auf die Aufhärtung auswirkende Maximaltemperatur und die
Abkühlgeschwindigkeit positiv beeinflusst werden können.
Eine Verringerung der in den Bauteilen auftretenden
Maximaltemperatur hat Vorteile für die Gefügeausbildung bei metallischen Werkstücken, insbesondere solchen aus Stahl mit einem höheren Kohlenstoffanteil , die bei höherer Abkühlgeschwindigkeit zum Aushärten und Verspröden neigen. Letzteres kann vor allem für reibgeschweißte Bauteile mit dynamischer Beanspruchung ungünstig für die Festigkeit und die Lebensdauer sein. Mit der verringerten
Abkühlgeschwindigkeit können solche Aufhärtungen und dynamischen Festigkeitsprobleme vermieden oder zumindest wesentlich gemindert werden. Der Reibdruckanstieg kann dabei an die Erwärmungs- und Abkühleigenschaften der
Werkstückmaterialien angepasst werden.
Es hat sich als günstig herausgestellt, wenn der Reibdruck während der Reibphase stetig oder kontinuierlich erhöht wird. Dies kann in Form einer linearen Rampe erfolgen, was insbesondere bei Werkstücken aus Stahl mit höherem
Kohlenstoffgehalt von Vorteil ist. Alternativ kann eine Reibdruckerhöhung stufenweise oder treppenartig erfolgen. Ferner sind wellenartige Druckschwankungen während der Reibdruckerhöhung möglich. Es hat sich ferner als günstig herausgestellt, wenn der Reibdruck während des größten Teils oder der gesamten Reibphase verändert und erhöht wird. Insbesondere kann von einem anfänglich niedrigen Druckniveau aus der
Druckanstieg verzögert bzw. mit einem zeitlichen Offset einsetzen. Am Ende der Reibphase ist der Reibdruck höher als am Anfang.
Die beanspruchte Reibschweißtechnik hat weitere Vorteile. Insbesondere ermöglicht sie das Reibschweißen von
Werkstücken mit einem deutlich größeren reibwirksamen Durchmesser an der Kontakt- und Verbindungsstelle als bisher üblich. Die Werkstücke können einen reibwirksamen Durchmesser von 200 mm oder mehr, bevorzugt 500 - 650 mm, haben.
Außerdem kann mit einer hohen Drehzahl und einer gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöhten
Umfangsgeschwindigkeit bei der Relativbewegung der
Werkstücke an der Kontakt- und Verbindungsstelle
gearbeitet werden. Die Werkstücke können während der Reibphase (R) an der Kontaktstelle z.B. mit einer
Umfangsgeschwindigkeit von 5 m/sec oder mehr, bevorzugt 12 - 17 m/sec, relativ zueinander gedreht werden. Der Reibdruck (p) und die Antriebsdrehzahl können während der Dauer der Reibphase (R) entsprechend abgestimmt und angepasst sein. Die Reibscheißvorrichtung kann
entsprechend gesteuert werden. Der niedrige Anfangsdruck bewirkt bei den noch starren kontaktierenden
Werkstückrändern einen entsprechend geringen
Reibwiderstand. Mit zunehmender Reiberwärmung und
Plastifizierung der Werkstückränder kann der Reibdruck erhöht werden. Die Werkstücke sind vorteilhafterweise als Rohre ausgebildet oder haben zumindest einen rohrförmigen Abschnitt im Bereich der Reibschweißverbindung. Durch die beanspruchte Reibdruckerhöhung können schwächere Drehantriebe der Reibschweißvorrichtung eingesetzt oder alternativ Werkstücke mit einem deutlich vergrößerten Durchmesser an der Kontakt- und Verbindungsstelle
reibgeschweißt werden. Bei der vorbekannten
Reibschweißtechnik mit dem sehr hohen anfänglichen und während der Reibphase konstant bleibenden Reibdruck wäre bei Werkstücken mit großen Reibschweißdurchmessern das Widerstandsmoment zu hoch für normale Drehantriebe, so dass solche Werkstücke entweder nicht reibgeschweißt werden können oder hierfür eine sehr spezielle und
überdimensionierte Reibschweißvorrichtung erforderlich ist . Durch die beanspruchte Reibdruckerhöhung beginnend mit einem deutlich niedrigeren Anfangsdruck kann das
Widerstandsmoment zu Beginn der Reibphase soweit gemindert werden, dass der Drehantrieb einer konventionellen
Reibschweißmaschine anlaufen kann. Der Reibschweißdruck kann dann allmählich erhöht werden, wobei das
Schwungmoment des laufenden Drehantriebs und/oder der Massen ausreicht, um den erhöhten Widerstand zu überwinden und die für die Reiberwärmung der Werkstücke erforderliche Relativdrehung und Wärmeeinbringung aufrechtzuerhalten. In der Anlaufphase kann es ferner günstig sein, den niedrigen Reibdruck zunächst eine gewisse Zeit konstant zu halten und dann erst zu erhöhen. Hierbei ist ebenfalls eine lineare Rampenfunktion vorteilhaft. Bei der erfindungsgemäßen Reibschweißtechnik kann trotz der großen Werkstückdurchmesser mit einer hohen Drehzahl von z.B. ca. 500 U/min gearbeitet werden. Dies führt wegen der Durchmessergröße zu deutlich höheren
Umfangsgeschwindigkeiten am Kontakt- und
Verbindungsbereich. Vorteilhafterweise wird mit einem bevorzugt langsamen Reibdruckanstieg und einer hohen Umfangsgeschwindigkeit nur ein schmaler Kontakt- und Verbindungsbereich verflüssigt, wobei auch angeschmolzene Werkstoffpartikel ausgeschleudert werden können. Damit gehen ein Wärmeaustrag und eine Vergleichmäßigung der Werkstückerwärmung sowie eine Minderung der
Maximaltemperatur am Kontakt- und Verbindungsbereich einher. Diese Effekte sind günstig für den
Reibschweißprozess und den Wärme- und Energiehaushalt sowie die vorteilhafte gleichmäßige Material- und
Gefügeausbildung im reibgeschweißten Verbindungsbereich. Auch die vorerwähnte Abkühlgeschwindigkeit und das
Vermeiden von Aushärtungen und Versprödungen wird durch diesen Effekt positiv unterstützt.
Die Reibschweißvorrichtung kann eine Steuerung aufweisen, mit der zur Umsetzung des beanspruchten Verfahrens eine Andrückeinrichtung und eine Dreheinrichtung der
Reibschweißvorrichtung entsprechend angesteuert werden. Die Steuerung kann programmierbar sein und kann
insbesondere ein Reibschweißprogramm beinhalten. Ferner kann eine Technologie-Datenbank hinzugeordnet sein, welche die Reibschweißparameter für unterschiedlichste
Werkstückpaarungen oder Berechnungsgrundlagen für die Generierung und Berechnung solcher Reibschweißparameter enthält. Zudem kann eine Steuerung bzw. Regelung der axialen Vorschubwege und der Reibschweißverkürzungen sowie der Gesamtlänge des fertigen Schweißteils erfolgen.
Die Werkstücke, insbesondere solche mit sehr großen
Reibschweißdurchmessern, sind als Rohre ausgebildet. Sie werden in einer Werkstückaufnahme in geeigneter Weise befestigt, insbesondere mittels einer Spanneinrichtung. Für die Übertragung der hohen Momente sind große radiale Spanndrücke erforderlich, die das Werkstück belasten. Die beanspruchte Anordnung einer Stützeinrichtung stützt diese Spanndrücke ab und vermeidet Verformungen des Werkstücks. Die beanspruchte Reibschweißtechnik ist vor allem für eine drehende und umlaufende Relativbewegung der Werkstücke von Vorteil. Sie kann alternativ mit entsprechender Anpassung bei anderen Reibschweißtechniken und Kinematiken der Relativbewegung eingesetzt werden, bei denen z.B. die
Relativbewegung oszillierend ist und/oder eine lineare Bewegungskomponente und/oder eine Pendelbewegung oder dergleichen vorhanden ist. in den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft und schematisch dargestellt. Im Einzelnen zeigen:
Figur 1 : eine Reibschweißvorrichtung
schematischen Darstellung,
Figur 2 : ein Diagramm für den Drehzahl- und
Reibdruckverlauf über der Zeit gemäß
Erfindung und
Figur 3: ein Diagramm für den Drehzahl- und
Reibdruckverlauf nach dem Stand der Technik.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (1) zum Reibschweißen von Werkstücken (2,3) .
Die Werkstücke (2,3) können von beliebiger Art und Größe sein und können aus beliebigen reibschweißgeeigneten
Werkstoffen bestehen. Vorzugsweise sind die Werkstücke als Rohre ausgebildet oder haben zumindest einen rohrförmigen Abschnitt im Bereich der Reibschweißverbindung. Vorzugsweise bestehen die Werkstücke (2,3) aus Metall. In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen bestehen sie aus Stahl mit einem höheren Kohlenstoffgehalt , der bei einer höheren Abkühlgeschwindigkeit zum Aufhärten neigt.
Grundsätzlich können die Werkstücke (2,3) aus dem gleichen oder einem unterschiedlichen Material bestehen.
Unterschiede können insbesondere hinsichtlich der
Schmelztemperatur und der Wärmeleitfähigkeit vorhanden sein. Beispielsweise können Werkstoffpaarungen von Stahl mit Gusswerkstoffen, insbesondere Metallguss mit
Grafiteinlagerungen, aus Eisen- und Nichteisenmetallen und dgl . reibgeschweißt werden. Außerdem sind nichtmetallische Reibschweißpartner möglich. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel haben die Werkstücke (2,3) einen sehr großen reibwirksamen Durchmesser an der Kontakt- und Verbindungsstelle (4) . Dieser Durchmesser beträgt 200 mm oder mehr. Vorzugsweise liegt der
Durchmesser über 350 mm, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 500 mm und 650 mm.
Zum Reibschweißen werden die zu verbindenden Werkstücke (2,3) entlang einer zentralen Prozessachse (8) axial gegeneinander bewegt und angedrückt sowie um die
Prozessachse (8) relativ zueinander und umlaufend gedreht. Bei der Relativdrehung werden die Werkstücke (2,3) an der Kontakt- und Verbindungsstelle (4) mit einem bestimmten Reibdruck (p) axial gegeneinander gedrückt. Durch den Reibwiderstand wird Wärme in die Kontakt- und
Verbindungsstelle (4) eingebracht, die zur Aufheizung und zum Anschmelzen der Werkstücke (2,3) in diesen Bereich führt. Anschließend werden die Werkstücke (2,3) mit einem Stauchhub zusammengepresst , wobei die Relativdrehung zuvor oder gleichzeitig beendet wird.
Zu Beginn des Reibschweißprozesses sind die Werkstücke (2,3) axial distanziert, wobei die Drehbewegung des einen Werkstücks (2) startet. Dann werden die Werkstücke (2,3) beim Vorschub axial angenähert und in Berührungskontakt gebracht, wobei durch die axiale Andrückkraft (F) am umlaufenden Kontakt- und Verbindungsbereich (4) ein
Reibdruck (p) aufgebracht wird. Bei dieser Variante erfolgt ein fliegender Start des Vorschubs in das bereits drehende Werkstück (2) . Der Beginn des Druckanstieges bei Werkstückkontakt signalisiert die Ist-Lage der zu
verschweißenden Werkstückstirnränder und wird in der
Auswertung als sog. Null-Position gespeichert. Die Null- Position ist für die Steuerung bzw. Regelung der
Vorschubwege und der gewünschten Endlänge des Schweißteils sowie der Werkstückverkürzungen bedeutsam. In einer anderen Variante können die Werkstücke (2,3) zunächst ohne Relativdrehung in Berührungskontakt gebracht werden, um über den Druckanstieg die besagte Null-Position und die Ist-Lage zu detektieren. Anschließend werden sie wieder ein Stück distanziert, wobei die Relativdrehung startet und zugleich der axiale Vorschub erfolgt. In beiden Varianten ist bei Berührungskontakt die Soll- Drehzahl (n) erreicht.
Ab dem Berührungskontakt mit Relativdrehung startet die Reibphase (R) , in der die Werkstückränder am Kontakt- und Verbindungsbereich (4) unter dem Reibdruck (p) durch die Wärme plastifiziert werden und gegebenenfalls ein
Reibwulst radial an der Stelle (4) ausgeformt wird und die Werkstücke (2,3) entsprechend weiter axial aneinander angenähert werden. Am Ende der Reibphase kann die
Relativdrehung bzw. das drehende Werkstück (2,3)
abgebremst werden, wobei gleichzeitig oder kurz danach die axiale Andrückkraft (F) bei einem sogenannten Stauchhub deutlich erhöht wird.
Figur 3 zeigt hierzu ein Diagramm für den Verlauf des Reibdrucks (p) und der Drehzahl (n) gemäß des vorbekannten Standes der Technik bei einer Applikation für große reibwirksame Durchmesser und üblichen
Umfangsgeschwindigkeiten von ca. 3 m/sec. mit einer entsprechend dimensionierten Reibschweißvorrichtung. Der Reibdruck (p) ist gleich zu Beginn der Reibphase (R) schon sehr hoch und bleibt während der Reibphase konstant . Ein konventioneller Druckwert liegt z.B. bei ca. 80 N/mm2. Die Soll- oder Nenn-Drehzahl (n) ist nach einer Startphase ebenfalls konstant und liegt bei ca. 100 U/min. Ein solches Reibschweißverfahren mit den konventionellen Schweißparametern (p,n) erfordert einen sehr starken Drehantrieb und eine überdimensionierte
Maschinenauslegung . Das Diagramm von Figur 2 verdeutlicht das erfindungsgemäße Reibschweißverfahren. Das gezeigte Ausführungsbeispiel bezieht sich dabei auf Werkstücke (2,3) aus Stahl, bei denen zumindest ein Werkstück (2,3) einen erhöhten
Kohlenstoffgehalt hat und aufhartungsanfällig ist. Der reibwirksame Durchmesser der Werkstücke (2,3) beträgt 560 mm . Zu Beginn der Reibphase (R) ist der Reibdruck (p) deutlich niedriger als beim Stand der Technik. Er liegt z.B. bei ca. 5 N/mm2. Er bleibt anfänglich über eine gewisse Zeit auf diesem niedrigen Niveau und steigt anschließend rampenförmig und linear bis zu einem Reibdruck von z.B. 80 N/mm2 am Ende der Reibphase (R) an.
Der Offset bzw. die zeitliche Verzögerung bis zu Beginn des Druckanstieges kann mit der Startphase bis zum
Erreichen der Soll- oder Nenn-Drehzahl (n) korrelieren. Sobald die Soll-Drehzahl erreicht ist, steigt auch der
Reibdruck (p) . Am Ende der Reibphase (R) ist der Reibdruck etwa gleich hoch wie beim Stand der Technik gemäß Figur 3.
Gemäß Figur 2 ist beim erfindungsgemäßen
Reibschweißverfahren auch die Nenn-Drehzahl (n) des
Drehantriebs (6) höher als beim Stand der Technik nach Figur 3. Sie beträgt ca. 500 U/min. Nach Beendigung der Startphase bleibt sie ebenfalls bis zum Ende der Reibphase (R) konstant und wird dann bevorzugt schlagartig
abgebremst .
In diesem Ausführungsbeispiel ergibt sich bei der Soll¬ oder Nenn-Drehzahl (n) am Kontakt- und Verbindungsbereich (4) eine Umfangsgeschwindigkeit von ca. 14,4 m/sec. Sie liegt wesentlich höher als beim Stand der Technik, wo sie ca. 1 bis 5 m/sec beträgt. Für andere Ausführungsbeispiele und Reibschweißpaarungen können sich andere Parameter ergeben. Vorzugsweise wird der Reibdruck (p) in einem Bereich zwischen ca. 4 N/mm2 und 100 N/mm2 in der Reibphase erhöht. Am Ende der
Reibphase ist der Reibdruck auf jeden Fall höher als zu
Beginn. Abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel kann der Reibdruck (p) in ein oder mehreren Stufen und
gegebenenfalls auch mit treppenartigen Sprüngen oder mit einer abgestuften Rampenfunktion ansteigen. Während der Reibphase (R) wird der Reibdruck (p) vorzugsweise stetig oder kontinuierlich verändert und erhöht. Der Druckanstieg kann auch in einer nicht-linearen Kurvenfunktion
verlaufen . Entsprechend der variablen reibwirksamen Durchmesser können die Umfangsgeschwindigkeiten am Kontakt- und
Verbindungsbereich (4) variieren. Sie liegen vorzugsweise bei oder über 5 m/sec. Bevorzugt wird ein Bereich zwischen 12 und 17 m/sec. Die vorgegebene Drehzahl (n) kann
entsprechend variiert werden.
Das vorgenannte Ausführungsbeispiel und die Abwandlungen beziehen sich auf das Reibschweißen mit einem
kontinuierlichen motorischen Antrieb für die
Relativbewegung und ein aktives Bremsen des motorischen Antriebs. Sie können für das Schwungradschweißen mit
Trägheitsmoment und abgeschalteten Drehantrieb
entsprechend anders aussehen. in der gezeigten und bevorzugten Ausführungsform weist die Reibschweißvorrichtung (1) ein Gestell (5) auf, an dem ein Maschinenkopf mit einer Dreheinrichtung (6) und einer gekoppelten Werkstückaufnahme (10) für das eine Werkstück (2) stationär oder axial beweglich angeordnet ist. Ferner ist am Gestell (5) eine Andrückeinrichtung (7) mit einer Werkstückaufnahme (11) für das andere Werkstück (3) angeordnet. Sie kann z.B. gemäß Figur 1 dem Maschinenkopf axial gegenüberliegend angeordnet sein.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel werden zwei Werkstücke (2,3) reibgeschweißt. In anderen und nicht dargestellten Abwandlungen sind sog. Doppelkopf-Reibschweißmaschinen möglich, in denen drei oder mehr Werkstücke miteinander in einem Prozess reibgeschweißt werden.
Die Dreheinrichtung (6) weist im gezeigten
Ausführungsbeispiel einen Antriebsmotor auf, der die auf einer Spindel angeordnete Werkstückaufnahme (10) um die Prozessachse (8) dreht. Dies kann ein Direktantrieb oder ein Antrieb mit zwischengeschaltetem Getriebe sein. Die Dreheinrichtung (6) kann ferner eine Bremseinrichtung aufweisen.
In einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform kann der Drehantrieb als Schwungradantrieb ausgebildet sein, bei dem der Antriebsmotor eine Schwungmasse in Drehung um die Prozessachse (8) versetzt, die dann im
Reibschweißprozess die erforderliche kinetische Energie einbringt .
Der Antriebsmotor ist in den verschiedenen
Ausführungsformen vorzugsweise als steuerbarer und ggf. regelbarer Elektromotor ausgebildet. Er kann als
Gleichstrommotor oder Wechselstrommotor, insbesondere als Drehstrommotor, ausgebildet sein. Die Andrückeinrichtung (7) sorgt für die axiale Annäherung der Werkstücke (2,3) über den Weg (s) und die dabei wirkende Andrückkraft oder Reibkraft (F) . Die
Andrückeinrichtung (7) kann hierfür in beliebig geeigneter Weise ausgebildet und angeordnet sein. Sie kann axiale Zug- oder Druckkräfte erzeugen. Im gezeigten und bevorzugten Ausführungsbeispiel ist sie als Vorschubeinrichtung (14) ausgeführt. Diese weist einen Vorschubantrieb (15) für den Vorschub der
Werkstückaufnahme (11) entlang der Prozessachse (8) auf. Der Vorschubantrieb ist z.B. als hydraulischer Zylinder ausgebildet. Alternativ kann als anderer linearer Antrieb, insbesondere als elektrischer Spindelantrieb oder dgl . ausgebildet sein. Der Vorschubantrieb (15) ist steuerbar und in Verbindung mit einer geeigneten kraft- und/oder wegaufnehmenden Sensorik auch regelbar.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel wirkt der z.B. stationär am Gestell (5) angeordnete und abgestützte Vorschubantrieb (15) mittels eines stangenartigen Vorschuborgans auf eine axial beweglich am Gestell (5) gelagerte Halterung (16) .
Die Werkstückaufnahme (11) ist an der Halterung (16) fest oder lösbar befestigt.
Die Werkstückaufnahmen (10,11) können in beliebig
geeigneter Weise ausgebildet sein. In den gezeigten
Ausführungsbeispielen sind sie mit einer Spanneinrichtung (12) ausgerüstet, welche jeweils das Werkstück (2,3) radial von außen oder innen einspannt. Die
Spanneinrichtung (12) kann z.B. ein Spannfutter mit zwei oder mehr radial verstellbaren Spannbacken aufweisen.
Zur Abstützung der Spannkräfte kann an einem Werkstück (2,3) eine Stützeinrichtung (13) angeordnet sein, die der Spanneinrichtung (12) gegenüberliegt und entgegenwirkt, wobei sie die Spannkräfte und das Werkstück (2,3)
abstützt. Die Stützeinrichtung (13) ist z.B. im drehenden Werkstück (2) angeordnet, kann sich aber auch an beiden oder allen Werkstücken (2,3) befinden. Sie kann durch den Hohlraum des Werkstücks (2,3) mit der jeweiligen
Werkzeugaufnahme (10,11) verbunden und gehalten sein. Die Reibschweißvorrichtung (1) weist eine bevorzugt speicherprogrammierbare Steuerung (9) auf, die mit den verschiedenen Maschinenkomponenten verbunden ist,
insbesondere mit dem Drehantrieb (6) und dem
Vorschubantrieb (15) sowie mit einer Sensorik, welche die beim Reibschweißen von den Reibschweißpartnern
zurückgelegten Wege und die einwirkenden Kräfte aufnimmt. Die Steuerung (9) steuert die Reibschweißvorrichtung (1) und deren Komponenten in entsprechender Weise zur
Durchführung des vorgenannten Reibschweißverfahrens. Sie kann ein oder mehrere gespeicherte Reibschweißprogramme beinhalten. Sie kann auch eine Technologiedatenbank mit fertigen oder zu berechnenden Reibschweißparametern sowie eine geeignete Recheneinheit nebst Ein- und
Ausgabeschnittstellen aufweisen.
Abwandlungen der vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele und der genannten Varianten sind in beliebiger Weise möglich. Insbesondere können die Merkmale der verschiedenen
Ausführungsbeispiele und Varianten beliebig miteinander kombiniert und ggf. auch vertauscht werden.
Insbesondere ist eine andere Kinematik der Relativbewegung zwischen den Werkstücken (2,3) und ein entsprechend andere konstruktive Gestaltung der Reibschweißvorrichtung (1) möglich .
Bei anderen Reibschweißvorrichtungen, insbesondere
Doppelkopf-ReibschweißVorrichtungen, sind
Mehrfachanordnungen des Drehantriebs (6) und eine andere konstruktive Gestaltung der Andrückeinrichtung (7) möglich. Insbesondere kann eine von der Andrückeinrichtung (7) vorgeschobene Halterung (16) einen Drehantrieb (6) beinhalten, wobei zwischen den drehenden Werkstücken ein oder mehrere weitere und vorzugsweise relativ drehfest gehaltene Werkstücke angeordnet sind. Die
Andrückeinrichtung (7) kann auch mit beidseitigen axial beweglichen Maschinenköpfen verbunden sein und diese gegenseitig sowie gegen eine zentrale Halterung für ein drittes oder weitere Werkstücke axial bewegen. Eine Andrückanrichtung (7) kann sich ferner in Abwandlung von Figur 1 bei einer Einkopf-Reibschweißmaschine
abtriebseitig an einer stationären Halterung (16)
abstützen, wobei der besagte Maschinenkopf beim axialen Vorschub relativ zu dem an einer ortsfesten Halterung (16) befindlichen Werkstück (3) bewegt wird. In einer
Ausgestaltung kann eine Vorschubeinrichtung (14) durch Zylinder mit Gehauseanbindung an diesem axial beweglichen Maschinenkopf oder Spindelstock gebildet werden. Die Reibschweißvorrichtung (1) kann insbesondere auch als doppelte Einkopf-Reibschweißmaschine ausgebildet sein, die eine gemeinsame zentrale und stationäre Stützeinrichtung bzw. Halterung (16) mit beidseitigen Werkstückaufnahmen (11) und eine spiegelbildliche Anordnung von
Maschinenköpfen mit jeweils eigenem Drehantrieb (6) nebst Andrückeinrichtung (7) aufweist. Eine Andrückanrichtung (7) kann in dieser und auch in anderen Ausführungsformen an dem in Figur 1 gezeigten stationären oder axial
beweglichen Maschinenkopf mit dem Drehantrieb (6)
angeordnet sein und Zugkräfte ausüben.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Reibschweißvorrichtung
2 Werkstück
3 Werkstück
4 Kontaktstelle, Verbindungsbereich
5 Gestell
6 Dreheinrichtung
7 Andrückeinrichtung
8 Prozessachse
9 Steuerung
10 Werkstückaufnahme
11 Werkstückaufnahme
12 Spanneinrichtung
13 Stützeinrichtung
14 Vorschubeinrichtung
15 Vorschubantrieb, Zylinder
16 Halterung
F Andrückkraft, Stauchkraft, Reibkraft p Reibdruck
n Drehzahl
s Vorschubweg
R Reibphase
S Stauchphase

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1.) Verfahren zum Reibschweißen von Werkstücken (2,3), die in einer Reibphase (R) unter Reibkontakt und mit einem Reibdruck (p) in einer Relativbewegung, insbesondere einer Relativdrehung um eine
Prozessachse (8), durch Reibungswärme plastifiziert und verschweißt werden, dadurch
g e k e n n z e i c h n e t, dass der Reibdruck (p) während der Dauer der Reibphase (R) in einem Bereich zwischen ca. 4 N/mm2 und 100 N/mm2 verändert und erhöht wird.
2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
g e k e n n z e i c h n e t, dass die Werkstücke (2,3) als Rohre ausgebildet sind oder zumindest einen rohrförmigen Abschnitt im Bereich der
Reibschweißverbindung haben.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
g e k e n n z e i c h n e t, dass der Reibdruck (p) während der Reibphase (R) stetig, insbesondere in einer linearen Rampe, verändert und erhöht wird. 4.) Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch
g e k e n n z e i c h n e t, dass der Reibdruck (p) während des größten Teils oder der gesamten
Reibphase (R) kontinuierlich verändert und erhöht wird .
5.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der
Reibdruck (p) während der Reibphase (R) von
anfänglich 5 N/mm2 auf 80 N/mm2 gesteigert wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der
Reibdruck (p) entlang der Prozessachse (8)
aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die
Werkstücke (2,3) im Anschluss an die Reibphase (R) in einer Stauchphase (S) mit einer erhöhten
Andrückkraft (F) axial gegeneinander gedrückt werden .
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass Werkstücke (2,3) mit einem reibwirksamen Durchmesser von 200 mm oder mehr, bevorzugt 500 - 650 mm, reibgeschweisst werden .
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass Werkstücke (2,3) aus Metall, insbesondere aus Stahl mit einem höheren Kohlenstoffgehalt , reibgeschweisst werden.
10.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die
Werkstücke (2,3) während der Reibphase (R) mit einer Drehzahl (n) von ca. 500 U/min relativ zueinander gedreht werden. 11.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die
Werkstücke (2,3) während der Reibphase (R) an der Kontaktstelle (4) mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 5 m/sec oder mehr, bevorzugt 12 - 17 m/sec, relativ zueinander gedreht werden.
12. ) Vorrichtung zum Reibschweißen von Werkstücken (2,3), die in einer Reibphase (R) unter Reibkontakt und Einwirkung einer Andrückkraft (F) in einer
Relativbewegung, insbesondere einer Relativdrehung um eine Prozessachse (8), durch Reibungswärme plastifiziert und verschweißt werden, wobei die Reibschweißvorrichtung (1) Werkstückaufnahmen
(10,11), eine Relativbewegungseinrichtung (6), insbesondere eine Dreheinrichtung, und eine
Andrückeinrichtung (7) für die Werkstücke (2,3) sowie eine Steuerung (9) aufweist, dadurch
g e k e n n z e i c h n e t, dass die
Andrückeinrichtung (7) derart gesteuert ist, dass der Reibdruck (p) während der Dauer der Reibphase (R) in einem Bereich zwischen ca. 4 N/mm2 und 100
N/mm2 verändert und erhöht wird.
13. ) Reibschweißvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch
g e k e n n z e i c h n e t, dass die
Andrückeinrichtung (7) derart gesteuert ist, dass der Reibdruck (p) während der Dauer der Reibphase (R) von anfänglich 5 N/mm2 auf 80 N/mm2 gesteigert wird . 14.) Reibschweißvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der
Reibdruck (p) während der Reibphase (R) stetig, insbesondere in einer linearen Rampe, erhöht wird. 15.) Reibschweißvorrichtung nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die
Andrückeinrichtung (7) derart gesteuert ist, dass der Reibdruck (p) während des größten Teils oder der gesamten Reibphase (R) kontinuierlich verändert und erhöht wird.
16. ) Reibschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Dreheinrichtung (6) und die Andrückeinrichtung (7) entlang der zentralen Prozessachse (8)
angeordnet sind und wirken.
17. ) Reibschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Andrückeinrichtung (7) derart gesteuert ist, dass die Werkstücke (2,3) im Anschluss an die
Reibphase (R) in einer Stauchphase (S) mit einer erhöhten Stauchkraft (FS) axial gegeneinander gedrückt werden. 18.) Reibschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Reibschweißvorrichtung (1) für Werkstücke (2,3) mit einem reibwirksamen Durchmesser von 200 mm oder mehr, bevorzugt 500 - 650 mm, ausgelegt ist.
19. ) Reibschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Reibschweißvorrichtung (1) für Werkstücke (2,3) aus Metall, insbesondere aus Stahl mit einem höheren Kohlenstoffgehalt , ausgelegt ist.
20. ) Reibschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Dreheinrichtung (6) derart gesteuert ist, dass die Werkstücke (2,3) während der Reibphase (R) mit einer Drehzahl (n) von ca. 500 U/min relativ
zueinander gedreht werden.
21.) Reibschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Dreheinrichtung (6) derart gesteuert ist, dass die Werkstücke (2,3) während der Reibphase (R) an der Kontaktstelle (4) mit einer
Umfangsgeschwindigkeit von 5 m/sec oder mehr, bevorzugt 12 - 17 m/sec, relativ zueinander gedreht werden . Reibschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Reibschweißvorrichtung (1) für Werkstücke (2,3) ausgelegt ist, die als Rohre ausgebildet sind oder zumindest einen rohrförmigen Abschnitt im Bereich der Reibschweißverbindung haben. Reibschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Werkstückaufnahme (10,11) eine Spanneinrichtung
(12) und eine am Werkstück (2,3) anordenbare
Stützeinrichtung (13) zur Abstützung des Werkstücks (2,3) gegen die Spannkräfte aufweist.
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