DE1627466B2

DE1627466B2 - Verfahren und vorrichtung zum rotations-reibungsschweissen

Info

Publication number: DE1627466B2
Application number: DE1967B0093533
Authority: DE
Inventors: John Arthur Abington Cambridge Padilla (Großbritannien)
Original assignee: The Welding Institute, Abington, Cambridge (Großbritannien)
Priority date: 1966-07-18
Filing date: 1967-07-18
Publication date: 1976-09-09
Also published as: NL150035B; US3538592A; BE701455A; DE1627466A1; NL6709980A; GB1137115A; SE312054B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Rotations-Reibungsschweißen. bei

ίο dem zwei Werkstücke mit ihren miteinander zu verbindenden Oberflächen unter Einfluß einer axialen Anpreßkraft aneinander anliegen und gegeneinander gedreht werden, um an den zu verbindenden Oberflächen Reibungswärme zu erzeugen, wobei dann, wenn die Temperatur an den zu verbindenden Oberflächen ausreichend hoch ist, die Drehung der Werkstücke gegeneinander beendet und die axiale Anpreßkraft zur Bildung der Schweißung aufrecht erhalten oder vergrößert wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein Verfahren zum Rotations-Reibungsschweißen der oben beschriebenen Art ist in der US-PS 32 34 645 beschrieben.

Dabei werden zwei Werkstücke (im allgemeinen Stangen oder Rohre kreisförmigen Querschnittes) in Futter derart eingespannt, daß die zu verschweißenden Oberflächen sich berühren; die Werkstücke werden unter Anwendung einer axialen Anpreßkraft relativ zueinander gedreht. Die daraus resultierende Reibung hat einen raschen Temperaturanstieg zur Folge; wenn die Temperatur zum Schweißen ausreicht, wird die Relativdrehung beendet, die Anpreßkraft wird jedoch aufrechterhalten oder sogar vergrößert. Während des Schweißens wird eine gewisse Menge des Materials aus dem Berührungsbereich herausgedrückt und bildet einen charakteristischen Kragen an der Schweißstelle.

Bei diesem Verfahren ist die Belastung des Antriebes und der Kraftübertragungsanlage beträchtlichen Schwankungen unterworfen. Anfangs sind die beiden Berührungsflächen kalt, was der Relativdrehung einen beträchtlichen Widerstand entgegensetzt. Die Umfangsgeschwindigkeit der Relativdrehung ändert sich mit dem Abstand von der Drehachse. Der Temperaturanstieg und die daraus resultierende verstärkte Plastifizierung wird von einer Ausdehnung der Metalle an den Berührungsflächen begleitet. Das Zusammenwirken dieser Faktoren führt zu einer etwas komplexen Folge von Vorgängen; kurz nach Beginn der Relativdrehung erreicht das Drehmoment jedoch immer einen Spitzen-

wert. Häufig wird die Überlastungskapazität eines elektrischen Motors dazu verwendet, das Verfahren über den »Drehmomenten-Gipfel« zu führen; die Überlastung müßte jedoch bei periodischem oder längerem Betrieb (z. B. bei einer dauernd arbeitenden automatischen Maschine) verringert werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist daher darin zu sehew, beim Rotations-Reibungsschweißen das erforderliche Drehmoment beim Einlaufen der Werkstücke zu verringern.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß ausgehend von dem eingangs beschriebenen Verfahren dadurch gelöst, daß ein der Belastung der Antriebseinrichtung zur Erzeugung der Drehung der Werkstücke gegeneinander entsprechendes Signal in einem Regelkreis zur Beeinflussung der axialen Anpreßkraft in dem Sinne verwendet wird, daß bei Spitzenwerten dieses Signales die axiale Anpreßkraft geringer ist, als sie es ohne eine solche Regelung wäre, wobei das zur Regelung

verwendete Signal wenigstens während der ersten Phase der Reibungserwärmung, bevor dieses Signal einen gleichbleibenden Wert erreicht. Verwendung findet.

Die Erfindung besteht somit darin, daß die Belastung der Kraftübertragungsanlage, die die Relativdrehung der Werkstücke bewirkt, gemessen und dazu verwendet wird, die Größe der Anpreßkraft wenigstens zu Beginn der Bearbeitung zu regeln, damit das Drehmoment den annähernd konstanten Dauerwert, den es während des letzten Bearbeitungsabschnitts annimmt, nicht wesentlich überschreitet.

Während des Zeitabschnitts, in dem das Drehmoment normalerweise einen Höchstwert erreichen würde, wird also die Anpreßkraft verringert, wodurch die Kraftübertragungsanlage entlastet wird und ein Antrieb kleinerer Leistung verwendet werden kann.

Vorzugsweise wird die Anpreßkraft fast während der gesamten Erwärmungszeit in Abhängigkeit von der Belastung der Kraftübertragungsanlage geregelt. Wenn jedoch während des Verzögerns der Werkstücke ein erhöhter Druck aufgebracht werden soll, muß die Regelung der Anpreßkraft in Abhängigkeit von der Belastung der Kraftübertragungsanlage unterbrochen werden, bevor die Verzögerung beginnt. Falls gewünscht, kann die Zeitdauer, während der die Anpreßkraft geregelt wird, mittels eines auf die Anpreßkraft ansprechenden Druckschalters oder eines auf die relative axiale Bewegung der Werkstücke entsprechenden Grenzschalters begrenzt werden. Wenn die Regelung über die Zeitdauer hinaus, während der das Drehmoment seinen Höchstwert erreichen würde, fortgesetzt wird, wird der Druck während der letzten Stufen des Arbeitsganges vergrößert, wodurch die zur Verfugung stehende Leistung besser ausgenützt und der Leistungsbedarf stabilisiert wird.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß es nun möglich ist, das Rotations-Reibungsschweißen mittels eines automatischen Zeitgebers zu regeln. Die Schwierigkeit bei der Automatisierung des Rotations-Reibungsschweißens besteht darin, daß die einzelnen Schweißungen während ihrer Anfangsstufen sehr unterschiedlich verlaufen und diese Anfangsstufen ganz verschieden lang dauern. In der Schlußphase verlaufen die Schweißungen jedoch nach einem viel gleichmäßigeren Muster. Das Messen der Belastung der Kraftübertragungsanlage liefert kennzeichnende Punkte im Schweißprozeß, die als Ausgangspunkte der automatischen Zeitgebung dienen können. Diese kennzeichnenden Punkte sind z. B. das Erreichen einer bestimmten Anpreßkraft oder der Beginn einer axialen Relativverschiebung der Werkstücke.

Die auf die Werkstücke ausgeübte Anpreßkraft kann durch Messung des Drehmomentes oder der Antriebsleistung geregelt werden. 5_D

Anhand von Zeichnungen wird nun ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung, die zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens dient, näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 in schematischer Weise die Schweiß- und Regeleinrichtung,

Fig.2a einen typischen Drehmomenten- und Anpreßkraftverlauf einer Rotations-Reibungsschweißung, bei der die erfindungsgemäße Rückkopplungsregelung nicht verwendet wurde,

F i g. 2b einen Drehmomenten- und Anpreßkraftverlauf bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Rückkopplungsregelung.

Ein Motor 1 dreht ein in einem Futter 3 befindliches erstes Werkstück 2. Das Ende eines in einem Futter 5 gehaltenen, nicht umlaufenden Werkstückes 4 wird mit dem Ende des Werkstückes 2 in Berührung gebracht; miteis eines in einem hydraulischen Zylinder 7 befindlichen Kolbens 6 wird auf die Berührungsflächen eine Anpreßkraft ausgeübt.

Ein Drehmomentenmesser 8 in Form eines Drehmomentenreaktionsgeräts ist mit der stillstehenden Welle verbunden und gibt ein Drehmomentensignal an einen Verstärker 9 weiter. Dieser Verstärker empfängt außerdem von einem Sollwertgeber 10 ein Sollwertsignal. Das Ausgangssignal des Verstärkers 9 stellt den Unterschied zwischen dem Drehmomentensignal und dem Sollwertsignal dar und wird über einen Verstärker 11 an einen Elektromagneten eines Servoventils 12 weitergegeben, das über ein Richtungswähler-Ventil 14 den Druck am Einlaß 13 des Zylinders 7 regelt Die Regelanlage stellt die axiale Anpreßkraft entsprechend den Schwankungen der Belastung der Kraftübertragungsanlage ein, indem der Durchfluß von einer Druckzufuhrleitung 15 durch das Servoventil verändert wird. Der Schieber des Servoventils verschiebt sich um einen Betrag, der von der Amplitude des Erregerstromes des Verstärkers 11 abhängt. Wenn das Drehmomentensignal gleich dem Sollwertsignal ist, befindet sich der Schieber in einer neutralen, druckausgeglichenen Lage und sorgt für einen geregelten Abfluß. Wenn die Kraftübertragungsanlage unbelastet ist, gerät der Regelkreis aus dem Gleichgewicht, und das Servoventil wird geschlossen. Wenn die Belastung auf den dem Sollwertsignal entsprechenden Betrag ansteigt, verändert sich der dem Servoventil aufgeprägte Strom. Der Schieber des Servoventils folgt diesem und regelt den Durchfluß durch das Servoventil, wodurch der Druck im Zylinder 7 geregelt wird. Wenn das Drehmomentensignal größer als das Sollwertsignal wird, nimmt der Strom weiter zu, wodurch auch der Durchfluß von der Druckzufuhrleitung durch das Servoventil zunimmt Um den Kolben 6 zurückzuziehen, wird das Richtungswähler-Ventil 14 umgekehrt. Die Druckzufuhrleitung 15 und die Rückführleitung 17 sind durch ein Entlastungsventil 16 miteinander verbunden. Das Servoventil könnte, falls gewünscht, sowohl mit der Druckzufuhr- als auch mit der Rückführleitung verbunden sein; zwei Magnete des Servoventils wären dann mit dem Ausgang des Verstärkers 11 verbunden, und die vom Kolben 6 ausgeübte Anpreßkraft würde dadurch geregelt werden, daß der Fluidstrom von und zu den beiden Enden des Zylinders geregelt wird. Vorzugsweise wird das Servoventil jedoch als Durchflußregler, der mit der Druckzufuhrleitung verbunden ist, verwendet.

Bei einer typischen Rotations-Reibungsschweißung ohne die erfindungsgemäße Regelung nimmt das Drehmoment in der ersten halben Sekunde rasch zu, während zur gleichen Zeit die Anpreßkraft gleichmäßig auf ihren erforderlichen Wert ansteigt (Fig.2a). Anfangs ist das Drehmoment großen Schwankungen unterworfen, da die Berührungsflächen kalt sind und sich noch nicht aneinander angepaßt haben. Diese Schwankungen nehmen allmählich ab, aber das Drehmoment nimmt während der ersten halben Sekunde weiter zu, worauf es wieder langsam abfällt und nach etwa ein und einer viertel Sekunde einen konstanten Wert erreicht. Wie aus dem Schaubild ersichtlich ist, ist die Anpreßkraft fast während des ganzen Zeitraumes, in dem das Drehmoment über diesem Dauerwert liegt, ebenfalls hoch. In diesem

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Zeitraum ist der Energiebedarf des Antriebes wesent- dem Ende der ersten Sekunde und dem Zeitpunkt, in

Hch größer als im letzten Teil der Rotations-Reibungs- dem der Antrieb ausgekuppelt wird, besser ausgenützt

schweißung, wenn das Drehmoment seinen konstanten werden. Wie jedoch ohne weiteres ersichtlich ist, könnte

Gleichgewichtswert erreicht hat. Wie ersichtlich wird im Beispiel der Fig.2b die Rückkopplungsrcgclung

bei dem in Fig.2a gezeigten Rotations-Reibungs- 5 jederzeit nach Ende der ersten Sekunde ausgeschaltet

Schweißverfahren am Ende des Arbeitsprozesses kein werden. Außerdem ist es natürlich nicht erforderlich,

erhöhter Schlußdruck ausgeübt. daß das Sollwertsignal während der Tätigkeit der

Wenn beim Schweißen eine Rückkopplungsregelung Rückkopplungsregelung konstant ist. In manchen Fällen

der beschriebenen Art verwendet wird, bringen die kann es erwünscht sein, daß sich dieses Signal

anfänglichen Drehmomentenspitzen die Rückkopp- ίο entsprechend einem bestimmten Programm ändert.

Iungsregelung rasch in den Regelungsbereich, so daß Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren regelt also

der Servoventilstrom eine Verstellung des Ventilstell- der Prozeß selbst die ausgeübte Anpreßkraft und

Schiebers aus seiner Schließstellung bewirkt und die verringert dadurch den Leistungsbedarf. Die Erfindung

Zuwachsgeschwindigkeit de^r Anpreßkraft verringert. ist von besonderem Interesse beim Rotations-Reibungs-

AIs Folge davon verlangsamt sich der Drehmomenten- 15 schweißen großer Verbindungen, die hunderte oder

Zuwachs ebenfalls, und der momentane Mittelwert der sogar tausende PS erfordern; in solchen Fällen kann die

Drehmomentenschwankungen nimmt während der Motorleistung auf etwa 2/3 des Werts, der ohne die

ersten Sekunde langsam zu. Obwohl Drehmomenten- Rückkopplungsregelung erforderlich wäre, abgesenkt

Schwankungen immer noch vorhanden sind, sind sie werden. Die Erfindung ist auch von großer Bedeutung

jedoch nicht so groß wie in Fig.2a. Nach der ersten 20 bei Antrieben, die bei Überlastung stehenbleiben (ζ. Β.

Sekunde wird die Drehmomentenkurve der Fig. 2b hydrostatische Getriebe).

ausgeglichen und nimmt ungefähr den gewünschten Obwohl die beschriebene Regelung für einen Antrieb /- ·

Endwert an. Allgemein gesprochen sind die Drehmo- konstanter Drehzahl bestimmt ist, kann sie jedoch auch VJ

mentschwankungen und Drehmomentspitzen bei erfin- bei anderen Antrieben verwendet werden. Bei einem

dungsgemäßer Regelung geringer als bei herkömmli- 25 hydrostatischen Getriebe könnte anstelle des Drehmo-

chen Rotations-Reibungs-Schweißverfahren. mentenmessers ein Druckwandler, der eine ähnliche

Ein Vorteil der beschriebenen Vorrichtung besteht Funktion ausführen würde, verwendet werden,

darin, daß die Vorgabe eines Solldrehmomentes Wenn ein automatischer Zeitgeber eingeschaltet

automatisch zu einer entsprechenden Anpreßkraft werden soll, um die Schweißung zu beenden, kann ein

führt, wodurch eine getrennte Anpreßkraftregelung 30 Druckschalter so eingestellt werden, daß er auf einen

nicht benötigt wird. Wenn das Drehmoment vergrößert Kraftwert, der auftritt, wenn das Drehmoment seinen

wird, hat der anfängliche Drehmomentenmangel eine Dauerwert erreicht hat, anspricht. Die Betätigung des

Vergrößerung der Anpreßkraft zur Folge, was wieder- Druckschalters kann die Betätigung des Zeitgebers

um eine Zunahme des Drehmomentes bewirkt. In dem auslösen, und der Zeitgeber verursacht dann das

gezeigten Beispiel ist das Sollwertsignal so gewählt, daß 35 Anhalten des drehenden Werkstückes und eine daran

der Gleichgewichtswert der Anpreßkraft mit und ohne anschließende Erhöhung der Anpreßkraft. Das Zeilin-

Rückkopplungsregelung ungefähr gleich ist; das Soll- tervall wird so gewählt, daß sich das Material in einem

wertsignal kann aber auch so gewählt werden, daß die völlig wärmesaturierten Zustand selbst stabilisieren

Anpreßkraft nach den anfänglichen Drehmomenten- kann. Andererseits kann auch ein Grenzschalter den

Schwankungen über den Wert ansteigt, den sie ,ohne 40 Beginn der Zeitgeberbetätigung auslösen. Der Schalter

Rückkopplungsregelung angenommen hätte. Dadurch wird dann betätigt, wenn sich das axialbewegliche

kann die zur Verfügung stehende Leistung zwischen Futter um einen bestimmten Betrag bewegt hat.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen (,

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Rotations-Reibungsschweißen, bei dem zwei Werkstücke mit ihren miteinander zu verbindenden Oberflächen unter Einfluß einer axialen Anpreßkraft aneinander anliegen und gegeneinander gedreht werden, um an den zu verbindenden Oberflächen Reibungswärme zu erzeugen, wobei dann, wenn die Temperatur an den zu verbindenden Oberflächen ausreichend hoch ist, die Drehung der Werkstücke gegeneinander beendet und die axiale Anpreßkraft zur Bildung der Schweißung aufrecht erhalten oder vergrößert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Belastung der Antriebseinrichtung zur Erzeugung der Drehung der Werkstücke gegeneinander entsprechendes Signal in einem Regelkreis zur Beeinflussung der axialen Anpreßkraft in dem Sinne verwendet wird, daß bei Spitzenwerten dieses Signals die axiale Anpreßkraft geringer ist, als sie es ohne eine solche Regelung wäre, wobei das zur Regelung verwendete Signal wenigstens während der ersten Phase der Reibungserwärmung, bevor dieses Signal einen gleichbleibenden Wert erreicht. Verwendung findet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beeinflussung der axialen Anpreßkraft durch das der Belastung des Antriebes entsprechende Signal so lange aufrecht erhalten wird, bis die Geschwindigkeit der Drehung der Werkstücke gegeneinander infolge der Abtrennung des Antriebes fällt.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, welche eine Maschine zum Reibungsschweißen mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer gegenseitigen Drehung zwischen den Oberflächen zweier miteinander zu verbindender Werkstücke und mit einer Einrichtung zum Ausüben einer axialen Anpreßkraft zwischen den Werkstücken aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der ein der Beanspruchung des Antriebes entsprechendes Signal erzeugende Meßwertgeber (8) ein Drehmomentmesser (8) ist

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmomentmesser (8) mit der Welle eines das stillstehende Werkstück haltenden Futters (5) verbunden ist.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, welche eine Maschine zum Reibungsschweißen mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer gegenseitigen Drehung zwischen den Oberflächen zweier miteinander zu verbindender Werkstücke und mit einer Einrichtung zum Ausüben einer axialen Anpreßkraft zwischen den Werkstücken aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertgeber zur Erzeugung eines der Beanspruchung des Antriebes entsprechenden Signals die Leistungsaufnahme des umlaufenden Antriebsmotors mißt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, mit einem hydraulischen Zylinder und Kolben zum Ausüben der axialen Anpreßkraft zwischen den Werkstücken, wobei der Zylinder durch Druck- und Rückführleitungen mit einer Druckmittelquelle verbunden ist, gekennzeichnet durch ein elektromagnetisches Servoventil (12) für Druckmittel, das mit der Druckleitung verbunden ist und den Druck am Zylinder (7) beeinflußt, indem es den Rückstrom von der Druckleitung durch das Servoventil zur Rückführleitung gemäß dem von dem Meßwertgeber (8) übermittelten Wert des Signals einstellt.