DE1552871A1

DE1552871A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Reibungsschweissen

Info

Publication number: DE1552871A1
Application number: DE19661552871
Authority: DE
Inventors: Kauzlarich James J; Maurya Ramamurat R
Original assignee: PRODUCTION JECHN LO Inc
Current assignee: PRODUCTION JECHN LO Inc
Priority date: 1965-10-21
Filing date: 1966-10-18
Publication date: 1970-01-08
Also published as: NL6614915A; GB1161800A; US3420428A; BE688735A

Description

* PATOiTANITALTrRANZCHOLLXNDER

Hamburg, den 14« Oktober 1966 "22266 »4Η

Priorität USA Ser. No. 499 21. Oktober 1965

Anmelders

Caterpillar Tractor Company

San Leandro, CaI., USA

Verfahren und Vorrichtung zum Reibungsschweißen

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zum Verbinden von Teilen in der Weise, daß die Teile durch Reibungsberührung so in Eingriff gebracht werden, daß sich die Grenzfläche erhitzt und in einen bindungsfähigen Zustand gebracht wirdο Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung, um Teile dadurch zu verbinden, daß sie in hin- und hergehende Reibungsberührung gebracht werden«.

Aufgrund einer russischen Veröffentlichung von V. I₀ Viii, in der Verfahren und Vorrichtungen zum Reibungsschweißen von Stangen und Rohren durch Drehung der Enden der Stangen und Rohre in Reibungsberührung hat eine lebhafte Tätigkeit auf diesem allgemeinen Gebiet der Verbindung von Teilen BAD ORIGINAL

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eingesetzt. Für die Verbindung von vielen Materialien, einschließlich der Verbindung unterschiedlicher Metalle miteinander, die bislang als zu schwierig herzustellen angesehen worden ist, sind Verfahrensparameter abgeleitet worden.

Bislang ist das Verfahren jedoch begrenzt auf die Verbindung von Teilen, die mit Bezug aufeinander drehbar sind. Wenigstens einer der Teile muß einen allgemeinen kreisförmigen Querschnitt an der zu verschweißenden Grenzfläche aufweisen.

Die mit der Entwicklung dieser Technik beschäftigten Fachleute haben schnell die Schwierigkeit erkannt, die sich durch die Beschränkung auf Drehtechnik ergibt. Deshalb ist ein Verfahren entwickelt worden, um die erforderliche Hitze durch hin- und hergehende Bewegung anstelle durch Drehbewegung zu entwickeln. Als Beispiel wird auf Fig. 1 (d) auf Seite 2 des Buches "Eeibungsschweißen von Metallen" von Vo I. Viii verwiesen, das von der American Welding Society, Inc., herausgegeben worden ist. Ferner wird auf das deutsche Patent Kr. 476 480 verwiesen. Die Schwierigkeiten jedoch, die bei der Erreichung

ο des beabsichtigten Ergebnisses mittels hin- und herge-

<o '

<*> hender Bewegung auftraten, verhinderten eine Weiterentoo

i^ wicklung dieses allgemeinen Gedankens * Demnach hat es

<o auch bislang keine Besehreibung von Verfahrensparametern

<*► oder Vorrichtungen gegeben, die zur Herbeiführung des gewünschten Ergebnisses brauchbar waren.

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Die bisherigen Erfahrungen für ReibungsschweiiBen durch. hin- und hergehende Bewegung ist in der folgenden Peststellung zusammengefaßt, die aus dem oben zitierten Buch von V. I. Viii, Seite 3, zitiert ist: "Es ist empfohlen worden, zwei Teile durch !Reibungsschweißen mittels hin- und hergehender Bewegung an den Berührungsflächen zu verbinden. Eine zukünftige Anwendung dieses Gedankens erscheint jedoch sehr zweifelhaft."

Demnach ist es das Hauptziel der vorliegenden Erfindung, zwei Teile miteinander zu verbinden, indem die Teile in hin- und hergehender Bewegung an einer gemeinsamen Grenzfläche gegeneinander gerieben werden. Gemäß der Erfindung werden die Teile unter ausreichendem Druck in Berührung gebracht, und die irequenz der hin- und hergehenden Bewegung ist schnell genug, und die Zeitspanne, während der die i'eile gegeneinander gerieben werden, ist lang genug, so daß die Grenzfläche erhitzt und bis zu einem plastischen Zustand durchgearbeitet wird. Wenn dieser eintritt, werden die Teile bei Aufhören der hin- und hergehenden Bewegung mit ausreichender Kraft zusammengedrückt,■um das plastische Material aus der Grenzzone in Gestalt eines äußeren Saumes herauszupressen.

«Die hin- und hergehende Bewegung wird in Richtung parallel o»

** zur Grenzfläche ausgeführt und kann vorzugsweise dadurch ^ erzeugt werden, daß die Drehbewegung eines Motors in eine -» Schwingungsbewegung einer Verbindungsstange und eines ixeenters oder einer kurbel umgewandelt Wird, die mit der

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Ausgangswelle des Motors verbunden ist. Die duroh diese Anordnung bewirkte Belastung und Vibration der die Bewegung verursachenden Einrichtung kann beträchtlich sein<> » Es ist deshalb ein weiteres Ziel der Erfindung, solche Belastungen^ und Schwingungen durch eine Ausgleichseinrichtung auszugleichen, die sich entgegengesetzt zur Verbindungsstange bewegt, welche einen der zu verbindenden Teile hin- und herbewegt«.

Die zu verbindenden Teile können in einem Gehäuse eingeschlossen sein, das mit inertem Gas gefüllt ist, um die Oxidation der erhitzten Flächen zu verhindern, die aufgrund der hin- und hergehenden Bewegung der Atmosphäre ausgesetzt sind. Der Berührungsdruck kann erhöht werden, wenn die Hin- und Herbewegung endet, und eine Bremse kann benutzt werden, um die hin- und hergehende Bewegung anhalten zu helfen· Verfahren und Einrichtung, welche diese Merkmale aufweisen, bilden weitere besondere Gegenstände der vorliegenden Erfindung.

Weitere Vorzüge und llerkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen und deren Wirkungs-

^ weise beispielsweise erläutert und dargestellt sind. Es

oo zeigen:

Pig. 1 die Ansicht der Vorderseite einer erfindungsge-

mäßen Einrichtung zum Verbinden von Teilen durch hin- und hergehende Bewegung,

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Fig. 2 eine Drauf sieht auf die Einrichtung nach Fig. 1,

Pig. 3 eine vergrößerte Ansicht der Vorderseite der in der Einrichtung nach Pig«. 1 verwendeten Anordnung zum Halten der Teile, wobei ein Teil der Anordnung fortgebrochen und im Schnitt zur Veranschaulichung von baulichen Einzelteilen darge- · stellt ist,

Figo 4 eine Endansicht entlang der linie bzwο in der durch die Pfeile 4-4 in Fig. 1 dargestellten Sichtung zur Veranschaulichung von Einzelteilen der Excenter, die zur Umwandlung von Dreh- in hin- und hergehende Bewegung dienen,

Fig. 5 die Kurve des Energieeinganges gegenüber der Zeit bei einem normalen Arbeitsablauf in der Einrichtung nach Fig. 1,

Fig» 6 eine Vorderansicht von zwei mit der Einrichtung nach Fig. 1 verbundenen Teilen, wobei die Verbindungszone teilweise aufgebrochen dargestellt ist, >\>j.*.

Fig. 7 eine Seitenansicht der in Fig. 6 dargestellten, verbundenen Teile,

Fig» 8 eine einhundertzehnfach vergrößerte Mikrofoto-

(O grafie von zwei Teilen aus SAE-1018-Stahl, die ο

to mit der Einrichtung mach Fig. 1 verbunden worden oo

^ sind, wobei die Feinstruktur der Bindung und der _o ~ durch Hitze beeinflußten Zone im Vergleich zu ·-» dem ursprünglichen Metall auf jeder Seite der Verbindungsζone kenntlich wird,

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ffig. 9 eine zweihundertfach vergrößerte Mikrofotografie eines Bereiches an der rechten Kante der Verbindungszone, die in Fig. 8 dargestellt ist,

Fig. 10 eine zweihundertfach vergrößerte Mikrofotografie eines Bereiches an der linken Kante der durch Wärme beeinflußten Zone, die in Fig. 8 dargestellt ist,

Fig. 11 eine zweihundertfach vergrößerte Mikrofotografie eines Bereiches, der sich von der Außenkante der wärmebeeinflußten Zone bis etwa zur Schweißgrenzfläche erstreckt,

Fig. 12 eine zweihundertfach vergrößerte Mikrofotografie im Bereich der Schweißgrenzfläche,

Fig. 15 die Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform einer mit hin- und hergehender Bewegung arbeitenden Reibungsschweißmaschine nach der Erfindung,

Fig. H eine Seitenansicht der in Fig. 13 dargestellten Maschine und

Fig. 15 eine Vorderansicht einer dritten Ausführungsform einer mit hin- und hergehender Bewegung arbeitenden Eeibungsschweißmaschine nach der Erfindung, bei welcher zwei getrennte Teilpaare gleichzeitig to verbunden werden.

O >

Eine. Maschine, die Teile durch hin- und hergehende Bewegung ho

_o verbindet und eine Ausführungsform der vorliegenden Erfin-

-* dung bildet, ist in den Fig. 1 und 2 allgemein mit dem

Bezugszeichen 21 bezeichnet·

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Di e Maschine 21 weist einen Rahmen 22 auf ■«.- Allgemein mit dein- Bezugszeichen 23 "bezeichnete Antriebsmittel dienen zur Hin- und Herbewegung eines zu verbindenden Teiles oder Werkstückes- WP1. iilne Halterung 24 hält den anderen zu verbindenden Teil oder das Werkstück WP2j Belastungsmittel· 26 drücken die Teile an der G-ren'zflache zusammen, und Ausgleichsmittel 27 gleichen dynamisch die Bewegung der Antriebsmittel 23 aus·

Die Antriebsmittel 23 enthalten einen Motor 28, der mit Halterungen 29 auf einer Platte 31 angeordnet ist. Die Platte 31 wird von Rahmen 32 des Maschinenrahmens 22 gehalten.

Wie noch ausführlich erläutert wird, können der Motor 29 und die Platte 31 zusammen durch den um den Punkt 34 schwenkbaren Hebel 33 aufwärtsbewegt werden, um die Antriebsverbindung vom Motor zu dem Teil WP1 zu trennen»

Die Ausgangswelle 36 des Motors ist über die Riemenscheiben 38 und 39 und einen Riemen 41, siehe insbesondere Fig. 4» zum^Antriöb einet Welle 37 angeschlossen. Die Welle 37 iit in dem Rahmen 22 mittels einer Mehrzahl Lagergehäuse 42,

to 43 und 44 drehbar angeordnet- Die Lagergehäuse 42 und 43 ο

<*> haben vorzugsweise selbst einstellende Lagerbuchsen 46« oo

*-- Zwischen den Lagergehäusen 42 und 43 ist auf der Welle 37

eine Bremsscheibe 47 befestigt. Bremsblöcke 48, siehe 2, können durch einen Hebel 49 und einen Nocken 51 betätigt

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werden, um die Drehung der Welle 37 am Ende eines SohweiS-vorganges anzuhalten.

Die Drehbewegung des Motors 28 und der Welle 37 wird über eine ExeenteranOrdnung, siehe insbesondere lig. 4» in eiae hin- und hergehende Bewegung verwandelte Ein Excenterlager— zapfen 52 ist auf die Welle 37 an einer Stelle zwischen den Lagergehäusen 43 und 44 aufgekeilt. Ein Wälzlager 53 umgibt, den Lagerzapfen 52 und ist zwischen dem Lagerzapfen 52 und dem inneren Ende einer Verbindungsstange 54 angeordnet. Das Werkstück WP1 ist in einem Block 50 am anderen Ende der Ver— bindungsstange 54 mittels Klemmschrauben 56 angeordnet· Aufgrund dieser Anordnung werden die Verbindungsstange und der Teil WP 1 veranlaßt, sich bei Drehung der Welle 37 hin- und herzubewegen < >

Die Stange 54 weist eine beträchtliche Masse aufj durch eine schnelle Hin- und Herbewegung werden die Antriebsteile erheblich belastet«

Erfindungsgemäß ist eine Ausgleichseinrichtung, die allgemein, durch das Bezugszeichen 27 bezeichnet ist und einen Arm 57 enthält, mit der Antriebsvorrichtung verbunuen, um die Bewegung der Verbindungsstange 54 auszugleichen« Der Ausgleichsarm 57 ist auf einem Excenterzapfen 58 mit eine» lager 59 drehbar angeordnet. Der Lagerzapfen 58 ist so ausgerichtet, daß er um 180° außer Phase gegenüber dem Lagerzapfen 52 ist ο Daher bewegen sich der Arm 57 vmä. die Ver-

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bindungsstange 54 mit gleichen Geschwindigkeiten, aber in entgegengesetzten Richtungen.

Die Mittelpunkte der Lagerzapfen 52 und 58 sind um etwa 3 mm gegenüber der Achse der Welle 37 versetzt. Daher bewegt sich der Block 50 aufgrund einer halben Umdrehung der Welle 37 um etwa 6 mm in eine Richtung und kehrt aufgrund der anderen Halbdrehung der Welle in die ursprüngliche Stellung zurück«

Abstandshalter 61 gewährleisten die axiale Ausrichtung der Arme 54 und 57 und der zugehörigen Bauteile auf der Welle 37» Diese beiden Arme werden vorzugsweiae eng benachbart gehalten, um die Biegebeanspruchungen auf der Welle 37 auf einem Kleinstwert zu halten»

Wie insbesondere Fig. 2 zeigt, ist das äußere Ende des Ausgleichsarmes 57 mit dem Rahmen 22 durch ein Paar Federn verbunden. Die Federn 62 dienen dazu, der Reibung entgegenzuwirken, die durch die Reibungsberührung zwischen den Teilen WP1 und WP2 entwickelt wird.

Die mit Excenter und Ausgleichsarm versehene Einrichtung stellt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar. Es können statt dessen auch eine Kurbel und eine mit hydraulischem Stoßdämpfer arbeitende Dämpfungsvorrichtung verwendet werden«

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Unter Bezug auf Pig» 3 wird die Halterung 24, die zum Halten des Teiles WP2 dient, ausführlich erläutert. Ein Paar V-förmiger Rinnen 63 sind in die Unterseite des Blockes 50 eingeformt ο Entsprechende Rinnen 64 sind in die Unterseite 67 der Halterung 24 eingeformt, und die in diesen Rinnen angeordneten .kugellager 66 ermöglichen eine Hin- und Herbewegung des Blockes 50. Ein senkrecht bewegbarer Block 68 ist in der Halterung 24 vorgesehen, und der Teil WP2 ist mittels Klemmschrauben 71 im oberen Block 68 angeordnet, .dine Mehrzahl von unter Pederspannung stehenden lagerkugeln 69 in der Halterung 24 berühren die Oberseite des Blockes 61, um Erschütterungen zu vermeiden·

Die Belastungsvorrichtung 26, siehe Pig. 1, weist einen Hebel 72 auf, der schwenkfähig bei 73 an einer Halterung 74 gelagert ist, die ihrerseits starr mit dem Maschinenrahmen 22 verbunden ist.

Der Hebel 72 hat eine Kerbe 76, in die ein mit einem Kamm versehener Block 77 eingreift, der an der Oberseite des Blockes 68 der Halterung 24 befestigt ist. Wenn daher der Hebel 72 um den Schwenkpunkt 73 nach unten gedrückt wird, werden der obere Block 68 und der darin angeordnete Teil WP2 nach unten gedrückt, so daß der Teil WP2 den Teil WP1 berührt. In der in Mg. 1 dargestellten Einrichtung wird ein Gewicht 78 benutzt, um den Druck für einen Erhitzungsvorgang zu liefern. Ein Gewicht 79 wird verwendet, um

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einen erhöhten Druck abzugeben, der eine entsprechend große Anstauchung und einen Grat am End'e des Vorganges erzeugt. Das Gewicht 79 hängt an einer Stange 81, deren oberes Ende mit einem Flansch oder einer Mutter 82 ver- , sehen ist, die gewöhnlich von dem Hebel 72 auf Abstand gehalten wird, bis der erhöhte Anstauchdruck benötigt wird,» In diesem Zeitpunkt wird ein elektrisch betätigtes Solenoid 83 erregt, um einen Stift 84 aus einer Bohrung in der Stange zurückzuziehen, so daß das Gewicht 79 fällt und den Hebel 72 belastet.

Am Ende des Hebels 72 ist eine Rastklinke 86 vorgesehen.' Die Klinke berührt die Zähne einer Zahnstange 87» um einen Bückprall zu verhindern, wenn das Solenoid 83 erregt wird.

Zur Verhinderung der Oxidation der Teile WP1 und WP2, die während der hin— und hergehenden Bewegung freiliegen, wird durch Röhren 88 und 89 ein ^nertes Gas auf die Werkstücke gerichtet. Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung bewirkt eine ausreichende Abschirmung ohne irgendwelche zusätzlichen Umhüllungen.

Zum Betrieb der hier beschriebenen Einrichtung werden die Teile WP1 und #P2 in die entsprechenden Blöcke 50 und 68 eingespannt, und der Motor 28 wird angelassen, um die Welle 37 zu drehen und den Teil WP1 hin- und herzubewegen· Bei Beginn des Verbindungsvorganges wird der Hebel 72 außer

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Eingriff mit dem Block 68 gehalten, so daß die zu verbindenden Teile nur unter Belastung durch den Block 68 aneinander gerieben werden. Nach einer kurzen Einfahrzeit, wan- * rend der der Zustrom von inertem Gas aus den Röhren 88 und 89 beginnt, wird der Hebel 72 in eine Stellung bewegt, in der das Gewicht 78 den Berührungsdruck zwischen den Teilen WP1 und WP2 vergrößert. Die Größe des Gewichtes 78 ist so gewählt, daß ein· ausreichender Druck zur Erhitzung der Grenzfläche zwischen den Teilen WP1 und WP2 bis zu einem plastischen Zustand unter der Hin- und Herbewegung erzeugt wira, die durch die Antriebsmittel 23 verursacht wird, Wenn die Grenzfläche bis zu einem plastischen Zustand erwärmt worden ist, wird der Motor 28 abgeschaltet, und der Hebel 33 wird betätigt, um den Motor anzuheben und die Antriebsverbindung zwischen dem Motor und der V/elle 37 zu trennen. Zur gleichen Zeit wird der Bremshebel 49 betätigt, um die Drehung der Welle 37 anzuhalten, und das Solenoid ö3 wird erregt, um den Stift 84 zurückzuziehen. Dadurch belastet das Gewicht 79 den Hebel 72 und erhöht den Berührungsdruck an der Grenzfläche zwischen den Teilen WP1 und "7P2. Lie Größe des Gewichtes 79 ist so gewählt, daß der Drucl: bis zu einer I-iöhe gesteigert wird, bei welcher die Grenzfluche geschmiedet wird und plastisches !.lateriai aus dem Grenzflächenbereich als äußerer Grat ausgequetscht wird, so daß eine gute Verbindung zwischen den Teilen gewährleistet wird.

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Maehfolgend werden typische Parameter für die Herstellung einer Verbindung zwischen zwei 3?lußstahlteilen gegeben, deren rechteckiger Querschnitt 6,3 mm χ 25,4 mm beträgt_o Die Excenterantriebswelle kann mit 2800 UpM gedreht werden, um eine größte Schwingungsgeschwindigkeit von 0,933 m/Sek. mit einer Gesamt verschiebung von 6,35 mm des Teiles WPl zu erreichen« Ein Erhitzungsdruck von 590 kg/cm kann für eine Erhitzungszeit von etwa 5 Sekunden nach einer Einschleifperiode von 2 oder 3 Sekunden angewendet werden» Der Druck kann bis zu 1550 kg/cm am Ende des Vorganges gesteigert werden.

Pig. 5 zeigt eine Kurve, welche die Energieaufnahme in Wattsekunden während des Verbindungsvorganges darstellte Der horizontale Abschnitt 89 der Kurve entspricht dem Energieeingang während des Einschleifvorganges. Wenn die Erhitzungsbelastung durch .anwendung des Gewichtes 78 angelegt wird, erhöht sich der Energieeingang scharf bis zu einem Spitzen-Energieeingang, wie durch den im wesentlichen vertikalen Ast 91 der Kurve dargestellt wird- Sobald die Grenzfläche bis auf einen plastischen Zustand erwärmt worden ist, fällt der Energieeingang geringfügig, siehe Abschnitt 92, und von diesem Punkt an neigt der Energieeingang während des Erwärmungsvorganges dazu, sich stabil zu halten aufgrund des plastischen Zustandea der Grenzfläche. Y/ährend dieser Zeitspanne, die durch den Abschnitt 93 wiedergegeben wird, kann der Energieeingang geringfügig abnehmen. Der in dem Vorgang benötigte

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Schmiededruck wird, wie in Fig« 5 gezeigt wird, unmittel- 'bar vor Abschaltung des Motors am Punkt 94 angelegt und führt zu einem scharfen Anstieg des Energieeinganges, der die Spitze 96 erreicht. Diese Steigerung in der Energie ergibt sich durch das Ausquetschen des an die Grenzfläche angrenzenden heißen Materials, so daß bei fortdauernder Hin- und Herbewegung des Teiles WP1 eine plastische Durcharbeitung von kälterem und festerem Material erforderlich wird. Wenn der Motor 28 abgeschaltet ist, fällt die Energie auf Null, wie durch den im wesentlichen senkrechten Abschnitt 97 der Kurve angezeigt wird»

Figo 6 und 7 sind Darstellungen einer Schweißung, die die allgemeine Ausbildung des Saumes FL und die relative Größe der wärmebeeinflußten Zone HAZ zeigen«,

Fig» 8-12 sind Mikrofotografien von Teilen, die nach der vorliegenden Erfindung verbunden worden sind, und zeigen die Feinstruktur und die tierkmale des plastischen Materialflusses für das nach der Erfindung verbundene Material.

Fig. 8 ist eine Ansicht des gesamten Verbindungsbereiches, entsprechend den Schnittlinien YIII-VIII der Fig. 7« Diese Ansicht zeigt die Feinstruktur der Verbindungszone einschließlich des durch Wärme beeinflußten Bereiches im Vergleich zu dem ursprünglichen Metall auf jeder Seite der Verbindungszone.

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S¹Ig. 8 zeigt, daß zwischen dem erhitzten Material im Verbindungsbereieh und dem ursprünglichen Metall, das nicht durch Wärme während des Yerbindungsvorganges beeinflußt ist·, ein verhältnismäisig steiler Temperaturgradient vorhanden ist. Mg. 8 zeigt auch die extreme '.Pormverfeinerung,· die durch die thermische Veredelung und Durcharbeitung erzielt wird, welche sich aufgrund der Hin- und Herbewegung der Teile während der .Erwärmung und durch den plastischen JPluis des katerials während der Anstauchung ergibt« Bie Flußlinien, welche durch dunkle Schlierenlinien im ' Verbinaungöbereieh dargestellt werden, zeigen, daia ein Eaterialfluja in einer, im wesentlichen parallel zur iibenö der ürenzfläche gehunaen Richtung vorhanden ist. Diese Plutflinien sich auch im wesentlichen parallel zur Richtung der hin- und hergehenden Bewegung während des Verbindun^svorganges. Die Relativbewegung zwischen den beiden !eilen verläuft in der Darstellung in 5'ig. 8 in einer senkrechten Richtung«

Pig. 9 ist eine zweihundertfach vergrößerte i.ikrofotografie eines Bereiches in der rechten Kante des Verbindungsbereiches nach Pig. 8. Der rilastisehe Fluß des Materials wird durch eine gewisse Umlenkung des Kornes an der äußersten linken Seite der Mikrofotografie in fig. 9 dargestellt. Die rechte Seite der 3?ig. 9 zeigt verhältnismäßig ungestörtes Korn des ursprünglichen Metalles.

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Fig. 10 ist eine zweihundertfaoh vergrößerte Ansicht eines Bereiches am linken Abschnitt der Verbindungszone, die in ]?ig. 8 dargestellt ist und zeigt auch etwas von der Korn- ■ ' struktur des ungestörten Ausgangsmaterials.,Diese Fotografie zeigt'auch den ziemlich plötzlichen Übergang von der wärmebeeinflußten und plastisch durchgearbeiteten Zone des Materials zu der verhältnismäßig ungestörten Kornstruktur des Ausgangsmaterials.

Fig. 11 ist eine zweihundertfach vergrößerte Mikrofotografie eines Bereiches, der sich von der Außenkante der wärmebeeinflußten Zone bis etwa zur Grenzfläche erstreckt. Die Figur zeigt die starke Kornverfeinerung und Materialumlenkung, die sich durch den plastischen Fluß des Materials während der hin- und hergehenden Bewegung und während des Anstauchabschnittes des Verbindungsvorganges ergibt.

Fig. 12 ist eine zweihundertfach vergrößerte Mikrofotografie aus dem Bereich der Grenzflächej sie zeigt die extreme Kornverfeinerung, welche an dieser Stelle aufgrund der thermischen Verfeinerung und des beträchtlichen Umfanges der plastischen Durcharbeitung eintritt.

Die besondere Feinstruktur und Materialumlagerung,, die in den Pig. 8-12 ersichtlich wird, führt zu einer hochfesten Verbindung besonders zäher Art. Zugfestigkeitsprüfungen einer Reihe von Bindungsmustern führten dazu,

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daß- das Ausgangsmaterial außerhalb des Verbindüngsbereich.es brach.«, Zusätzlich zeigte sich, eine beträchtliche Auslängung des Teiles vor dem Brechen« .

I"ig. 13 und 14 zeigen eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Reibungsschweißeinrichtuttg» die allgemein das Bezugszeichen 100 hat. Die Maschine 100 weist einen Rahmen 22, Antriebsmittel 23, eine Halterung 24,- . Belastungsmittel 26 und Ausgleichsmittel 27 auf, die allgemein den entsprechenden Teilen der in Mg. 1-4 dargestellten und vor stehend beschriebenen Maschine^ 21 ähnlich sind₀ Die Teile der Maschine 100, welche denen der Maschine 21 entsprechen, sind mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. In der in Fig. 13 und 14 dargestellten Maschine ist der Motor in Rahmenteilen 101 gleitend bewegbar angeordnet. Eine Jeder 102 spannt den Motor 28 gewöhnlich nach links vor, um eine ausreichende Spannung im Riemen 41 zu erzeugen, damit -der Motor die Antriebswelle 37 dreheri kann« Ein Zylinder 103 mit einer Zylinderstange 102 ist gelenkig mit dem Motor 28¹Ui]Id dem Rahmen 22 verbunden« Wenn bei dieser Anordnung die Berührungsflächen der zu verbindenden Teile einen schweißfähigen Zustand erreichen,- wird unter Druck stehendes StrömungB-mi11e1 auf den ZyIinder 103 gegeben, um die Stangθ 104 auszufahren und den Motor 28 in der Darstellung der Hg« 13 nach rechts zu schiebeno' Dadurch wird die Antriebaverbinduhg zwischen dem Motor 28 und der AntriebBwelle 37 getrennt« : · :."■.· ^; ■ - -.= ''■■-.■:■■■ ■ - 90 9 88 2/ 09 11 * ³ ' -18-

Die Belastungsvorrichtung 26 enthält eine Zylinder- und Kolbenvorrichtung 106, welche die Gewichte 78 und 79 der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung ersetzt. Der der Vorrichtung 106 zugeführte luftdruck bewirkt, daß der jeweils gewünschte Berührungsdruck zwischen den Teilen WP1 und WP2 in irgendeiner gewünschten Folge abgegeben werden kann ο

Wie insbesondere Fig. 14 zeigt, wird die Bremse 49 durch ein Solenoid 107 betätigt.

Der Zylinder 103, die Vorrichtung 106 und das Solenoid werden selbsttätig durch eine Zeitgebervorrichtung gesteuert, die in der Maschine nach Fig. 13 und. 14 vorgesehen ist. Sie können jedoch auch entweder von Hand oder aufgrund anderer Parameter des Arbeitsablaufes betätigt werden, falls dieses erwünscht ist.

In Fig. 15 ist eine weitere erfindungsgemäße Maschine dargestellt, die allgemein mit dem Bezugszeichen 201 bezeiohnet ist. In dieser in Fig· 15 gezeigten Maschine weist die Ausgleichsvorrichtung eine Halterung 24' auf, die der im einzelnen mit Bezug auf Fig. 1 beschriebenen, Halterung 24 gleicht und mit dem Ausgleichsarm 57 so verbunden ist, daß Arbeitskräfte erzeugt werden, die gleich, aber entgegengesetzt gerichtet zu den Arbeitskräften sind, welche in der Halterung 24 erzeugt werden.

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i)ie gleichzeitige Ausführung von zwei Verbindungen an den Teilen WP1 und WP2 bzw. WP1« und WP2¹ mit der in Fig. dargestellten Maschine liefert ein wirksames Gleichgewicht der an der Antriebswelle 37 wirkenden Kräfte und erhöht außerdem die Leistung der Maschine·

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Patentansprüche

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Claims

Patentanspruche

1. Verfahren zum Verbinden von zwei Metallteilen durch Reibungsachweißen, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile in hin- und hergehender Bewegung an einer gemeinsamen Grenzfläche aneinander unter ausreichendem Druck und mit einer Frequenz der hin- und hergehenden Bewegung und während einer Zeitspanne gerieben werden, daß die Grenzfläche erhitzt und bis in einen plastischen Zustand durchgearbeitet wird, worauf die Teile bei Beendung der hin- und hergehenden Bewegung mit ausreichender Kraft zusammengedrückt werden, um das plastische Material aus dem Grenzflächenbereich als äußeren Grat herauszudrücken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Hervorrufung der hin- und hergehenden Bewegung der Teile dynamisch ausgeglichen wird·

3β Verfahren nach .Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Berührungsdruck am Ende der Relativbewegung erhöht wird, um eine .anstauchkraft zu erzeugen, welche den Grat ausquetscht.

4« Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibungsbewegung bei gleichzeitiger Erhöhung des Druckes dadurch angehalten wird, daß eine Bremse an

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Vorrichtung zur Hervorrufung der Relativbewegung der Teile angelegt wirdo

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile während eines Einfahrvorganges unter einer geringen Belastung in Berührung stehen, und der Berührungsdruck nachfolgend während einer Erwarmungsperiode erhöht wird und anschließend erneut gesteigert wird, wenn die hin- und hergehende Bewegung endet, um die Grenzfläche zu verschmieden.

6ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile mit einem inerten Gas abgeschirmt werden, um die Oxidation der erwärmten Flächen zu verhindern, die aufgrund der hin- und hergehenden Bewegung der Atmosphäre ausgesetzt werden«

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile mit einem Erwärmungsdruck im Bereich von 141 - 1406 kg/cm² während 1-15 Sekunden Erwärmungszeit und bei einer Spitzengeschwindigkeit der hin- und hergehenden Bewegung im Bereich von 0,45. - 4»5 m/Sek. in Berührung gebracht werden und daß die Teile mit einem Druck im Bereich von 141 - 2812 kg/cm gegeneinander gedrückt werden, wenn die hin- und hergehende Bewegung endet.

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8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Stahlteile mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,9 m/Sek. hin- und herbewegt werden.

9ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Stahlteile' mit einem Erwärmungsdruck im Bereich von 281 - 1055 kg/cm während einer Erwärmungsdauer von 1-15 Sekunden und einer Spitzengeschwindigkeit der hin- und hergehenden Bewegung innerhalb des Bereiches von 0,75 - 3 m/Seke in Berührung stehen und der Druck bis in einen Bereich von 562 - 2109 kg/cm erhöht wird, wenn die hin- und hergehende Bewegung endet.

10. Verfahren zum Verbinden von Metallteilen an einer gemeinsamen Grenzfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile duroh hin- und hergehende Bewegung in fieibungsberührung gebracht werden und dabei die Grenzfläche durch die Reibung und durch die Reibungsberührung erzeugte Durcharbeitung in einen schweißfähigen Zustand erwärmt wird, und daß die Teile unter einer Wärmebelastung zusammengepreßt werden, bis die Grenzfläche in einen plastischen Zustand erwärmt ist, wobei die die hin- und hergehende Bewegung der Teile erzeugende Vorrichtung dynamisch ausgeglichen, wird, indem eine Ausgleiehs- ° Vorrichtung entgegengesetzt zu der die Bewegung vera> ursachenden Vorrichtung bewegt wird, und daß die Be- ^* lastung am Ende der Reibungsbewegung erhöht wird, um ο

^ die Grenzfläche zu vorschmieden und das plastisch ge-' wordene Material aus der Grenzfläche als äußeren Grat

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11. Verfahren zum Verbinden von Metallteilen an einer gemeinsamen Grenzfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile sich in einer hin- und hergehenden Reibungsbewegung berühren, wobei die Grenzfläche durch die Reibung und die bei der Reibungsberührung entstehende Ösrelzarbeitung in einen sehweißfähigen Zustand erwärmt wird, und daß die Teile unter einer Wärmebelastung gegeneinander gepreßt werden, während sie zu hin- und hergehender Bewegung über einen Spitzen-Energieeingang

angetrieben werden, so daß sie einen Zustand erreichen, in welcher der Energieeingang zur Grenzfläche aufgrund des plastischen Zustandes der Grenzfläche sich stabilisiert, worauf die Teile am Ende der hin- und hergehenden Bewegung mit einer Belastung zusammengepreßt werden, die zur Ausquetschung des Grates von der Grenzfläche ausreicht.

12· Einrichtung zum Verbinden von Metallteilen entlang einer gemeinsamen Grenzfläche durch Reibungsschweißen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Belastungsmittel (72, 78, 79; 72, 106) zum Zusammendrucken der Teile an der Grenzfläche, Antriebsmittel (23) zum Bewegen der Teile in einer hin- und hergehenden Bewegung unter der durch die Belastungsmittelverursachten Last, und durch Ausgleichsmittel (27) zum dynamischen Ausgleich der Bewegung der Antriebsmittel. ■-■"""-..

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13· Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsmittel (27) eine Feder (62) aufweisen, die der an der Grenzfläche entwickelten
Eeibung entgegenwirkt.

14· Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleiohsmittel eine zweite Antriebsvorrichtung enthalten, die zu einer entgegengesetzt zur
ersten Antriebsvorrichtung gerichteten Bewegung angeschlossen ist und eine Verbindung zwischen zwei weiteren Teilen gleichzeitig mit der Ausbildung der
Verbindung zwischen den ersten beiden Teilen erzeugt.

. (Pig. 15)

15· Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile etwa 6,35 mm mit einer Frequenz hin-
und herbewegt werden, die über 40 Hz beträgt.

16. Einrichtung nach Anspruch 12 zum Verbinden von Stahlteilen, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungemittel einen Druck von mehr als 562 kg/cm an der
Grenzfläche ausüben.

17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungsmittel den Grenzflächendruck bis
auf einen über 1406 kg/cm liegenden V/ert am Ende der Reibungsbewegung zwischen den Teilen steigern können.

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18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 - 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmittel einen Drehan-. trieb (28) sowie einen Excenter (52) und eine Verbindung sstange (54) aufweisen, welche die Drehung der Ausgangswelle (37) des Drehantriebes in eine hin- und hergehende Bewegung eines der zu verbindenden Teile übersetzen.

ο Einrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (79, 81, 82, 83} 106) zur Steigerung der Belastung der Teile am Ende der hin- und hergehenden Bewegung»

20. Einrichtung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine Entkupplungsvorrichtung (33, 34) zum Abkuppeln der Antriebsmittel von den Teilen und duroh eine Bremse (47) zum Anhalten der Bewegung der Teile bei Anwendung der erhöhten Belastung»

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