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DE69502716T2 - Oszillierendes reibungsschweissen - Google Patents

Oszillierendes reibungsschweissen

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Publication number
DE69502716T2
DE69502716T2 DE69502716T DE69502716T DE69502716T2 DE 69502716 T2 DE69502716 T2 DE 69502716T2 DE 69502716 T DE69502716 T DE 69502716T DE 69502716 T DE69502716 T DE 69502716T DE 69502716 T2 DE69502716 T2 DE 69502716T2
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DE
Germany
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stamp
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welding
weld
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
DE69502716T
Other languages
English (en)
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DE69502716D1 (de
Inventor
Ole Terje N-4250 Kopervik Midling
Edward James N-4250 Kopervik Morley
Anders N-5474 Skjold Sandvik
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Welding Institute England
Original Assignee
Welding Institute England
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=26648488&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=DE69502716(T2) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Priority claimed from NO941144A external-priority patent/NO941144D0/no
Application filed by Welding Institute England filed Critical Welding Institute England
Publication of DE69502716D1 publication Critical patent/DE69502716D1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE69502716T2 publication Critical patent/DE69502716T2/de
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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Reibschweißverfahren zum Verbinden von (Metall-)Teilen, insbesondere auf das sogenannte oszillierende Reibungsschweißen, das auf einer relativen Reibungsbewegung zwischen einem Stempel aus härterem Material und zu verbindenden Teilen beruht. Die Erfindung ist ferner auf ein verbessertes Werkzeug gerichtet, das bei dem Reibschweißverfahren angewandt werden soll.
  • Das Reibschweißen, das auf dem Prinzip der gegenseitigen "Reibung" von zu verbindenden Gegenständen beruht, wobei eine hinreichende Wärmemenge erzeugt wird, durch die die aneinanderliegenden Flächen in einen plastischen Zustand versetzt werden, ist seit Jahrzehnten bekannt und in der Praxis üblich. Die Reibungswärme wird allein durch die beiden zu verbindenden Bauteile erzeugt. Die sich dabei ergebenden Schweißnähte haben jedoch eine Reihe von Nachteilen, die den angewandten Verfahren inhärent sind. Der Hauptnachteil, der die Anwendbarkeit des Reibschweißens erheblich einschränkt, besteht darin, daß wenigstens eines der zu verschweißenden Bauteile achsensymmetrisch sein muß. Dieses Verfahren ist daher beispielsweise nicht bei Bauteilen anwendbar, bei denen longitudinale kontinuierliche Schweißungen erforderlich sind.
  • Die verbesserte Version dieser Schweißung, die sogenannte oszillierende Reibungsschweißung, ist aus der WO93/10935 bekannt. Bei diesem Schweißverfahren wird ein Stempel (dritter Körper) aus härterem Material als die behandelten Werkstücke verwendet. Das oszillierende Reibschweißen beruht auf einer relativen zyklischen Bewegung zwischen dem Stempel und den Werkstücken, bei der der Stempel und die Werkstücke zusammengedrückt werden, um einen plastischen Bereich in dem Werkstückbereich durch die dabei entstehende Reibungswärme zu erzeugen, die relative zyklische Bewegung angehalten wird und man dann das plastifizierte Material hart werden läßt. Dabei wird mithin keine Wärme durch eine relative Bewegung zwischen den zu verbindenden Werkstükken erzeugt. Das Verfahren wird anhand von Beispielen verschiedener Werkstückmaterialien (Kunststoffe, Metall), Anwendungen (Reparatur von Rissen, Abdichtung, Verbindung) und Ausführungsformen des verwendeten Stempels veranschaulicht.
  • Dieses Verfahren und Gerät genügt bei Anwendung zum Verbinden extrodierter Formteile zu Strukturen für kritische Anwendungen weder der Forderung nach hochfesten Schweißungen ohne Lunker und einer ausreichenden metallurgischen Verbindung von Bauteilen noch der Forderung nach Ausbildung von Schweißungen mit sich überlappender Konfiguration.
  • Um eine hinreichende Verfestigung des Schweißmetalls zu erreichen, muß der untere Stempelteil (ohne Schulter) während des gesamten Schweißvorgangs (Vorschubs) in innigem Kontakt mit der Oberfläche der zu verbindenden Teile bleiben. Wenn sich die Stempelschulter bei diesem Vorschub auch nur kurzzeitig von der Oberfläche "abhebt", wird eine kleine Menge des plastifizierten Schweißmaterials hinter dem Stempel ausgestoßen, so daß Lunker in der Schweißung auftreten, weil kein Material zum Ausfüllen des leeren Raums nach dem ausgestoßenen Material zur Verfügung steht.
  • Ferner ist eine weitere Beschränkung mit der Verwendung eines bekannten "weichen" Schweißstempels verbunden, nämlich daß geringe Schweißgeschwindigkeiten erforderlich sind, um eine hinreichende Reibungserwärmung des Materials (Berührungsdauer zwischen dem Stempel und den zu verbindenden Teilen) zu erzielen und einen hinreichenden Fluß des plastifizierten Schweißmaterials sicherzustellen.
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein verbessertes oszillierendes Reibschweißverfahren anzugeben, das hochfeste Schweißungen sicherstellt, die frei von Lunkern sind und eine glatte Qualitätsoberfläche aufweisen.
  • Eine weiteres Ziel der Erfindung ist die Verbesserung des derzeit bekannten oszillierenden Reibungs-Stumpfschweißverfahrens, um auch Überlappungsschweißungen und Verbindungen von drei oder mehr Bauteilen zu ermöglichen.
  • Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine neue Stempelart anzugeben, die gleichförmige homogene Schweißnähte mit kleineren durch Erhitzung beeinträchtigten Zonen gewährleistet.
  • Diese und andere Ziele werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren der oszillierenden Reibungsschweißung und eine Vorrichtung (Stempel) jeweils nach den Ansprüchen 1 und 7 erreicht.
  • Weitere Ziele, spezielle Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnungen, Fig. 1 bis 5, in denen
  • Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht des bei der Erfindung anwendbaren Schweißgeräts bzw. -verfahrens darstellt,
  • Fig. 2 einen Teil eines vergrößerten Querschnitts des Aufbaus des zweiteiligen Stempels darstellt,
  • Fig. 3 schematisch prinzipielle Merkmale der neuen oszillierenden Reibungsschweißung darstellt,
  • Fig. 4 graphisch die optimale Relation zwischen Schweißung und Drehzahl und dem auf den Stempel ausgeübten Druck darstellt und die
  • Fig. 5a bis 5e Teile schematischer perspektivischer Ansichten verschiedener Arten der ausgebildeten Schweißnähte darstellen.
  • Nach den Zeichnungen, insbesondere Fig. 1, wird ein unverbrauchbarer Stempel 1, der einen drehbaren zylindrischen Körper 2 mit einem oberen Teil 22, der mit einer Leistungs- bzw. Kraftquelle, z.B. einem (in der Zeichnung nicht dargestellten) Motor verbunden ist, und einen unteren Teil 23 aufweist, der mit einem separaten Stift 24 versehen ist, zum Verbinden (Verschweißen) zweier aneinanderstoßend angeordneter Bauteile (Metallplatten) 3 und 4 verwendet. Durch Einführung des Stempels 1 zwischen die Bauteile 3, 4 unter Druck und Drehung, zur Ausbildung einer angemessenen Reibungswärme wird anschließend während einer translatorischen Bewegung längs der auf Stoß angeordneten Bauteile eine Stumpfschweißnaht 5 ausgebildet.
  • Die spezielle erfindungsgemäße Konfiguration des zusammengesetzten zweiteiligen Stempels 1, der untere Teil 23 (Schulter) des Stempels und die äußere Form (Konfiguration) des angebrachten Stifts 24 gemäß der Erfindung ist deutlicher aus Fig. 2 zu ersehen, wonach der untere Teil 23 des rotierenden zylindrischen Körpers 2 eine konkave Oberfläche aufweist, während die äußere Oberfläche des Stifts 24 mit abwechselnd vorstehenden und vertieften Teilen längs seiner Längsachse versehen ist.
  • Selbst wenn ein herkömmliches Schraubengewinde auf der äußeren Stiftfläche anwendbar ist und die Schweißqualität verbessert, hat bei einer bevorzugten Ausführungsform des Stempel-Stifts die Oberflächenkonfiguration, wie in der Figur dargestellt ist, vorzugsweise zwei oder mehr getrennte Platten (Klingen oder Blätter) 25, die vertikal und seitlich vom mittleren Teil des Stifts abstehend angeordnet sind.
  • Die Mikrostruktur von mittels dieses neuartigen Stifts ausgebildeten Schweißnähten weist fehlerfreie Verbindungen auf, die aus miteinander verriegelten plastifizierten Segmenten der verbundenen Bauteile bestehen, und zwar mit minimaler Materialturbulenz.
  • Die zusammengesetzte Ausbildung des angewandten Stempels 1 mit im Vergleich zur monolithischen Ausbildung bekannter Stempel separaten Stempel-Stift hat mehrere Vorteile. Zum einen ist bei dem Werkzeug (Stempel) die Tiefe der Stifteinführung einstellbar, so daß es eine Prozeßflexibilität bietet. Zum anderen kann der Stiftteil leicht zwischen verschiedenen Werkzeugeinheiten (Schulter/Halter) ausgewechselt und daher zum Schweißen von Bauteilen mit verschiedenen Wandstärken angepaßt werden.
  • Die innovativen Merkmale des neuen Werkzeugs und verbesserten Verfahrens der oszillierenden Reibschweißung werden aus der schematischen Skizze des Stempels und Schweißvorgangs verständlicher, die in Fig. 3 dargestellt sind, wobei mit W die Dicke der verschweißten Bauteile, mit ω die Schweißgeschwindigkeit, mit R der Krümmungsradius der konkaven Stempelschulter, mit F die nach unten gerichtete Kraft (Druck), die auf den Stempel ausgeübt wird, mit rs der Stempelschulterradius und mit t eine "Hinterschneidung" bzw. Eindringtiefe der Schulter in das geschweißte Material bezeichnet ist.
  • Die konkave Unterseite 23 des Stempels 1, der relativ zu einer Normalen zu den Schweißoberflächen leicht geneigt ist, in Kombination mit dem erwähnten schraubenartigen (in der Zeichnung nicht dargestellten) Stift 24, stellt sicher, daß das plastifizierte Material in einer Schweißzone sowohl vertikal als auch seitlich verdrängt wird, so daß das Metall zwischen verschiedenen, sich über das Schweißprofil erstreckenden Ebenen verformt wird. Die konkave Form der Stempelschulter bewirkt eine bestimmte unsymmetrische Verdichtung an der Oberfläche der Bauteile, die zu einem vertikalen Fluß/Übergang des Materials führt. Dies hat im Zusammenwirken mit einer horizontalen Materialbewegung aufgrund der äußeren Form des Stifts lunkerfreie Nähte hoher Qualität zur Folge.
  • Fig. 4 veranschaulicht schematisch eine optimale Relation zwischen einem abwärts gerichteten Druck F/π r2s in N/mm², der auf den Stempel ausgeübt wird, und dem Istwert der Schweißgeschwindigkeit ω (mm/min) bei verschiedenen Drehzahlen, die eine fehler- und lunkerfreie Schweißung mit einer glatten Oberfläche gewährleistet. Die Istwerte des Verhältnisses von optimalem Druck zu Schweißgeschwindigkeit hängen von verschiedenen Faktoren ab, z.B. dem verwendeten Material der verbundenen Bauteile (Al-Legierungen), der Schultergeometrie und so weiter.
  • Mehrere mit Stempeln verschiedener Durchmesser ausgeführte Schweißversuche haben gezeigt, daß die Verringerung des Durchmessers der Stempelschulter im Verhältnis zum Istwert der Wandstärke der verbundenen Bauteile einen vorteilhaften Einfluß auf die Qualität der Verbindungen/Schweißnähte neben der Möglichkeit einer Schweißgeschwindigkeitssteigerung hat.
  • So ermöglichte eine Verringerung des Durchmessers der Stempelschulter von 20 mm auf 15 mm und weiter auf 10 mm, die zum Verbinden 3 mm dicker flacher Extrusionen der Legierung 6082.50 verwendet wurde, eine Steigerung der Schweißgeschwindigkeit von 0,3 m/min auf 0,8 m/min, was hochqualitative porenfreie Schweißungen mit einer verringerten HBZ (durch Hitze beeinträchtigten Zone) ergab. Dies ist das kombinierte Ergebnis einer verringerten Wärmezufuhr und deren Bündelung auf die Umgebung der ausgebildeten Schweißnaht, was eine Verringerung der Schweißgeschwindigkeit und der nach unten auf den Stempel gerichteten Kraft ermöglicht und verzerrungsfrei geschweißte Strukturen ergibt.
  • Eine einfache Formel für das optimale Verhältnis des Radius rs der Stempelschulter zur Wandstärke W der geschweißten Bauteile lautet folgendermaßen:
  • Das Material des Stempels ist härter als das der Werkstücke bzw. Bauteile, die verbunden werden sollen. Für Bauteile aus Aluminium (Legierung) sollte das Material eine hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen haben, z.B. kann ein warmverformter Stahl ein Hochgeschwindigkeitsstahl oder ein Cermet-Material verwendet werden.
  • Die Fig. 5a bis 5e stellen schematisch perspektivische Teilansichten verschiedener Arten von Schweißungen dar, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und Stempels ausgebildet werden können, wobei Fig. 5a eine herkömmliche Stumpfschweißung, Fig. 5b eine T-Profilverbindung zwischen zwei Bauteilen, Fig. 5c eine Überlappungsschweißnaht, Fig. 5d eine weitere Variante eines T-Profils aus drei Bauteilen und schließlich Fig. 5e eine Eckschweißung zwischen zwei senkrecht aufeinander stehenden Bauteilen darstellt.
  • Die Anwendung des neuen und verbesserten Werkzeugaufbaus gemäß der Erfindung ermöglicht daher mehrere Schweißgeschwindigkeiten, während es gleichzeitig die Erzeugung hinreichender Reibungswärme gewährleistet. Dies ist die Folge einer längeren Kontakt/Erwärmungsdauer pro Volumeneinheit des Schweißmaterials und einer engeren Lokalisierung der erzeugten Wärme längs der Schweißlinie. Ferner werden erhebliche Schmiedekräfte (Drücke) auf das Material beim Verlassen des Schweißstempels ausgeübt. Eine optimale Kombination dieser Effekte hat Schweißungen hoher Qualität zur Folge, und zwar sowohl hinsichtlich der metallurgischen als auch der mechanischen Eigenschaften aufgrund einer homogenisierten Schweißung, die über den gesamten Schweißquerschnitt keine Porosität aufweist.

Claims (8)

1. Verfahren zur oszillierenden Reibungsschweißung von Bauteilen (3, 4), insbesondere zum Verbinden extrodierter zusammengesetzter Formen, bei dem die zusammengesetzten Bauteile (3, 4) zusammengedrückt und aneinander befestigt werden, in die zusammengesetzten Bauteile längs der Verbindungslinie ein Stempel (1) aus einem härteren Material als das der zu verbindenden Teile (3, 4) unter drehender Bewegung, die Reibungswärme erzeugt, eingeführt und dadurch ein plastifizierter Bereich im Material der benachbarten Bauteile erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner umfaßt: eine Homogenisierung der sich ergebenden Schweißnaht infolge eines verbesserten Flusses des plastifizierten Materials sowohl senkrecht als auch vertikal zur Längserstreckung der benachbarten zusammengesetzten Bauteile (3, 4), indem das erzeugte plastifizierte Material einem senkrechten Druck längs der Oberfläche der Bauteile (3, 4) ausgesetzt und gleichzeitig ein Materialfluß längs eines Stempel- Stifts in vertikaler Richtung bewirkt wird, der eine Verfestigung des plastifizierten Materials hinter dem Stempel ermöglicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Teil (23) des Stempels mit den benachbarten Oberflächen der zu verbindenden Bauteile unter einer leichten Neigung aus der Normalen zu Schweißoberflächen zur Anlage gebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Konfiguration des Stempel- Stifts (24) einen vertikalen und seitlichen Fluß des plastifizierten Materials über eine Schweißzone gewährleistet.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Bauteile durch Ausbildung einer T-artigen Schweißverbindung verschweißt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgebildete Schweißnaht eine Überlappungs-Schweißverbindung ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgebildete Schweißnaht eine Eck-Schweißung ist, die zwei im wesentlichen unter einem Winkel zueinander angeordnete Bauteile verbindet.
7. Unverbrauchbarer Stempel (1) zur oszillierenden Reibschweißung von Bauteilen (3, 4), mit einem drehbaren, im wesentlichen zylindrischen Körper (2), der einen mit einer Kraftquelle verbundenen oberen Teil (22) und einen mit einem Stift (24) versehenen unteren Teil (23) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Teil (23) des Stempels eine konkave Stirnfläche hat und der daran angebrachte Stift (24) ein auswechselbares Teil des Stempels mit einer Oberfläche in Form eines Gewindes ist.
8. Stempel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift mit wenigstens zwei vertikal angeordneten Platten versehen ist, die seitlich vom mittleren Teil des Stifts abstehen.
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