DE4344561C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Reibschweißen von zylindrischen Fügeteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbe­ griff nach Patentanspruch 1 sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Patentansprüchen 5-8.

Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Art (Wichelhaus/Grünauer "Voraussetzungen und Möglichkeiten des Reibstumpfschweißens" DE-Z MM Maschinenmarkt Nr. 70/1975 Vogel- Verlag Würzburg) entsteht durch Verdrängen von plastischem Werk­ stoff aus der Torsionsfließzone während des Schweißprozesses an der Verbindungsstelle ein Schweißgrat. Dieser ist in den meisten Fällen aufgrund der schnelleren Abkühlung härter als die Schweißzone, die ein feinkörniges Rekristallisationsgefüge und daher günstige Festigkeits- sowie Zähigkeitseigenschaften auf­ weist. Trotzdem wird bei diesem bekannten Verfahren der Schweiß­ grat unmittelbar nach Beendigung des Schweißprozesses im noch warmen Zustand abgedreht.

Die beim Reibschweißen entstehenden Grate stören die Gebrauchs­ fähigkeit des die Schweißverbindung aufweisenden Bauteiles. Ein mechanisches Entfernen (spanabhebendes Verfahren) wie im bekann­ ten Falle ist jedoch sehr aufwendig, weil der Grat eine sehr ho­ he Festigkeit aufgrund dieses Schweißverfahrens hat.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Reibschweißen zu schaffen, das die Gebrauchsfähig­ keit durch Verhindern eines störenden Grates ohne teuren Mehr­ aufwand sicherstellt.

Die erläuterte Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch ein Verfah­ ren mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird die Schweißwulst wäh­ rend des Schweißvorganges so geformt, daß ohne Nacharbeit die Gebrauchsfähigkeit gegeben ist, weil ein störender Grat nicht mehr vorhanden sein kann.

Bei dem bekannten gattungsgemäßen Verfahren ist dem eigentlichen Schweiß- oder Stauchvorgang ein Fügeteilvorbereitungsvorgang vorangestellt, der aber auf eine Stoßflächenvorbereitung bei na­ hezu planparallelen Trennschnitten verzichtet und mehr oder we­ niger auf Maßnahmen beschränkt ist, bei dünnwandigen Rohren den Planschlag möglichst gering zu halten, andernfalls aber nur Be­ läge und Verunreinigungen von den Stoßflächen zu entfernen.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung gemäß Patentanspruch 2 oder 3 ist eine Fügeteilvorbereitung im Sinne einer Erleichterung der Verformung der noch warmen Schweißwulst zur Vermeidung des Schweißgrates vorgesehen.

In Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung auf das Reib­ schweißen zum Verbinden von Stirnflächen einer zentrischen La­ gerhülse und eines koaxialen, zu einer radial inneren Nabe, die mit einer Außenschale eines Pumpenrades eines hydrodynamischen Drehmomentwandlers einteilig ausgebildet ist, einteiligen An­ schlußstutzens nach Patentanspruch 4 kann auf eine besondere Fü­ geteilvorbereitung im Sinne des Patentanspruches 2 verzichtet werden, weil hierbei die Schweißwulst, welche sich am Übergang der durch Schweißen miteinander verbundenen Stirnflächen in die sich jeweils axial anschließende Außenmantelfläche gebildet hat, in Richtung des Überganges zwischen der Nabe und dem Anschluß­ stutzen zumindest teilweise verdrängt ist.

In diesem Zusammenhang ist es noch aus der US-PS 3 584 520 bei einem hydrodynamischen Drehmomentwandler bekannt, daß eine zen­ trische Lagerhülse mit ihrem einen Stirnende an eine radiale An­ schlußfläche einer Nabe angesetzt und mit letzterer durch eine Kehlnaht verbunden ist, wobei die Nabe radial innen zu der Au­ ßenschale eines Pumpenrades liegt und mit dieser einteilig ausgebildet ist.

Nach den Hinweisen in der DE-Z: Schweißen und Schneiden, Jahr­ gang 20 (1968) Heft 11, zwinge der harte Konkurrenzkampf mit der in- und ausländischen Industrie die Kraftfahrzeughersteller ständig, neue technologische Entwicklungen auf die Möglichkeit hin zu prüfen, ob sie im Rahmen einer Großserienfertigung zur Lösung bestehender technischer Probleme und zu einer wirt­ schaftlicheren Arbeitsmethode beitragen können. Da das Reib­ schweißen als Fügeverfahren für Stumpfnähte sowohl fertigungs­ technisch als auch schweißtechnisch gegenüber den bisher bei einer Reihe von Kraftfahrzeugteilen benutzten Verbindungstech­ niken einige wesentliche Vorteile biete, würde es bereits kurz nach seiner Entwicklung zur Praxisreife im Kraftfahrzeug einge­ setzt worden sein. Unter einer Auswahl der Einsatzfälle zeigt diese Druckschrift ein Flügelrad einer Umlaufverdrängerpumpe. Auch könne nach der Druckschrift das Reibschweißen bei der Fertigung einer Keilwelle angewendet werden. Durch die getrennte Herstellung eines Rohrteiles mit Innennuten und das Verbinden des fertigen Stückes mit dem übrigen Wellenteil ließe sich das Einarbeiten der Nuten in der Bohrung wesentlich erleichtern.

Nach Eichhorn/Borowka "Schweißen und Schneiden" VDI-Z Bd. 128 (1986) Nr. 20 - Oktober (II), S. 806, sei die Eignung auch von Turbinenschaufeln, -rädern und Laufradkränzen für das Schwung­ radreibschweißen nachgewiesen. Insgesamt habe sich das Reib­ schweißen nicht nur für die Herstellung hochpräziser sicher­ heitstechnischer Bauteile bewährt.

Schließlich findet sich in der das gattungsbildende Verfahren abhandelnden eingangs genannten Druckschrift noch der Hinweis, daß die Fügeteile an den Stoßstellen nach Möglichkeit gleiche Querschnitte haben sollen. Das Verbinden von Teilen mit unglei­ chen Stoßstellenquerschnitten ließe sich ebenso wie das Schweißen von Bolzen oder Rohren auf Bleche ohne Schwierigkeiten durchführen.

Die Patentansprüche 5 und 6 haben Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung zum Gegenstand, die darauf ab­ gestellt sind, die Schweißwulst während des Schweißvorganges in vorteilhafter Weise formen zu können.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung kann es bei Beendigung des Schweißvorganges, wenn die Schweißwulst während des Erkaltens der Bindezone verformt wird, infolge der noch drehenden drehan­ getriebenen Aufnahme und des Temperaturganges der Reibschweiß­ maschine dazu kommen, daß die Koaxialität der beiden Aufnahmen in bezug auf die Drehachse aufgehoben wird. Dieser Koaxiali­ tätsfehler ist umso größer, je elastischer der Maschinenrahmen zwischen den beiden Aufnahmen ist.

Die Patentansprüche 7 und 8 haben vorteilhafte Ausführungsformen einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung zum Gegenstand, die auf die Vermeidung der erläuterten Koaxialitätsfehler abgestellt sind.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von drei in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsformen.

In der Zeichnung bedeuten

Fig. 1 einen die Drehachse enthaltenden Teilaxialschnitt durch einen hydrodynamischen Drehmomentwandler mit einer Außen­ schale eines Pumpenrades, bei dem die Außenschale eine mit dem Verfahren nach der Erfindung hergestellte Reibschweißverbindung zwischen ihrer Nabe und einer La­ gerhülse aufweist,

Fig. 2 einen die Bindezone zeigenden Teilbereich der Reibschweißverbindung zwischen der Außenschale und der Lagerhülse als vergrößerter Ausschnitt von Fig. 1,

Fig. 3 einen der Fig. 2 entsprechenden Teilbereich, bei dem die Außenschale eine mit dem Verfahren nach der Erfindung hergestellte Reibschweißverbindung zwischen ihrer Nabe und einer Lagerhülse aufweist, und bei dem zwei Ausführungsformen des Verfahrens nach der Erfindung anhand einer schematischen Darstellung von Aufnahme- und Vorrichtungsteilen für das Reibschweißen gezeigt sind, und

Fig. 4 einen der Fig. 2 entsprechenden Teilbereich, bei dem die Außenschale eine mit dem Verfahren nach der Erfindung hergestellte Reibschweißverbindung zwischen ihrer Nabe und einer Lagerhülse aufweist, und bei dem das Verfahren nach der Erfindung in einer dritten Ausführungsform ebenfalls anhand einer schematischen Darstellung von Aufnahme- und Vorrichtungsteilen für das Reibschweißen gezeigt ist.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 ist in einem nicht dre­ henden glockenförmigen Außengehäuse 12, das an seinem weiten En­ de offen und an seinem engen Ende durch eine Abschlußwand 25 ab geschlossen ist, ein hydrodynamischer Drehmomentwandler 5 aufge­ nommen, welcher zur Bildung eines hydrodynamischen Arbeitskreis­ laufes in der üblichen Weise ein Pumpenrad 4, ein Turbinenrad 26 und ein Leitrad 27 aufweist. Die Außenschale 3 des Pumpenrades 4 ist mit einem das Turbinenrad 26 übergreifenden schalenförmigen Wandlergehäuse 28 starr und flüssigkeitsdicht verbunden, das an seiner äußeren Stirnseite Befestigungsaugen 29 für den Anschluß einer mit einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine verbundenen Antriebsscheibe aufweist.

Die Außenschale 3 weist eine radial innere Nabe 6 auf, welche in ihrem Querschnitt 19 gegenüber dem angrenzenden mittleren Be­ reich 20 der Außenschale 3 aufgedickt und mit einem zur Wandler­ drehachse 15-15 konzentrischen Anschlußstutzen 21 einteilig aus­ gebildet ist.

Es ist eine zur Wandlerdrehachse 15-15 konzentrisch liegende La­ gerhülse 7 verwendet, welche mit ihrem einen Stirnende 8 mit dem Stirnende 22 des Anschlußstutzens 21 durch eine Reibschweißver­ bindung 10 starr verbunden ist.

Auf der dem Drehmomentwandler 5 zugekehrten Stirnseite der Ab­ schlußwand 25 ist eine Umlaufverdrängerpumpe 16 konzentrisch zur Wandlerdrehachse 15-15 angeordnet und in einem an der Abschluß­ wand 25 befestigten Pumpengehäuse 30 aufgenommen.

Gegenüber dem Pumpengehäuse 30 und somit gegenüber dem Außenge­ häuse 12 ist die Lagerhülse 7 durch ein Lager 11 drehbar abge­ stützt und durch eine Dichtungsanordnung 13 abgedichtet.

Die Lagerhülse 7 steht durch eine Antriebsverbindung 14 mit der Umlaufverdrängerpumpe 16 in Wirkung. Zu dieser Antriebsverbin­ dung 14 gehören sowohl radiale Mitnahmezähne 17 der Pumpe 16 als auch axiale Mitnahmezähne 18, welche in die Mitnahmezähne 17 eingreifen und an dem anderen Stirnende 9 der Lagerhülse 7 vor­ gesehen und mit letzterer einteilig ausgebildet sind.

Die Lagerhülse 7 ist vor dem Reibschweißen mit ihrer gehärteten Lagerfläche 24 für das Lager 11 und mit ihrer gehärteten Dicht­ fläche 23 für die Dichtungsanordnung 13 sowie mit ihren axialen Mitnahmezähnen 18 zum Antrieb der Umlaufverdrängerpumpe 16 kom­ plett fertig bearbeitet.

Um beim nachfolgenden Reibschweißen die beim Schweißen von Roh­ ren bekannte radiale Einschnürung im Nahtbereich zu vermeiden, wird die Lagerhülse 7 vor Schweißbeginn mit einem inneren Spann­ dorn (49, Fig. 3 oder 4) elastisch aufgeweitet.

Die Ausführungsform nach Fig. 3 unterscheidet sich lediglich durch radial innere und äußere Anfasungen 31 und 32 an den durch Reibschweißen miteinander zu verbindenden Stirnenden 8a und 22a von Lagerhülse 7 und Anschlußstutzen 21 gegenüber der Ausführungsform der Fig. 1 und 2; für übereinstimmende Merkmale beider Ausführungsformen sind dieselben Bezugszeichen verwendet, so daß im übrigen auf die Figurenbeschreibung der Fig. 1 und 2 bezüglich der Ausführungsform von Fig. 3 verwiesen werden kann.

Die inneren Anfasungen 31 bilden einen konkaven Übergang zwi­ schen der jeweiligen Stirnfläche 8a oder 22a und der sich je­ weils axial anschließenden inneren zylindrischen Mantelfläche 37 der Lagerhülse 7 oder der axial sich anschließenden inneren zy­ lindrischen Mantelfläche 38 des Anschlußstutzens 21. Die äußeren Anfasungen 32 bilden einen konkaven Übergang zwischen der jeweiligen Stirnfläche 8a oder 22a und der sich axial an­ schließenden äußeren zylindrischen Mantelflächen 39 der Lager­ hülse 7 oder der axial sich anschließenden äußeren Mantelfläche 40 des Anschlußstutzens 21. Die Anfasungen 31 und 32 dienen zur Aufnahme des beim Stauchvorgang aus der Bindezone 43 (Fig. 2) gedrängten plastischen Materials, welches beim Stauchvorgang durch eine zylindrische Formfläche 46 eines gegenüber einer Auf­ nahme 35 für die Nabe 6 bewegungsfest angeordneten inneren Form­ werkzeuges 42 in die inneren Anfasungen 31 und durch eine Form­ fläche 44 eines gegenüber einer Aufnahme 34 für die Lagerhülse 7 bewegungsfest angeordneten äußeren Formwerkzeuges 41 in die äu­ ßeren Anfasungen 32 verdrängt wird und dadurch eine jeweilige Schweißwulst 36 ohne äußeren störenden Grat bildet.

Die Aufnahme 35 weist eine zylindrische Zentrierfläche 50 auf, welche die Nabe 6 über den Innenmantel 38 gegenüber der Dreh­ achse 15-15 zentriert. Die Aufnahme 35 weist eine radiale Ab­ stützfläche 51 für den verdickten Bereich 19 der Nabe 6 auf, um die Axialkräfte beim Stauchvorgang aufnehmen zu können.

Die Aufnahme 34 weist eine innere zylindrische Zentrierfläche 52 auf, um die Lagerhülse 7 mit ihrem die Mitnahmezähne 18 aufwei­ senden Endabschnitt gegenüber der Drehachse 15-15 zu zentrieren. Die Aufnahme 34 weist eine radiale Abstützfläche 52 für das Stirnende 9 der Lagerhülse 7 auf, um die Axialkräfte beim Stauchvorgang aufnehmen zu können. Die Aufnahme 34 ist beim Schweißvorgang in Drehrichtung angetrieben, rotiert also zur Drehachse 15-15. Zur Mitnahme der Lagerhülse 7 bei ihrer Rotati­ on weist die Aufnahme 34 radiale Mitnahmebolzen 54 auf, welche in Umfangsrichtung zwischen die Mitnahmezähne 18 eingreifen. Der in die Zentralöffnung 48 der Lagerhülse 7 - unter geringer ela­ stischer Aufweitung der letzteren - eingreifende zylindrische Spanndorn 49 ist zentrisch zur Drehachse 15-15 und bewegungsfest zur Aufnahme 34 angeordnet.

Um nach Beendigung des Schweißvorganges beim Abkühlen der Binde­ zone 43 etwa auftretende Koaxialitätsfehler zu vermeiden, sind die beiden Aufnahmen 34 und 35 gegenseitig durch eine Lageran­ ordnung 47 zentriert. Beim gezeichneten Ausführungsbeispiel ist die Anordnung 47 baulich zwischen je einem Lageransatz 55 und 56 von Aufnahme 35 und Spanndorn 49 vorgesehen.

Die Ausführungsform der Außenschale 3 gemäß Fig. 4 unterscheidet sich - die Aufnahme- und Vorrichtungsteile für das Reibschweißen nach der Erfindung mit einbezogen - ausschließlich durch die Formgebung für die äußere Schweißwulst 33 gegenüber der Ausfüh­ rungsform der Fig. 3. Für übereinstimmende Merkmale dieser bei­ den Ausführungsformen sind dieselben Bezugszeichen verwendet, so daß im übrigen auf die Figurenbeschreibung zu Fig. 3 verwiesen werden kann. Bei der Ausführungsform der Fig. 4 sind für den je­ weils radial äußeren Bereich der zu verschweißenden Stirnflächen 8b und 22b keine Anfasungen vorgesehen, sondern das äußere Form- Werkzeug 41 weist eine kegelförmige Formfläche 45 auf, welche zur Bindezone 43 (Fig. 2) derart angeordnet ist, daß beim Stauchvorgang das aus der heißen Bindezone 43 gedrängte plasti­ sche Material durch die Formfläche 45 in den Übergangsbereich zwischen der äußeren Mantelfläche 40 des Anschlußstutzens 21 und dem verdickten Flanschabschnitt 19 der Nabe 6 verdrängt wird.

Durch die Ausgestaltungen nach den Fig. 3 und 4 ist sicherge­ stellt, daß der Ringspalt zwischen der Lagerhülse 7 und einer nicht drehenden Statorwelle 57 zur Abstützung des Leitrades 27 gegenüber der Abschlußwand 25 frei von Schweißgrat und somit für die Druckmittelzuleitung zum hydrodynamischen Arbeitskreislauf des Drehmomentwandlers 5 nutzbar bleibt.

Durch die Ausgestaltungen nach den Fig. 3 und 4 ist weiterhin gewährleistet, daß bei dem Zusammenbau von Drehmomentwandler 5 und Außengehäuse 12 - bei welchem die Wandlerdrehachse 15-15 vorzugsweise aufrecht ausgerichtet ist - die vormontierte Dich­ tung 13 nicht durch einen Schweißgrat am Außenmantel der Lager­ hülse 7 beim Einfahren in den der Lageranordnung 11 zugehörigen Lagerhals des Pumpengehäuseteiles 30 beschädigt werden kann.

Claims (8)

1. Verfahren zum Reibschweißen von zylindrischen Fügeteilen un­ ter Verwendung je einer Aufnahme zur Halterung der beiden Füge­ teile und einer Einrichtung zur Bearbeitung der Schweißwulst mit einem Werkzeug, und bei dem die Aufnahmen, von denen eine drehantreibbar ist, in den Richtungen der Drehachse relativ zu­ einander verlagerbar sind, und bei dem während eines Stauchvor­ ganges die drehantreibbare Aufnahme in Rotation versetzbar ist und beide Fügeteile unter Aufbringung axialer Druckkräfte gegen­ einander gepreßt und im Bereich der an ihren benachbarten Stirn­ flächen liegenden Bindezone erwärmt werden, und bei dem während eines Bearbeitungsvorganges die Schweißwulst im warmen Zustand im Entstehungsbereich des Schweißgrates durch das Werkzeug einer Bearbeitung unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Endform, welche die Schweißwulst (33 oder 36) nach Beendigung des Stauchvorganges aufweist, durch ein Formwerkzeug (41 oder 42) festgelegt ist, welches jeweils in den Richtungen der Drehachse (15-15) gegenüber der einen Aufnahme (34 oder 35) unbeweglich und gegenüber der Bindezone (43) derart angeordnet ist, daß das während des Stauchvorganges aus der Bin­ dezone (43) gedrängte plastische Material durch eine Formfläche (44 oder 45 oder 46) des Formwerkzeuges (41 oder 42) spätestens mit Beendigung des Stauchvorganges spanlos in die Endform ge­ bracht ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem wenigstens ein Fügeteil vor dem Stauchvorgang in einem Fügeteilvorbereitungsvorgang ei­ ner Vorbereitung im Bereich der durch Reibschweißen miteinander zu verbindenden Stirnflächen unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide der durch Reibschweißen miteinander zu ver­ bindenden Stirnflächen (8a und 22a) durch eine Anfasung (32) je­ weils in die axial sich anschließende Außenmantelfläche (39 bzw. 40) übergeht oder übergehen.

3. Verfahren zum Reibschweißen von rohrförmigen Fügeteilen nach Anspruch 1, bei dem wenigstens ein Fügeteil vor dem Stauchvor­ gang in einem Fügeteilvorbereitungsvorgang einer Vorbereitung im Bereich der durch Reibschweißen miteinander zu verbindenden Stirnflächen unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide der durch Reibschweißen miteinander zu ver­ bindenden Stirnflächen (8a und 22a in Fig. 3; 8b und 22b in Fig. 4) durch eine Anfasung (31) jeweils in die axial sich anschlie­ ßende zylindrische Innenmantelfläche (37 oder 38) übergeht oder übergehen.

4. Verfahren nach Anspruch 1 zum Verbinden durch Reibschweißen von Stirnflächen einer zentrischen Lagerhülse und eines koaxia­ len, zu einer radial inneren Nabe, die mit einer Außenschale ei­ nes Pumpenrades eines hydrodynamischen Drehmomentwandlers ein­ teilig ausgebildet ist, einteiligen Anschlußstutzens, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schweißwulst (33), welche sich am Übergang der durch Schweißen miteinander verbundenen Stirnflächen (8b und 22b) in die sich jeweils axial anschließende Außenmantelfläche (39 bzw. 40) gebildet hat, in Richtung des Überganges zwischen der Nabe (6) und dem Anschlußstutzen (21) zumindest teilweise verdrängt ist.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der drehantreibbaren Aufnahme (34) zu dieser bewegungs­ fest ein konzentrisch außen zu dem zugehörigen Fügeteil (Lagerhülse 7) angeordnetes ringförmiges Formwerkzeug (41) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Reibschweißen von zwei rohrförmigen Fügeteilen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der nicht drehantreibbaren Aufnahme (35) zu dieser be­ wegungsfest ein konzentrisch innen zu dem zugehörigen Fügeteil (Anschlußstutzen 21) angeordnetes Formwerkzeug (42) mit einer zylindrischen Formfläche (46) verwendet ist.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Aufnahmen (34 und 35) in den zur Drehachse (15- 15) senkrechten Richtungen durch wenigstens eine Lageranordnung (47) gegenseitig abgestützt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für das Reibschweißen eines hülsenförmigen Fügeteiles (Lagerhülse 7) die Lageranordnung (47) baulich zwischen einem in die Zentralöffnung (48) des hülsenförmigen Fügeteiles (Lagerhülse 7) eingesetzten Spanndorn (49), welcher sowohl zen­ trisch zur Drehachse (15-15) als auch bewegungsfest zu der den hülsenförmigen Fügeteil (Lagerhülse 7) fassenden Aufnahme (34) angeordnet ist, und der das andere Fügeteil (Nabe 6) fassenden Aufnahme (35) vorgesehen ist.