DE102005010814B3 - Friction welding method, with feed displacement corrected for elastic deformation of welding machine-tensioning device-workpiece system to give accurately dimensioned welded product - Google Patents

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Abstract

Friction welding method in which tensioned workpieces are moved together, rotated against each other to create friction at the welding site, compressed together and held together until the weld has solidified.Elastic deformation of the welding machine-tensioning device-workpiece system is determined at the start, elasticity constant is calculated and welding is carried out under a controlled feed pressure while correcting the feed displacement for the elastic deformation of the welding machine-tensioning device-workpiece system using the elasticity constant. In a friction welding process in which the workpieces (11, 12) to be welded are tensioned, moved together with a predetermined feed force at the welding site and rotated against each other at a speed creating friction (where the friction phase is controlled in dependence on the feed displacement and/or on time), compressed together with a predetermined force (during or directly after braking the spindle) and then held with a predetermined force until the material at the welding site has solidified, where:the workpieces are tensioned in a precise position in the direction of the rotational axis; the workpieces are moved together, the elastic deformation of the welding machine-tensioning device-workpiece system is determined (on the basis of the feed force and feed displacement) and an elasticity constant is calculated; the components to be welded are moved apart to a feed force of zero and the zero point position of the non-welded, stressed components is determined and stored; the necessary values for the feed displacement (i.e. rubbing, friction and quenching displacements) are determined (based on the zero point position and the length of the final welded product) and stored; the friction and compression phases are carried out in feed displacement and/or time-controlled manner at a controlled, predetermined feed force and then the welding process is terminated at a predetermined retaining force; and during the friction, compression and holding phases, control of the processes on the basis of the feed displacement (i.e. rubbing, friction and quenching displacement) is carried out with allowance for the elastic deformation of the welding machine-tensioning device-component system (determined by the elasticity constant), so that after ending the welding process the necessary whole feed displacement (i.e. rubbing displacement plus friction displacement plus quenching displacement) has occurred to achieve a predetermined final measurement of the welded article.

Description

Die Erfindung betrifft ein Reibschweißverfahren, bei dem die zu verschweißenden Bauteile an der Schweißstelle insbesondere rotierend gegeneinander gerieben werden.The The invention relates to a friction welding method in which the welded Components at the weld in particular rotating against each other are rubbed.

Beim Reibschweißen werden die zu verschweißenden Bauteile während der Reibphase mit einer vorbestimmten Kraft, der Vorschubkraft beim Reiben, nachfolgend Reibkraft genannt, gegeneinander gedrückt und solange gegeneinander gerieben, beispielsweise mit der Reibdrehzahl gegeneinander gedreht, bis der Werkstoff in der Berührungszone aufschmilzt und fließt. Die Bauteile werden sodann in der Stauch- und Haltephase mit einer ebenfalls vorbestimmten Kraft, der Vorschubkraft beim Stauchen, nachfolgend Stauchkraft genannt, bzw. der Vorschubkraft beim Halten, nachfolgend Haltekraft genannt, zusammengedrückt und so lange bzw. mit solcher Haltekraft zusammengedrückt gehalten, dass sich beim Abkühlen eine stoffschlüssige Verbindung herausbildet. Die für den Prozess notwendigen Parameter Reibkraft und Reibdrehzahl bestimmen sich aus der für das Aufschmelzen der Bauteile in der Berührungszone notwendigen Energie. In der Praxis werden die technologischen Vorgaben zur Reibkraft, zur Reibdrehzahl, zur Stauchkraft und zur Haltekraft anhand theoretischer Betrachtungen und experimenteller Untersuchungen ermittelt (siehe beispielsweise L. Appel, Praktikum Reibschweißen, 13. Erfahrungsaustausch Reibschweißen, München 10./11.03.2003).At the friction welding become the to be welded Components during the friction phase with a predetermined force, the feed force when rubbing, called friction force below, pressed against each other and as long as rubbed against each other, for example, the friction speed turned against each other until the material melts in the contact zone and flows. The components are then in the compression and holding phase with a also predetermined force, the feed force during upsetting, below Called compression force, or the feed force while holding, below Holding force called, compressed and held together for such a long time or with such holding power, that when cooling down a cohesive Connection forms. The for determine the necessary parameters friction and friction speed out of the for the melting of the components in the contact zone necessary energy. In practice, the technological requirements for friction, Friction speed, compression force and holding force based on theoretical Considerations and experimental investigations (see for example L. Appel, internship friction welding, 13. Exchange of experience friction welding, Munich, 10./11.03.2003).

Wie in der DE 199 02 357 A1 erläutert, ist eine Steuerung des Reibschweißprozesses anhand der Prozessparameter Reibdrehzahl und der Vorschubkraft während der einzelnen Phasen des Reibschweißprozesses weit verbreitet, wobei für diese Parameter abschnittsweise konstante Sollwerte vorgegeben werden. Die Abschnitte selbst werden nach der Zeit oder dem Vorschubweg gesteuert.Like in the DE 199 02 357 A1 explained, a control of the friction welding process based on the process parameters friction speed and the feed force during the individual phases of the friction welding process is widely used, where for these parameters constant setpoints are given in sections. The sections themselves are controlled according to the time or feed path.

Es ist auch bekannt, anstelle der Vorschubkraft die Vorschubgeschwindigkeit abschnittsweise konstant zu steuern. Dieser in der Praxis weit verbreiteten Steuerung des Reibschweißprozesses haftet der Nachteil an, dass Rückwirkungen oder Auswirkungen des jeweiligen Reibschweißprozesses nicht in die Steuerung einfließen und es deshalb zu Streuungen in der Schweißqualität kommt. In der DE 199 02 357 A1 wird deshalb vorgeschlagen, den Reibschweißprozess während der Reibphase in einer Regelung über das Reibmoment oder die Reibleistung zu führen. Damit soll der Reibschweißprozess wesentlich besser und genauer beherrscht werden können, was in einer besseren Wiederholgenauigkeit und einer höheren Qualität der Schweißergebnisse seinen Niederschlag findet.It is also known, instead of the feed force, to control the feed rate in sections constantly. This widespread in practice control of the friction welding process has the disadvantage that repercussions or effects of the respective friction welding process does not flow into the control and therefore there is a dispersion in the quality of welding. In the DE 199 02 357 A1 It is therefore proposed to carry out the friction welding process during the friction phase in a control over the friction torque or the friction power. This should be able to control the friction welding process much better and more accurately, which is reflected in a better repeatability and a higher quality of the welding results.

Es hat sich jedoch gezeigt, dass auch mittels einer entsprechenden Regelung des Reibschweißprozesses während der Reibphase die Wiederholgenauigkeit, insbesondere in Bezug auf Maßhaltigkeit, für in der Praxis auftretende Anwendungen nicht ausreichend hoch ist.It However, it has been shown that also by means of a corresponding Regulation of the friction welding process while the friction phase, the repeatability, especially in terms of dimensional stability, for in the practice occurring applications is not sufficiently high.

Ziel der Erfindung ist deshalb ein Reibschweißverfahren, das bei einer hohen Prozesssicherheit qualitativ hochwertige und maßgenaue Reibschweißverbindungen ermöglicht.aim The invention is therefore a Reibschweißverfahren that at a high Process reliability high quality and dimensionally accurate friction welded joints allows.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren, das die Merkmale des Patentanspruches 1 umfasst, gelöst. In den Patentansprüchen 2 bis 5 werden vorteilhafte Weiterentwicklungen bzw. Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.These Task is according to the invention with a Method comprising the features of claim 1, solved. In the claims 2 to 5 are advantageous developments or refinements the method according to the invention described.

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf einer Steuerung des Reibschweißprozesses, bei der letztlich der Vorschubweg die Stellgröße ist. Dabei kann der Vorschubweg natürlich auch bei bekannter Vorschubgeschwindigkeit durch die Zeit abgebildet werden. Die zur Erzielung einer qualitativ hochwertigen Reibschweißverbindung erforderlichen Sollwerte der Reibkraft, Stauchkraft und Haltekraft werden für die einzelnen Phasen des Reibschweißprozesses (Reib-, Stauch- und Haltephase) aus bekannten theoretischen Betrachtungen und experimentellen Untersuchungen bestimmt und während des Reibschweißprozesses entsprechend dieser Vorgaben geregelt (siehe beispielsweise L. Appel, Praktikum Reibschweißen, 13. Erfahrungsaustausch Reibschweißen, München 10./11.03.2003).The inventive method based on a control of the friction welding process, in the end the feed travel is the manipulated variable. Of course, the feed path can of course also shown at a known feed rate through time become. To achieve a high quality friction welded joint Required set values of the friction force, compression force and holding force for the individual phases of the friction welding process (Friction, compression and holding phase) from known theoretical considerations and experimental studies and determined during the friction welding regulated in accordance with these guidelines (see, for example, L. Appel, Internship friction welding, 13. Experience exchange friction welding, Munich 10./11.03.2003).

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den besonderen Vorteil, dass verschweißte Bauteile gefertigt werden können, die in Wirkungsrichtung der Vorschubkraft, in der Regel wird dies die Längsrichtung der Bauteile sein, maßgenau sind. Dabei ist es nicht erforderlich, dass die zu verschweißenden Bauteile bereits die für die verschweißten Bauteile geforderte hohe Maßgenauigkeit aufweisen. Vielmehr wird die Maßgenauigkeit durch die Steuerung des Reibschweißprozesses mit dem Vorschubweg als Stellgröße bei entsprechend den ermittelten und vorgegebenen Sollwerten geregelter Vorschubkraft in Verbindung mit einer in Richtung der Drehachse lagegenauen Positionierung und Spannung der zu verschweißenden Bauteile erreicht.The inventive method has the particular advantage that welded components are manufactured can, in the direction of action of the feed force, usually this will the longitudinal direction be the components, accurate to size are. It is not necessary that the components to be welded already the for the welded Components required high dimensional accuracy exhibit. Rather, the dimensional accuracy by controlling the friction welding process with the feed path as control value in accordance with the determined and predetermined setpoint values of controlled feed force in conjunction with a positionally accurate positioning in the direction of the axis of rotation and tension of the to be welded Achieved components.

Die zu verschweißenden Bauteile werden gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst in Richtung der Drehachse lagegenau in die Spannmittel der Reibschweißmaschine gespannt. Danach erfolgt die Ermittlung der Federkonstante des Systems Reibschweißmaschine – Spannmittel – Bauteile als Maß der elastischen Verformung dieses Systems beim gegeneinander Drücken der zu verschweißenden Bauteile, indem die zu verschweißenden Bauteile mit verschiedenen Werten der Vorschubkraft gegeneinander gedrückt werden und der jeweilige, zum Wert der Vorschubkraft korrespondierende Vorschubweg erfasst wird. Aus den korrespondierenden Werten Vorschubkraft-Vorschubweg wird die Federkonstante k für eine elastische Verformung des Systems Reibschweißmaschine – Spannmittel – Bauteile errechnet und gespeichert. Dabei kann es zweckmäßig sein, den für den jeweiligen Reibschweißprozess errechneten Wert der Federkonstante k mit Werten aus vorangegangenen Reibschweißprozessen mit gleichen Bauteilen (Referenzwert) zu vergleichen. Weicht der errechnete Wert der Federkonstante k über eine vorgegebene Toleranzbreite (Abweichung > 5%) vom Referenzwert ab, sind die für die Erreichung einer qualitativ hochwertigen und maßgenauen Reibschweißverbindung notwendigen technisch-technologischen Anfangsbedingungen nicht erfüllt. Mögliche Ursachen sind eine nicht ausreichende lagegenaue und feste Einspannung der zu verschweißenden Bauteile oder Fehler in den Bauteilen selbst. Zweckmäßigerweise sollte bei der Ermittlung der Federkonstanten auch geprüft werden, ob die zu verschweißenden Bauteile ausreichend präzise und festgespannt sind. Dazu können beispielsweise der zurückgelegte Vorschubweg von der ersten Berührung der zu verschweißenden Bauteile zu Beginn der Ermittlung der Federkonstante, d.h. beim gegeneinander Fahren der Bauteile bis zur maximalen Vorschubkraft, sowie der zurückgelegte Vorschubweg beim anschließenden auseinander Fahren der Bauteile von der maximalen Vorschubkraft bis zum Lösen der Bauteile an der Berührungsfläche erfasst und miteinander verglichen werden. Treten hierbei zwischen beiden zurückgelegten Vorschubwegen erhebliche Abweichungen (> 10%) auf, haben sich die zu verschweißenden Bauteile entweder in den Spannmittel gesetzt oder verformt. Die Bestimmung der Federkonstante sollte dann wiederholt werden. Sind dann die Abweichungen bei den zurückgelegten Vorschubwegen < 10%, kann der Prozess fortgesetzt werden. Andernfalls sollte der Prozess abgebrochen werden, weil die für die Erreichung einer qualitativ hochwertigen und maßgenauen Reibschweißverbindung notwendigen technisch-technologischen Anfangsbedingungen nicht erfüllt sind. Nach der Ermittlung der Federkonstanten erfolgt eine Nullpunktkalibrierung, indem die zu verschweißenden Bauteile mit einer vorgegebenen Vorschubkraft bis zur Berührung an der zu verschweißenden Stelle gegeneinander gefahren werden. Der zurückgelegte Vorschubweg wird als Nullpunkt gespeichert. Aus den geometrischen Daten der in Richtung der Drehachse lagegenauen Spannung der zu verschweißenden Bauteile sowie dem gespeicherten Nullpunkt wird der für das maßgenaue Verschweißen der Bauteile zurückzulegende Vorschubweg errechnet und ebenfalls gespeichert. Dieser Vorschubweg umfasst einen Weganteil – Reibweg, ggf. Anreibweg – und einen weiteren Weganteil – Stauchweg-, wobei die Aufteilung des Vorschubweges in die Weganteile Reibweg, ggf. Anreibweg und Stauchweg auf der Grundlage von Voruntersuchungen erfolgt. Die beim Reibschweißprozess zurückzulegenden Vorschubwege werden unter Bezugnahme auf den jeweiligen Lagenullpunkt berechnet.The components to be welded are first tensioned in the direction of the axis of rotation in the clamping means of the friction welding machine according to the inventive method. After that the determination of the spring constant of the friction welding machine - clamping device - components as a measure of the elastic deformation of this system when pressing against each other to be welded components by the components to be welded are pressed against each other with different values of the feed force and the respective, corresponding to the value of the feed force feed path is detected. From the corresponding values feed force feed path, the spring constant k for an elastic deformation of the system friction welding machine - clamping device - components is calculated and stored. It may be expedient to compare the value of the spring constant k calculated for the respective friction welding process with values from previous friction welding processes with identical components (reference value). If the calculated value of the spring constant k deviates from the reference value over a specified tolerance range (deviation> 5%), the technical-technological initial conditions necessary for achieving a high-quality and dimensionally accurate friction-welded connection are not fulfilled. Possible causes are insufficient accurate and firm clamping of the components to be welded or errors in the components themselves. Conveniently, should also be checked when determining the spring constants, whether the components to be welded are sufficiently precise and tightened. For this purpose, for example, the distance covered feed path of the first touch of the components to be welded at the beginning of the determination of the spring constant, ie when driving against each other components to the maximum feed force, and the distance traveled during subsequent driving apart of the components of the maximum feed force to release the Components are detected at the interface and compared with each other. If considerable deviations (> 10%) occur between the two feed paths, the components to be welded have either set or deformed in the clamping device. The determination of the spring constant should then be repeated. If the deviations in the traveled feed distances are <10%, the process can continue. Otherwise, the process should be discontinued because the necessary technical-technological initial conditions for achieving a high-quality and dimensionally accurate friction-welded connection are not met. After determining the spring constants, a zero point calibration is performed by moving the components to be welded against each other at a predetermined feed force until they touch the spot to be welded. The traveled feed travel is saved as zero point. From the geometrical data of the positionally accurate in the direction of the axis of rotation of the voltage to be welded components and the stored zero point for the dimensionally accurate welding of the components zurückzulegende feed path is calculated and also stored. This feed path includes a path portion - Reibweg, possibly Anreibweg - and another path portion - Stauchweg-, wherein the division of the feed path in the path components Reibweg, possibly Anreibweg and upsetting path on the basis of preliminary investigations. The feed paths to be traversed during the friction welding process are calculated with reference to the respective position zero point.

Die Bauteile werden zum Nullpunkt zurückgefahren und der Reibschweißprozess, Drehung eines Bauteils mit der technologisch vorgegebenen Reibdrehzahl und gegen einander drücken der zu verschweißenden Bauteile an der Reibstelle mit der technologisch vorgegebenen Reibkraft, wird gestartet. Die Reibkraft wird entsprechend vorbestimmter Sollwerte geregelt. Die Vorschubbewegung kann während des Reibschweißprozesses weg- und/oder zeitabhängig gesteuert werden, wobei letztlich prozessentscheidend der zurückgelegte Vorschubweg ist. In die Steuerung der Vorschubbewegung wird die vorschubkraftabhängige elastische Verformung des Systems Reibschweißmaschine – Spannmittel – Bauteile eingerechnet. Der Reibprozess wird nach Zurücklegung des Reibweges beendet und die in der Reibzone bis zum Aufschmelzen des Materials erwärmten Bauteile mit der für das Stauchen erforderlichen Stauchkraft zusammengedrückt, bis der Stauchweg zurückgelegt ist. Danach werden die Bauteile gehalten, bis eine hinreichende Abkühlung erfolgt ist. Erfindungsgemäß verschweißte Bauteile sind in Wirkrichtung der Vorschubkraft sehr maßgenau. Die Maßgenauigkeit kann noch erhöht werden, indem erwärmungsbedingte Längsausdehnungen der Bauteile bei der Berechnung des Vorschubweges (Reibweg, ggf. Anreibweg und/oder Stauchweg) berücksichtigt werden. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können Toleranzen der verschweißten Bauteile von ±10 μm erreicht werden, bei Ausgangstoleranzen der nicht verschweißten Bauteile von bis zu ±1 mm. Aufgrund der Regelung der Vorschubkraft während der Reib-, Stauch- und Haltephase sind die Reibschweißverbindungenwiederholsicher von hoher Qualität.The Components are returned to zero and the friction welding process, Rotation of a component with the technologically specified friction speed and press against each other the to be welded Components at the friction point with the technologically specified frictional force, is started. The friction force will be according to predetermined setpoints regulated. The feed movement can during the friction welding process away- and / or time-dependent be ultimately controlled by the process Feed path is. In the control of the feed movement, the feed force-dependent elastic Deformation of the System Friction Welding Machine - Clamping Devices - Components included. The friction process is terminated after covering the friction path and the components heated in the friction zone until the material melts with the for compressing required compression force compressed until the compression path covered is. Thereafter, the components are held until a sufficient Cooling takes place is. Welded components according to the invention in the effective direction of the feed force very accurate. The dimensional accuracy can still be increased are caused by warming Longitudinal expansions of Components in the calculation of the feed path (friction path, possibly Anreibweg and / or upsetting path) become. By means of the method according to the invention tolerances the welded components of ± 10 μm achieved at output tolerances of non-welded components of up to ± 1 mm. Due to the regulation of the feed force during the friction, compression and Holding phase, the Reibschweißverbindungen are repeatable of high quality.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt schematisch eine Reibschweißmaschine 1, bestehend aus einem Maschinenbett 2, einem an einer Spindel 3 angeordnetem Spannmittel 4 und diesem gegenüberliegend einen mit einem Vorschubantrieb 5 sowie einem weiteren Spannmittel 6 versehenen Vorschubschlitten 7. Am Vorschubschlitten 7 sind ein Vorschubkraftsensor 8 zur Erfassung der Vorschubkräfte und ein Wegmesssystem 9 zur Erfassung des Vorschubweges s bzw. zur Bestimmung der Position des Vorschubschlittens 7 auf der Vorschubachse angeordnet. Der Vorschubantrieb 5, der Vorschubkraftsensor 8 und das Wegmesssystem 9 wirken in einem Regelkreis zusammen, der über den Vorschubweg s eine Regelung der Vorschubkraft F ermöglicht.The inventive method will be explained in more detail with reference to an embodiment. The accompanying drawing shows schematically a friction welding machine 1 consisting of a machine bed 2 , one on a spindle 3 arranged clamping device 4 and this opposite one with a feed drive 5 as well as another clamping device 6 provided feed carriage 7 , At the feed slide 7 are a feed force sensor 8th for detecting the feed forces and a displacement measuring system 9 for detecting the feed path s or for determining the position of the feed slide 7 arranged on the feed axis. The feed drive 5 , the feed force sensor 8th and the distance measuring system 9 act together in a control loop, which allows the feed path s control of the feed force F.

In den Spannmitteln 4 und 6 sind zwei zu verschweißende Bauteile 10 und 11 lagegenau fixiert und gespannt. Die Bauteile 10 und 11 sind Zylinder mit den Abmessungen: Durchmesser D = 16 mm, Länge l = 61 mm ±0,5 mm. Sie bestehen aus St37. Die Bauteile 10 und 11 sind zu verschweißen. Die Länge l des verschweißten Bauteiles 10, 11 soll l = 116 mm ±0,05 mm betragen.In the clamping devices 4 and 6 are two components to be welded 10 and 11 Precisely fixed and taut. The components 10 and 11 are cylinders with dimensions: diameter D = 16 mm, length l = 61 mm ± 0.5 mm. They consist of St37. The components 10 and 11 are to be welded. The length l of the welded component 10 . 11 should be l = 116 mm ± 0.05 mm.

In einem ersten Verfahrensabschnitt wird zunächst der Vorschubschlitten 7 längsaxial in Richtung des gegenüberliegenden Spannmittels 4 bis zur Berührung der lagegenau gespannten Bauteile 10, 11 an der zu verschweißenden Stelle verfahren. Der bis zur Berührung zurückgelegte Vorschubweg wird als Bezugsweg sB gespeichert. Der Vorschubschlitten 7 wird mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit von v = 100 mm/min weiter in Richtung des gegenüberliegenden Spannmittels 4 verfahren, bis eine maximale Vorschubkraft von F = 20 kN aufgebaut ist. Diese maximale Vorschubkraft F sollte ca. der Stauchkraft FS entsprechen. Der von der Berührung der zu verschweißenden Bauteile bis zur maximalen Vorschubkraft zurückgelegte Vorschubweg wird erfasst. Von diesem wird der Bezugsweg sB subtrahiert und das Ergebnis als neuer Bezugsweg sB abgespeichert. Während des Verfahrens des Vorschubschlittens 7 werden bei Werten der Vorschubkraft von F1 = 5 kN, F2 = 10 kN, und F3 = 15 kN die zugehörigen Vorschubwege s1 bis s3 erfasst. Aus den Vorschubkräften F1 bis F3 und den zugehörigen Vorschubwegen s1 bis s3 wird die Federkonstante k des Systems Reibschweißmaschine – Spannmittel – Bauteile errechnet und abgespeichert. Danach wird der Vorschubschlitten 7 zurückgefahren, bis die Vorschubkraft F den Wert 0 erreicht. Die dabei erreichte Position des Vorschubschlittens 7 auf der Vorschubachse wird als Lagenullpunktposition s0 der beiden zu verschweißenden Bauteile 10 und 11 zueinander gespeichert. Sie dient im Folgenden als Referenzwert zur Ermittlung der Vorschubwegeanteile Anreibweg sA, Reibweg sR und Stauchweg sS bzw. der entsprechenden Positionen des Vorschubschlittens 7 auf der Vorschubachse. Der beim Zurückfahren des Vorschubschlittens 7 bis zur Vorschubkraft F = 0 zurückgelegte Vorschubweg sF0 wird ebenfalls erfasst und mit dem Bezugsweg sB verglichen. Weichen beide Werte um mehr als ±10 μm voneinander ab, ist es aufgrund von plastischen Verformungen, hervorgerufen durch beispielsweise Grad oder Setzungserscheinungen zum Verrutschen eines oder beider Bauteile 10, 11 gekommen. Der erste Verfahrensabschnitt zur Bestimmung der Federkonstanten k ist in diesem Fall zu wiederholen. Kann auch im Wiederholungsfall keine ausreichende Übereinstimmung zwischen dem Bezugsweg sB und dem Vorschubweg sF0 erzielt werden (Abweichung <±10 μm), sind die für die Erreichung einer qualitativ hochwertigen und maßgenauen Reibschweißverbindung notwendigen technisch-technologischen Anfangsbedingungen nicht erfüllt. In diesem Fall ist der Reibschweißvorgang abzubrechen. Andernfalls wird der Wert der ermittelten Federkonstante k mit Referenzwerten aus vorangegangenen Reibschweißprozessen verglichen. Weicht der errechnete und abgespeicherte Wert um mehr als 5% vom Durchschnitt der Referenzwerte ab, sind die notwendigen technisch-technologischen Anfangsbedingungen ebenfalls nicht erfüllt und der Reibschweißvorgang ist abzubrechen.In a first process section, first the feed slide 7 longitudinally axially in the direction of the opposite clamping means 4 until the contact of the positionally tensioned components 10 . 11 proceed at the point to be welded. The feed travel traveled to the touch is stored as the reference path s B. The feed carriage 7 continues at a constant feed rate of v = 100 mm / min in the direction of the opposite clamping device 4 until a maximum feed force of F = 20 kN has been established. This maximum feed force F should correspond approximately to the compression force F S. The distance covered by the contact of the components to be welded up to the maximum feed force is recorded. From this, the reference path s B is subtracted and the result is stored as a new reference path s B. During the process of the feed carriage 7 at values of the feed force of F 1 = 5 kN, F 2 = 10 kN, and F 3 = 15 kN, the associated feed paths s 1 to s 3 are detected. From the feed forces F 1 to F 3 and the associated feed paths s 1 to s 3 , the spring constant k of the system friction welding machine - clamping device - components is calculated and stored. After that, the feed carriage 7 moved back until the feed force F reaches the value 0. The position reached thereby of the feed carriage 7 on the feed axis is as position zero point position s 0 of the two components to be welded 10 and 11 saved to each other. In the following, it serves as a reference value for determining the feed path components driving path s A , friction path s R and compression path s S or the corresponding positions of the feed carriage 7 on the feed axis. The when retracting the feed carriage 7 Up to the feed force F = 0 traveled feed path s F0 is also detected and compared with the reference path s B. If both values deviate from one another by more than ± 10 μm, it is due to plastic deformations, caused by, for example, degrees or subsidence, to slip one or both components 10 . 11 came. The first method section for determining the spring constant k must be repeated in this case. If a sufficient match between the reference path s B and the feed path s F0 can not be achieved in the case of repetition (deviation <± 10 μm), the technical-technological initial conditions necessary for achieving a high-quality and dimensionally accurate friction-welded connection are not met. In this case, the friction welding process should be stopped. Otherwise, the value of the determined spring constant k is compared with reference values from previous friction welding processes. If the calculated and stored value deviates by more than 5% from the average of the reference values, the necessary technical and technological initial conditions are also not met and the friction welding process must be discontinued.

Ausgehend von der Lagenullpunktposition s0 sowie der zu erreichenden Länge l = 116 mm ±0,05 mm des verschweißten Bauteiles 10, 11 werden der Anreibweg sA, der Reibweg sR und der Stauchweg sS bestimmt bzw. errechnet. Die Vorschubweganteile betragen sA = 0,1 mm, sR = 2,0-4,0 mm und sS = 1,6 mm. Die Werte der Wege sA, sR und sS werden dann mit den als technologische Vorgabe gespeicherten minimal erforderlichen bzw. maximal möglichen Anreib-, Reib- und Stauchwegen verglichen. Liegen die bestimmten bzw. errechneten Werte des Anreibweges sA, des Reibweges sR und/oder des Stauchweges sS nicht im Bereich der technologischen Vorgaben, wird der Prozess gestoppt. Zweckmäßig ist dann eine Fehlermeldung "Werkstücke zu kurz" oder "Werkstücke zu lang".Starting from the position zero position s 0 and the length to be achieved l = 116 mm ± 0.05 mm of the welded component 10 . 11 the Anreibweg s A , the Reibweg s R and the compression path s S are determined or calculated. The feed path components are s A = 0.1 mm, s R = 2.0-4.0 mm and s S = 1.6 mm. The values of the paths s A , s R and s S are then compared with the minimally required or maximum possible friction, friction and compression paths stored as a technological specification. If the determined or calculated values of the Anreibweges s A, the friction path s R and / or the compression path s S is not in the field of technological specifications, the process is stopped. Appropriately then an error message "Workpieces too short" or "Workpieces too long".

Liegen die Werte der Wege innerhalb der technologischen Vorgabenbereiche, wird der Vorschubschlitten 7 zur Lagenullpunktposition s0 zurückgefahren, so dass sich die zu verschweißenden Bauteile 10 und 11 nicht mehr berühren. Danach wird die Spindel 3 gestartet und das Spannmittel 4 auf die Reibsolldrehzahl von 2000 U/min gebracht. Das im Spannmittel 6 gespannte Bauteil 11 wird durch kraftgeregelte Vorwärtsbewegung des Vorschubschlittens 7 mit der Anreibkraft von FA = 5 kN gegen das Bauteil 10 gedrückt. Nach Zurücklegen des um den Weganteil FA/k vergrößerten Anreibweges sA wird der Vorschubschlitten 7 kraftgeregelt mit der Reibkraft FR = 10 kN weiter vorwärtsbewegt. Nach Zurücklegen des um den Weganteil FR/k vergrößerten Reibweges sR wird die Spindel 3 abgeschaltet und das Spannmittel 4 bis zum Stillstand abgebremst. Danach wird der Vorschubschlitten 7 kraftgeregelt mit der Stauchkraft FS = 20 kN weiter um den Stauchweg sS, der um den Weganteil FS/k vergrößert wurde, vorwärtsbewegt. Danach verbleibt der Vorschubschlitten 7 bis zur hinreichenden Abkühlung des verschweißten Bauteiles 10, 11 in der erreichten Endposition. Die Bauteile 10 und 11 werden mit der Haltekraft FH = 20 kN gehalten. Abschließend wird das verschweißte Bauteil 10, 11 entnommen. Die Weganteile FA/k, FR/k bzw. FS/k sind dabei die infolge der vorschubkraftabhängigen elastischen Verformung (Auffederung) des Systems Reibschweißmaschine- Spannmittel – Bauteile nicht bauteilverkürzend wirksam werdenden Vorschubweganteile, die als Korrektursummanden berücksichtigt werden müssen, um ein maßgenaues verschweißtes Bauteil zu fertigen.If the values of the paths lie within the technological specification ranges, the feed slide becomes 7 moved back to the position zero position s 0 , so that the components to be welded 10 and 11 do not touch anymore. After that, the spindle 3 started and the clamping device 4 brought to the Reibsolldrehungs of 2000 rev / min. That in the clamping device 6 tensioned component 11 is by force-controlled forward movement of the feed slide 7 with the driving force of F A = 5 kN against the component 10 pressed. After covering the to the path portion F A / k enlarged Anreibweges A s of the feed carriage 7 controlled by force with the friction force F R = 10 kN moved forward. After covering the by the path portion F R / k enlarged Reibweges s R is the spindle 3 shut off and the clamping device 4 braked to a standstill. After that, the feed carriage 7 force-controlled with the compression force F S = 20 kN further by the compression path s S , which was increased by the path component F S / k, moved forward. Thereafter, the feed slide remains 7 until sufficient cooling of the welded component 10 . 11 in the reached end position. The components 10 and 11 are held with the holding force F H = 20 kN. Finally, the welded component 10 . 11 taken. The path components F A / k, F R / k and F S / k are the as a result of the feed force-dependent elastic deformation (resilience) of the system Reibschweißmaschine- clamping means - components not abbreviated effective component wegwegweganteile, which must be considered as correction margins to a to manufacture dimensionally accurate welded component.

Das verschweißte Bauteil 10, 11 hat ein Endmaß von 116 mm ±0,05 mm. Aufgrund der kraftgeregelten Vorschubbewegung des Vorschubschlittens 7 und damit präziser Einhaltung der technologisch vorgegebenen Anreibkraft FA Reibkraft FR, Stauchkraft FS und Haltekraft FH ist jede realisierte Reibschweißverbindung von hoher Qualität. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können daher wiederholsicher qualitativ hochwertige Reibschweißverbindungen gefertigt werden, wobei die verschweißten Bauteile 10, 11 von hoher Maßgenauigkeit sind.The welded component 10 . 11 has a final dimension of 116 mm ± 0.05 mm. Due to the force-controlled feed movement of the feed carriage 7 and thus precise adherence to the technologically prescribed driving force F A frictional force F R , compression force F S and holding force F H is any high-quality friction welding connection realized. By means of the method according to the invention, therefore, high-quality friction-welded connections can be produced repeatedly, with the welded components 10 . 11 are of high dimensional accuracy.

11
ReibschweißmaschineFriction
22
Maschinenbettmachine bed
33
Spindelspindle
44
Spannmittelclamping means
55
Vorschubantriebfeed drive
66
Spannmittelclamping means
77
Vorschubschlittenfeed slide
88th
VorschubkraftsensorFeed force sensor
99
Wegmesssystemdisplacement measuring system
1010
zu verschweißendes Bauteilto be welded component
1111
zu verschweißendes Bauteilto be welded component
DD
BauteildurchmesserComponent diameter
FF
Vorschubkraftfeed force
F1, F2, F2 F 1 , F 2 , F 2
Vorschubkräfte bei der Bestimmung der elastischen Verformung desFeed forces at the determination of the elastic deformation of the
Systems Reibschweißmaschine – Spannmittel – BauteileSystems Friction welding machine - clamping devices - components
FAFA
AnreibkraftAnreibkraft
FRFR
Reibkraftfriction force
FS F S
Stauchkraftupsetting force
FH F H
Haltekraftholding force
kk
Federkonstantespring constant
ll
Bauteillängecomponent length
s0 s 0
LagenullpunktpositionLocation zero point position
ss
Vorschubwegfeed path
sB s B
Bezugsweg (Weg des Vorschubschlittens bis zur Berührung der Bauteile anreference path (Path of the feed slide to the touch of the components
der zu verschweißenden Stelle)of the to be welded Job)
sF0 s F0
Vorschubweg beim Zurückfahren des Vorschubschlittens von einerfeed path when driving back of the feed carriage of a
Vorschubkraft F > 0 bis zur Vorschubkraft F = 0feed force F> 0 to the feed force F = 0
s1, s2, s3 s 1 , s 2 , s 3
Vorschubwege bei der Bestimmung der elastischen Verformung desfeed paths in determining the elastic deformation of the
Systems Reibschweißmaschine – Spannmittel – BauteileSystems Friction welding machine - clamping devices - components
sA s A
AnreibwegAnreibweg
sR s R
Reibwegfriction travel
sS s S
Stauchwegupsetting

Claims (5)

Reibschweißverfahren, bei dem die zu verschweißenden Bauteile gespannt werden, mit einer vorbestimmten Vorschubkraft an der Schweißstelle gegeneinander gefahren und mit der Reibdrehzahl gegeneinander gedreht werden, die Reibphase in Abhängigkeit des Vorschubweges und/oder der Zeitgesteuertwird, während oder unmittelbar nach dem Abbremsen der Spindel mit einer vorbestimmten Stauchkraft gestaucht und abschließend mit einer vorbestimmten Haltekraft bis zur Erstarrung des an der Schweißstelle aufgeschmolzenen Materials gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass • die zu verschweißenden Bauteile (10, 11) in Richtung der Drehachse lagegenau gespannt werden, • danach gegeneinander gefahren werden und anhand der Vorschubkraft (F) und des jeweiligen Vorschubweges (s) die elastische Verformung des Systems Reibschweißmaschine – Spannmittel – Bauteile bestimmt und daraus eine Federkonstante (k) errechnet wird, • die zu verschweißenden Bauteile (10, 11) bis zur Vorschubkraft F = 0 auseinander gefahren und die Lagenullpunktposition (s0) der unverschweißten gespannten Bauteile (10, 11) ermittelt und gespeichert wird, • anhand der Lagenullpunktposition (s0) und der zu erreichenden Länge (l) des verschweißten Bauteiles (10, 11) die notwendigen Werte der Vorschubwege Anreibweg (sA), Reibweg (sR) und Stauchweg (sS) bestimmt und gespeichert werden, • anschließend die Reibphase und die Stauchphase vorschubweg- und/oder zeitgesteuert bei geregelter vorbestimmter Vorschubkraft (FA, FR, FS) durchgeführt und dann mit vorbestimmter Haltekraft (FH) der Reibschweißprozess beendet wird und dabei • sowohl während der Reib- als auch während der Stauch- und Haltephase die Steuerung des Prozesses anhand dem Vorschubweg (Anreibweg sA, Reibweg sR und Stauchweg sS) unter Einrechnung der durch die Federkonstante (k) beschriebenen elastischen Verformung des Systems Reibschweißmaschine – Spannmittel – Bauteile so erfolgt, dass nach Beendigung des Reibschweißprozesses der zur Erreichung eines vorbestimmten Endmaßes der verschweißten Bauteile (10, 11) notwendige gesamte Vorschubweg (Anreibweg sA + Reibweg sR + Stauchweg sS) zurückgelegt wurde.Reibschweißverfahren in which the components to be welded are stretched, driven against each other with a predetermined feed force at the weld and rotated with the Reibdrehzahl against each other, the friction phase in response to the feed path and / or the time-controlled, during or immediately after the deceleration of the spindle with a compressed up to a predetermined holding force until solidification of the melted at the weld material, characterized in that • the components to be welded ( 10 . 11 ) in the direction of the axis of rotation are exactly curious, • are then driven against each other and based on the feed force (F) and the respective feed path (s), the elastic deformation of the system friction welding machine - clamping means - determined components and from a spring constant (k) is calculated, the components to be welded ( 10 . 11 ) moved apart to the feed force F = 0 and the position zero position (s 0 ) of the unwelded tensioned components ( 10 . 11 ) and stored, • based on the position zero position (s 0 ) and the length to be reached (l) of the welded component ( 10 . 11 ) the necessary values of the feed paths Anreibweg (s A ), Reibweg (s R ) and compression path (s S ) are determined and stored, • then the friction phase and the compression phase feed path and / or time-controlled at controlled predetermined feed force (F A , F R , F S ) is carried out and then the friction welding process is terminated with a predetermined holding force (F H ) and the control of the process based on the feed path (starting travel s A , friction travel s R, both during the friction and during the compression and holding phases) the system friction welding and upsetting s S) under inclusion of by the spring constant (k) described elastic deformation - clamping means - as is done components that after completion of the friction welding process of to achieve a predetermined final dimension of the welded components ( 10 . 11 ) necessary entire Feed path (Anreibweg s A + Reibweg s R + Stauchweg s S ) was covered. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der elastischen Verformung des Systems Reibschweißmaschine – Spannmittel – Bauteile die zu verschweißenden Bauteile (10, 11) an der Schweißstelle gegeneinander gefahren und dabei die Vorschubkraft (F) soweit erhöht wird, bis ihr Wert die Stauchkraft (FS) erreicht und anschließend die zu verschweißenden Bauteile (10, 11) wieder auseinander gefahren werden und dabei bei verschiedenen Werten der Vorschubkraft (F1, F2, F3) der korrespondierende Wert des Vorschubweges (s1, s2, s3) erfasst und aus den Werten der Vorschubkräfte (F1, F2,F3) und den korrespondierenden Werten des Vorschubweges (s1, s2, s3) die Federkonstante (k) errechnet wird.A method according to claim 1, characterized in that for determining the elastic deformation of the system friction welding machine - clamping means - components to be welded components ( 10 . 11 ) at the weld against each other while the feed force (F) is increased until its value reaches the compression force (F S ) and then the components to be welded ( 10 . 11 ) are moved apart and at different values of the feed force (F 1 , F 2 , F 3 ) the corresponding value of the feed path (s 1 , s 2 , s 3 ) is detected and from the values of the feed forces (F 1 , F 2 , F 3 ) and the corresponding values of the feed path (s 1 , s 2 , s 3 ) the spring constant (k) is calculated. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der elastischen Verformung des Systems Reibschweißmaschine – Spannmittel – Bauteile beim gegeneinander Fahren der zu verschweißenden Bauteile beginnend von einem Wert der Vorschubkraft F = 0 bis zur maximalen Vorschubkraft F = FS der zurückgelegte Vorschubweg (s) erfasst und gespeichert wird und beim anschließenden auseinander Fahren der Bauteile beginnend von der maximalen Vorschubkraft F = FS bis zur Vorschubkraft F = 0 der zurückgelegte Vorschubweg (s) ebenfalls erfasst und gespeichert wird, beide Vorschubwege(s) miteinander verglichen werden und bei einer Abweichung beider Vorschubwege(s) voneinander um mehr als 10% der Verfahrensschritt Bestimmung der elastischen Verformung des Systems Reibschweißmaschine – Spannmittel – Bauteile wiederholt wird, wobei die Vorschubwege sowohl beim gegeneinander Fahren der Bauteile als auch beim anschließenden auseinander Fahren der Bauteile wie beschrieben erfasst und miteinander verglichen werden und bei erneuter Abweichung beider Vorschubwege voneinander um mehr als 10% der Reibschweißprozess abgebrochen wird.A method according to claim 2, characterized in that in determining the elastic deformation of the system Reibschweißmaschine - clamping means - components when driving against each other to be welded components starting from a value of the feed force F = 0 to the maximum feed force F = F S, the distance covered feed path ( s) is detected and stored and in the subsequent apart driving of the components starting from the maximum feed force F = F S to the feed force F = 0 of the traveled feed path (s) is also detected and stored, both feed paths (s) are compared with each other and at a deviation of the two feed paths (s) from each other by more than 10% of the process step determination of the elastic deformation of the system friction welding machine - clamping device - components is repeated, the feed paths both when driving against each other components and the subsequent apart driving the components as described are detected and compared with each other and renewed deviation of both feed paths from each other by more than 10% of the friction welding process is stopped. Verfahren nach einem der Ansprüch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Ermittlung und Berechnung der Federkonstanten (k) diese mit aus vorangegangenen Reibschweißprozessen mit gleichen Bauteilen ermittelten Federkonstanten (Referenzwert) verglichen wird und bei einer Abweichung von mehr als 5% von den Referenzwerten der Reibschweißprozess abgebrochen wird. Method according to one of claims 1, 2 or 3, characterized that after determining and calculating the spring constant (k) These with previous friction welding processes with the same components determined spring constant (reference value) is compared and at a deviation of more than 5% from the reference values of the friction welding process is canceled. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung der zur Erreichung eines vorbestimmten Endmaßes der verschweißten Bauteile (10, 11) notwendigen Vorschubwege (sA, sR, sS) die Wärmeausdehnung der Bauteile (10, 11) infolge des Reibschweißprozesses berücksichtigt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the calculation of the to achieve a predetermined final dimension of the welded components ( 10 . 11 ) necessary feed paths (s A , s R , s S ), the thermal expansion of the components ( 10 . 11 ) is taken into account as a result of the friction welding process.
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