NO870097L

NO870097L - FRICTION WELDING APPARATUS.

Info

Publication number: NO870097L
Application number: NO870097A
Authority: NO
Inventors: Allan Robert Thomson; Thomas Viner Heath
Original assignee: Thomson Welding Inspection Ltd
Priority date: 1985-05-10
Filing date: 1987-01-09
Publication date: 1987-01-09
Also published as: NO870097D0

Description

Oppfinnelsen angår et friksjonssveiseapparat.The invention relates to a friction welding apparatus.

Ved konvensjonell friksjonssveising forårsakes relativ rotasjon mellom et par arbeidsstykker mens arbeidsstykkene sammenpresses. Deretter, så snart der er bygget opp en tilstrekkelig varme mellom arbeidsstykkene, avbrytes den relative rotasjon og arbeidsstykkene sammenpresses under smikraft som kan være den samme eller større enn den opprinnelige presskraft. In conventional friction welding, relative rotation is caused between a pair of workpieces while the workpieces are pressed together. Then, as soon as sufficient heat has built up between the workpieces, the relative rotation is interrupted and the workpieces are pressed together under a forging force which may be the same as or greater than the original pressing force.

Konvensjonelle friksjons-sveiseapparater omfatter typisk kompliserte, elektroniske styringer for styring av de forskjellige krefter som må anvendes som for styring av drivinnretninger på en selektiv måte for å styre relativ rotasjon av arbeidsstykkene. Conventional friction welding devices typically include complicated, electronic controls for controlling the various forces that must be used as for controlling drive devices in a selective manner to control relative rotation of the workpieces.

Ifølge foreliggende oppfinnelse tilveiebringes et friksjons-sveiseapparat omfattende en kappe; en arbeidsstykke-holder som er roterbart og aksielt bevegelig montert i kappen; en fluidtrykk-operert drivinnretning som er koplet til arbeidsstykke-holderen for å bringe arbeidsstykke-holderen til å rotere i forhold til kappen; en fjærinnretning for å tvinge arbeidsstykke-holderen i en første aksiell retning i forhold til kappen; en trykkinnretning som reagerer på fluidtrykk for å bevege arbeidsstykke-holderen i forhold til kappen i en annen aksiell retning motsatt den første retning; et fluidinnløp i kappen; fluidoverføringsorganer for kommunisering av fluid under trykk fra innløpet langs en førstebane til drivinnretningen og langs en annen bane til trykkinnretningen; samt styreorganer som reagerer på aksiell bevegelse av arbeidsstykke-holderen i kappen for å styre fluidtrykket som kommuniseres langs den første bane, hvorved den første bane, når arbeidsstykke-holderen beveger seg i kappen under påvirkning av trykkinnretningen gradvis lukkes mens den annen bane forblir åpen. According to the present invention, a friction welding apparatus comprising a jacket is provided; a workpiece holder which is rotatably and axially movable mounted in the casing; a fluid pressure operated drive means coupled to the workpiece holder for causing the workpiece holder to rotate relative to the casing; spring means for biasing the workpiece holder in a first axial direction relative to the jacket; a pressure means responsive to fluid pressure to move the workpiece holder relative to the jacket in a second axial direction opposite the first direction; a fluid inlet in the casing; fluid transfer means for communicating fluid under pressure from the inlet along a first path to the drive means and along a second path to the pressure means; as well as control means that respond to axial movement of the workpiece holder in the casing to control the fluid pressure communicated along the first path, whereby the first path, when the workpiece holder moves in the casing under the influence of the pressure device, is gradually closed while the second path remains open.

Oppfinnelsen forenkler de kjente friksjons-sveiseapparaterThe invention simplifies the known friction welding apparatus

ved at en tilveiebringer et felles innløp for fluid under trykk som så innledningsvis benyttes til å operere en drivinnretning og til å tvinge arbeidsstykke-holderen i den annen retning. Deretter lukkes den første bane slik at drivinnretningen vil slutte å in that one provides a common inlet for fluid under pressure which is then initially used to operate a drive device and to force the workpiece holder in the other direction. The first path is then closed so that the drive device will stop

virke, og hele fluidtrykket vil bli tilført trykkinnretningen gjennom den annen bane. Friksjons-sveiseapparatet omstilles således automatisk fra en første tilstand hvor drivinnretningen roterer arbeidsstykke-holderen og holderen tvinges i den annen retning (vanligvis med en forholdsvis liten kraft) til en annen work, and the entire fluid pressure will be supplied to the pressure device through the second path. The friction welding apparatus is thus automatically switched from a first state where the drive device rotates the workpiece holder and the holder is forced in the other direction (usually with a relatively small force) to another

tilstand hvor rotasjon har opphørt og arbeidsstykke-holderen svinges i den annen retning under smikraft. Det er ikke nødvendig med noe inngrep fra en operatør under sveisesyklusen. condition where rotation has ceased and the workpiece holder is swung in the other direction under forging force. No operator intervention is required during the welding cycle.

Oppfinnelsen gjør det mulig å utvikle et bærbart friksjons-sveiseapparat som er enkelt å betjene i et konstruksjonssted- The invention makes it possible to develop a portable friction welding apparatus which is easy to operate in a construction site.

miljø uten elektriske eller elektroniske styringer.environment without electrical or electronic controls.

Styreorganene kan omfatte én eller flere elektroniske givere for aksiell overvåkingsbevegelse av arbeidsstykke-holderen samt for å avgi passende styresignaler for styring av motoren og fluidtilførselen. The control means may comprise one or more electronic sensors for axial monitoring movement of the workpiece holder as well as for issuing suitable control signals for controlling the motor and the fluid supply.

Styreorganene omfatter fortrinnsvis et ventilhus med en inngangsport som kommuniserer med fluidinnløpet, utgangsporter som kommuniserer med henholdsvis den første og annen fluidbane, The control means preferably comprise a valve housing with an input port that communicates with the fluid inlet, output ports that communicate with the first and second fluid paths respectively,

og et ventillegeme som er bevegelig i ventilhuset som reaksjon på relativ, aksiell bevegelse mellom arbeidsstykke-holderen og huset for å styre fluidkommunikasjon mellom inngangsporten og utgangsporten forbundet med den første bane samtidig som forbindelsen mellom inngangsporten og den andre utgangsport opprettholdes. and a valve body movable in the valve housing in response to relative axial movement between the workpiece holder and the housing to control fluid communication between the inlet port and the outlet port associated with the first path while maintaining communication between the inlet port and the second outlet port.

Med dette arrangement er det ikke nødvendig med noen elektroniske styringer og apparatet arbeider ganske enkelt under påvirkning av fluidtrykket. With this arrangement, no electronic controls are necessary and the device simply works under the influence of the fluid pressure.

For eksempel kan ventilhuset omfatte et ventilsete som sammenvirker med ventillegemet, idet enten ventillegemet eller ventilsetet er forbundet med kappen og den andre er forbundet med arbeidsstykke-holderen. For example, the valve housing may comprise a valve seat which cooperates with the valve body, with either the valve body or the valve seat being connected to the casing and the other being connected to the workpiece holder.

Drivinnretningen er hensiktsmessig aksielt fiksert i- forhold til arbeidsstykke-holderen. I dette tilfellet vil aksiell bevegelse av arbeidsstykke-holderen i forhold til kappen følges av aksiell bevegelse av drivinnretningen. The drive device is suitably axially fixed in relation to the workpiece holder. In this case, axial movement of the workpiece holder relative to the casing will be followed by axial movement of the drive device.

I enkelte tilfeller kan imidlertid arbeidsstykke-holderenIn some cases, however, the workpiece holder can

være aksielt bevegelig i forhold til drivinnretningen som selv er aksielt fiksert i forhold til kappen. Dette kan f.eks. oppnås ved hjelp av en kileforbindelse mellom drivinnretningen og arbeidsstykke-holderen. Fordelen med sistnevnte anordning er at en vesentlig del av aksialkreftene som vil virke på drivinnretningen blir fjernet, og dette gjør det mulig å anvende f.eks. konvensjonelle luftmotorer. be axially movable in relation to the drive device which is itself axially fixed in relation to the casing. This can e.g. achieved by means of a wedge connection between the drive device and the workpiece holder. The advantage of the latter device is that a significant part of the axial forces that will act on the drive device is removed, and this makes it possible to use e.g. conventional air engines.

Trykkinnretningen kan omfatte et stempel som er forbundet med arbeidsstykke-holderen, eventuelt via drivinnretningen, idet stempelet samvirker med en del av kappen for å danne en stempel-/ sylinder-anordning. The pressure device may comprise a piston which is connected to the workpiece holder, possibly via the drive device, the piston cooperating with part of the casing to form a piston/cylinder device.

Stempelet har hensiktsmessig en sentral åpning som danner en del av den første bane. Dette arrangement muliggjør en meget kompakt konstruksjon av stempel-/sylinder-enheten. The piston suitably has a central opening which forms part of the first web. This arrangement enables a very compact construction of the piston/cylinder assembly.

Fjærinnretningen omfatter hensiktsmessig en trykkfjaer selv om andre former for fjærinnretning kan benyttes. The spring device suitably comprises a compression spring, although other forms of spring device can be used.

Drivinnretningen omfatter fortrinnsvis en luftdrevet motor. Andre fluidopererte drivinnretninger, så som hydrauliske motorer, kan også brukes. The drive device preferably comprises an air-driven motor. Other fluid-operated drives, such as hydraulic motors, can also be used.

Selv om fluidtrykket innledningsvis kan påføres samtidig til både drivinnretningen og trykkinnretningen ved sveising av f.eks. stifter med liten diameter, omfatter apparatet videre fortrinnsvis en tidsregulatorinnretning som er plassert i den annen fluidbane for å frembringe en innledende tidsforsinkelse før fluidtrykket påføres trykkinnretningen. Although the fluid pressure can initially be applied simultaneously to both the drive device and the pressure device when welding e.g. pins of small diameter, the apparatus further preferably comprises a time regulator device which is placed in the second fluid path to produce an initial time delay before the fluid pressure is applied to the pressure device.

Et eksempel på et friksjons-sveiseapparat, i henhold til foreliggende oppfinnelse, skal nå beskrives i tilknytning til de medfølgende tegninger hvor: Fig. 1 er et delvis lengdesnitt gjennom det bærbare sveise-verktøy i dets tilbaketrukne stilling. Fig. 2 er et riss lik fig. 1, men viser verktøyet i uttrukket eller utskjøvet stilling. Fig. 3 er et grunnriss av verktøyet vist i fig. 1 og 2 med enkelte deler vist med strek prikklinje. An example of a friction welding apparatus, according to the present invention, will now be described in connection with the accompanying drawings where: Fig. 1 is a partial longitudinal section through the portable welding tool in its retracted position. Fig. 2 is a view similar to fig. 1, but shows the tool in an extended or extended position. Fig. 3 is a plan view of the tool shown in fig. 1 and 2 with individual parts shown with a dotted line.

Fig. 4 er et diagram av den pneumatiske styrekrets.Fig. 4 is a diagram of the pneumatic control circuit.

Fig. 5 viser grafisk forholdet mellom dreiemoment, trykk og hastighet som erfares under en pinneskrue-friksjonssveisesyklus. Fig. 6 viser grafisk energitilførselen til drivakselen til drivmotoren til verktøyet vist i fig. 1 og 2 under sveisesyklusen. Fig. 7 er et delvis lengdesnitt (langs linjen 7-7 fig. 8) gjennom et arrangement for fastspenning av verktøyet til et arbeidsstykke. Fig. 8 er et grunnriss av fastspenningsarrangementet med verktøyet utelatt. Fig. 5 graphically shows the relationship between torque, pressure and speed experienced during a stud-friction welding cycle. Fig. 6 graphically shows the energy supply to the drive shaft of the drive motor of the tool shown in fig. 1 and 2 during the welding cycle. Fig. 7 is a partial longitudinal section (along the line 7-7 Fig. 8) through an arrangement for clamping the tool to a workpiece. Fig. 8 is a plan view of the clamping arrangement with the tool omitted.

Det bærbare sveiseverktøy vist i tegningene har en ytre metallkappe med et øvre parti 1 som er festet til et nedre parti 2 ved hjelp av bolter (ikke vist). Verktøyet har et generelt sirkulært tverrsnitt sentrert på en akse 3 og kappedelen 2 strekker seg trinnformet mot aksen 3 langs lengden av verktøyet. The portable welding tool shown in the drawings has an outer metal jacket with an upper part 1 which is attached to a lower part 2 by means of bolts (not shown). The tool has a generally circular cross-section centered on an axis 3 and the sheath part 2 extends stepwise towards the axis 3 along the length of the tool.

Et håndtak 4 er montert på toppen av den øvre kappedel 1 og et annet håndtak 5 strekker seg fra en side av verktøyet. Håndtaket 5 er hult og kan ved hjelp av en gjengetapp 5' festes til en trykkluftkilde. Trykkluften kan strømme inn i verktøyet gjennom en åpning 6 i kappedelen 1. A handle 4 is mounted on top of the upper casing part 1 and another handle 5 extends from one side of the tool. The handle 5 is hollow and can be attached to a source of compressed air by means of a threaded pin 5'. The compressed air can flow into the tool through an opening 6 in the casing part 1.

Verktøyets øvre del danner et stempel/sylinderarrangement. Stempelet omfatter et skiveformet element 7 som er anordnet koaksialt med verktøyaksen 3 og har et aksielt utstikkende tapp-parti 8 som også er koaksialt med aksen 3. Stempelet er rotasjons-fast montert i verktøykappen ved hjelp av en fastholdingsbøyle 81 (fig. 3). Partiet 8 har aksielt fordelte boringer 9, 10 som sammen danner et ventilhus og er forbundet ved et konisk parti 11 som danner et ventilsett. Partiet 8 er ved hjelp av en O-ring 13 forseglet til en radielt forløpende vegg 12 i kappedelen 1. Stempelet 7 er fritt bevegelig i aksialretningen, men er rotasjons-fast i forhold til kappen 1, 2. The upper part of the tool forms a piston/cylinder arrangement. The piston comprises a disc-shaped element 7 which is arranged coaxially with the tool axis 3 and has an axially projecting pin part 8 which is also coaxial with the axis 3. The piston is rotatably mounted in the tool casing by means of a retaining bracket 81 (fig. 3). The part 8 has axially distributed bores 9, 10 which together form a valve housing and are connected by a conical part 11 which forms a valve set. The part 8 is sealed by means of an O-ring 13 to a radially extending wall 12 in the casing part 1. The piston 7 is freely movable in the axial direction, but is rotationally fixed in relation to the casing 1, 2.

Et ventillegeme 14 med konisk form, lik formen til partietA valve body 14 with a conical shape, similar to the shape of the lot

11, er plassert i boringen 9 i partiet 8 på en aksielt forløpende finger 15 som er løsbart montert på kappedelen 1. 11, is placed in the bore 9 in the part 8 of an axially extending finger 15 which is releasably mounted on the casing part 1.

Stempelet 7 er boltet til en motorkappe 16 som har en indre sylindrisk del 17 innbefattende en radielt innadragende, ringformet leppe 18. Via delen 17 danner stempelet 7 inngrep med en bakplate 19 hos en skoul-luftmotor 20. Motoren 20 kan være basert på hvilken som helst konvensjonell skoul-luftmotor og kan levere 4 kW ved hastigheter opp til 12000 r/min. The piston 7 is bolted to a motor casing 16 which has an inner cylindrical part 17 including a radially indenting, annular lip 18. Via the part 17, the piston 7 engages with a back plate 19 of a school air motor 20. The motor 20 can be based on which preferably conventional skoul air motor and can deliver 4 kW at speeds up to 12000 r/min.

Luftmotoren 20 omfatter en rotor 21 som er roterbart opplagret i et dobbeltrad-vinkelkontaktlager 22 og et nål-rullelager 23. Rotoren 21 omfatter en enhetlig, aksielt forløpende del 24 med en blindboring 25. Delens 24 ende 26 har utvendige skruegjenger for å kunne monteres i en chuck 27. The air motor 20 comprises a rotor 21 which is rotatably supported in a double row angular contact bearing 22 and a needle roller bearing 23. The rotor 21 comprises a unitary, axially extending part 24 with a blind bore 25. The end 26 of the part 24 has external screw threads to be able to be mounted in a chuck 27.

Motoren 20 har også en hastighetsregulator 28.The motor 20 also has a speed regulator 28.

Aksielle belastninger overføres gjennom rotoren 21 til lageret 22 og derfra gjennom motor-bakplaten 19 og motorkappen 16 til stempelet 7. Axial loads are transferred through the rotor 21 to the bearing 22 and from there through the motor back plate 19 and the motor cover 16 to the piston 7.

Et svinghjul 29 er boltet til en skiveformet støtte 30 somA flywheel 29 is bolted to a disc-shaped support 30 which

er festet til en roterbar drivaksel 20' i motoren 20. Ved et annet arrangement (ikke vist) kan svinghjul-støtten være koplet til motoren 20 ved hjelp av riller (splines) for å tillate relativ aksiell bevegelse mellom dem. Svinghjul-støtten 30 har tre åpninger, hvorav en 31 er vist i figurene, omkretsmessig fordelt rundt aksen 3. is attached to a rotatable drive shaft 20' in the motor 20. In another arrangement (not shown), the flywheel support may be connected to the motor 20 by means of splines to allow relative axial movement between them. The flywheel support 30 has three openings, of which one 31 is shown in the figures, circumferentially distributed around the axis 3.

Motorkappen 16 er avtettet i kappepartiét 2 ved hjelp av en O-formet ringtetning 32. The motor cover 16 is sealed in the cover part 2 by means of an O-shaped ring seal 32.

Motorkappen 16 tvinges oppad, som vist i fig. 1, ved hjelpThe motor cover 16 is forced upwards, as shown in fig. 1, by means of

av en trykkfjær 33 som virker mellom et indre trinn 34 på kappepartiét 2 og en radielt utadragende flens 35 utformet i ett med det indre sylindriske parti 17. of a compression spring 33 which acts between an inner step 34 on the casing part 2 and a radially projecting flange 35 formed in one with the inner cylindrical part 17.

Selve rotoren kan forskyves aksielt over en liten strekningThe rotor itself can be displaced axially over a small distance

i forhold til motorkappens 16 indre parti 17. Den tvinges til stillingen vist i fig. 1 ved hjelp av en sirkulær bladfjær 36 som virker mellom en flens 37 på sylinderpartiet 17 og en utadragende flens på et parti 38 av motoren 20. in relation to the inner part 17 of the engine cover 16. It is forced to the position shown in fig. 1 by means of a circular leaf spring 36 which acts between a flange 37 on the cylinder part 17 and a protruding flange on a part 38 of the motor 20.

Verktøyets virkemåte er som følger. En tapp eller stift 70 (fig. 7) monteres i chucken 27 som har en passende driv-utforming. Chucken kan f.eks. ha sekskantet eller tofliket form. Pinnekroppen strekker seg gjennom chucken 27 og opptas i blindboringen 25 i partiet 24. Pakningshylser (ikke vist) kan være anordnet i boringen 25 for å oppta pinner av forskjellig lengde. Alternative chucker kan være påskrudd rotorens 21 parti 24 for å oppta forskjellige drivinnretninger. The way the tool works is as follows. A pin or pin 70 (fig. 7) is mounted in the chuck 27 which has a suitable drive design. The chuck can e.g. have a hexagonal or bilobed shape. The pin body extends through the chuck 27 and is received in the blind bore 25 in the portion 24. Gasket sleeves (not shown) can be arranged in the bore 25 to receive pins of different lengths. Alternative chucks can be screwed onto the part 24 of the rotor 21 to accommodate different drive devices.

Verktøyet holdes mot overflaten på et arbeidsstykke 71 iThe tool is held against the surface of a workpiece 71 i

form av en karbon-stålplate som stiften skal sveises til ved hjelp av en magnetisk fastspenningsinnretning 72, i hvilken verktøyet er festet ved hjelp av en bajonett-kopling 39. Ved andre arrangementer kan rør-, bjelke- og vakum-fastspennings-innretninger anvendes. form of a carbon steel plate to which the pin is to be welded by means of a magnetic clamping device 72, in which the tool is fixed by means of a bayonet coupling 39. In other arrangements, tube, beam and vacuum clamping devices can be used.

Magnet-fastspenningsenheten 72 (fig. 7 og 8) omfatter et par stav-elektromagneter 73 som er sammenføyet via et hestesko-åk 74. En bajonettsokkel 73 som klemmer til bajonettkoplingen 39 er ved hjelp av bolter 82 festet til en topplate 76 på fastspennings-innretningen som i sin tur er festet til ben 78 ved hjelp av bolter 79. Platens 76 stilling i forhold til åket kan reguleres ved å forskyve benene langs parallelle tappslisser 83 i åket 72 for å tillate en-dimensjonal innretting av sveisehodet etter eksitering av elektromagnetene 73. Denne stilling kan fastspennes ved hjelp av en låseskrue 80. The magnet-clamping unit 72 (Figs. 7 and 8) comprises a pair of rod electromagnets 73 which are joined via a horseshoe yoke 74. A bayonet socket 73 which clamps to the bayonet coupling 39 is attached by means of bolts 82 to a top plate 76 on the clamping- the device which in turn is attached to legs 78 by means of bolts 79. The position of the plate 76 in relation to the yoke can be adjusted by displacing the legs along parallel pin slots 83 in the yoke 72 to allow one-dimensional alignment of the welding head after excitation of the electromagnets 73 This position can be clamped using a locking screw 80.

Verktøyet er festet til en trykkluftkilde som f.eks. enThe tool is attached to a compressed air source such as one

150 cfm (4,25 m<3>/min.) kompressor hvorfra trykkluften taes direkte eller ved bruk av den lagrede luftenergi ved 8 bar fra en mottaker på 170 liter. 150 cfm (4.25 m<3>/min.) compressor from which the compressed air is taken directly or by using the stored air energy at 8 bar from a receiver of 170 litres.

Banen langs hvilken luften strømmer fra håndtaket 5 til motoren 20 skal nå beskrives. Luft strømmer gjennom åpningen 6 The path along which the air flows from the handle 5 to the motor 20 will now be described. Air flows through opening 6

inn i et hulrom 40 og fra hulrommet 40 langs en førstebane inn i boringen 10 i stempelets 7 aksielt forløpende parti 8. Luften strømmer gjennom boringen 9 inn i et hulrom 41 som er avgrenset mellom stempelet 7 og svinghjul-støtten 30. Luften strømmer deretter inn i et annet hulrom 42 som avgrenses mellom svinghjul-støtten 30 og et radielt forløpende veggparti 43 i motorkappen 16 via åpningene 31 i svinghjul-støtten og rundt kanten av svinghjulet. Luften strømmer deretter gjennom åpninger (ikke vist) i motor-bakplaten 19 og en motor-pakningsplate 44 inn i motorhuset 45. Luften strømmer så ut gjennom åpninger 46 i veggen til motorhuset 45, forbi returfjæren 33 og ut av kappepartiet 2 via utløp 47 i kappepartiets vegg. into a cavity 40 and from the cavity 40 along a first path into the bore 10 in the axially extending part 8 of the piston 7. The air flows through the bore 9 into a cavity 41 which is defined between the piston 7 and the flywheel support 30. The air then flows into in another cavity 42 which is delimited between the flywheel support 30 and a radially extending wall portion 43 in the engine cover 16 via the openings 31 in the flywheel support and around the edge of the flywheel. The air then flows through openings (not shown) in the motor back plate 19 and a motor gasket plate 44 into the motor housing 45. The air then flows out through openings 46 in the wall of the motor housing 45, past the return spring 33 and out of the casing part 2 via outlet 47 in the cladding wall.

Styringen av verktøyet er helt automatisk for å gi en enkel avtrekker- eller utløser-påvirkning for sveisesyklusen. Sveisesyklusen innledes ved manøvrering av en sikrings-utløser 48 som åpner en ventil (ikke vist) slik at luft kan strømme gjennom håndtaket 5 via den tidligere beskrevne bane til motoren 20. Motoren 20 vil da akselerere til sin opprinnelige arbeidshastighet. Luft strømmer også langs en annen bane gjennom et avløpshull 49 The control of the tool is fully automatic to provide a simple trigger or release action for the welding cycle. The welding cycle is initiated by maneuvering a safety release 48 which opens a valve (not shown) so that air can flow through the handle 5 via the previously described path to the motor 20. The motor 20 will then accelerate to its original working speed. Air also flows along another path through a drain hole 49

inn i et hulrom 50. For stifter med liten diameter er det tilstrekkelig at denne luft virker direkte på stempelet 7 for å into a cavity 50. For pins with a small diameter, it is sufficient that this air acts directly on the piston 7 to

tvinge motorkappen 16 i forhold til kappepartiet 2 mot kraften fra fjæren 33. Denne enkle operasjon utnytter imidlertid ikke maskinens potensielle muligheter maksimalt. I praksis er det mer tilfredsstillende at luften fra avløpshullet 49 utsettes for ytterligere styring. Styrersystemet er skjematisk vist ved 51 i fig. 1 og mer detaljert i fig. 4. force the engine cover 16 in relation to the cover part 2 against the force from the spring 33. However, this simple operation does not make maximum use of the machine's potential capabilities. In practice, it is more satisfactory that the air from the drain hole 49 is subjected to further control. The control system is schematically shown at 51 in fig. 1 and in more detail in fig. 4.

Fig. 4 viser trykkluftkilden 52 under mating til en startventil 53. Denne ventil styres av utløseren 48. Ved drift vil en del av luften som leveres til hulrommet 40 strømme fra ventilen 53 gjennom avløpshullet 49, som tidligere beskrevet, og avgrenes ved dette punkt. Som også vist i fig. 4, blir trykket som tilføres gjennom avløpshullet 49 også tilført direkte til motoren 20 gjennom boringen 10 etc, som tidligere beskrevet. En gren 54 leder luft via en trykkregulator 55 til inngangsporten til en 3-port, 2-veis pilotstyrt fjærreturventil 56. Den andre gren kommuniserer trykkluft langs en ledning 57 via en tidsregulator 58 til 3-portventilens 56 pilotstyring. Innledningsvis er pilot-lufttrykkket ikke tilstrekkelig til å overvinne returfjærkraften slik at hulrommet 50, skjematisk vist i fig. 4, utsettes for Fig. 4 shows the compressed air source 52 during feeding to a starting valve 53. This valve is controlled by the trigger 48. During operation, part of the air delivered to the cavity 40 will flow from the valve 53 through the drain hole 49, as previously described, and branch off at this point. As also shown in fig. 4, the pressure supplied through the drain hole 49 is also supplied directly to the motor 20 through the bore 10 etc, as previously described. One branch 54 directs air via a pressure regulator 55 to the input port of a 3-port, 2-way pilot operated spring return valve 56. The other branch communicates compressed air along a line 57 via a timer 58 to the 3-port valve's 56 pilot control. Initially, the pilot air pressure is not sufficient to overcome the return spring force so that the cavity 50, schematically shown in fig. 4, is exposed to

atmosfæretrykk via et utløp utformet i en bolt 59 som er montert i den øvre kappedel 1 og bærer ventilen 56. Etter en forsinkelse på ca. 2 sekunder bestemt av tidsregulatoren 58, hvilket er tilstrekkelig til at motoren 20 når full hastighet, vil pilottrykket overvinne returfjærtrykket slik at luft som leveres langs atmospheric pressure via an outlet formed in a bolt 59 which is mounted in the upper casing part 1 and carries the valve 56. After a delay of approx. 2 seconds determined by the time regulator 58, which is sufficient for the engine 20 to reach full speed, the pilot pressure will overcome the return spring pressure so that air supplied along

ledningen 54 kan kommunisere med hulrommet 50. Bruken av trykk-regulatoren 55 isolerer stempelkreftene fra virkningene av variasjoner i tilførselstrykket og gjør det mulig å justere stempelkraften for forskjellige stiftstørrelser og -forhold. the line 54 can communicate with the cavity 50. The use of the pressure regulator 55 isolates the piston forces from the effects of variations in the supply pressure and makes it possible to adjust the piston force for different pin sizes and ratios.

Friksjonssveiseprosessen er basert på varmeutvikling mellom gnidningsflåtene for å frembringe en materialfluks som kan smies for å skape en enhetlig forbindelse mellom flatene. I en typisk friksjonssveisesyklus blir en stift rotert med forholdsvis stor hastighet mens den tvinges mot et arbeidsstykke med forholdsvis liten kraft i et tidsrom som sikrer at tilstrekkelig varme bygges opp til å danne en fluks hvoretter stift-rotasjonen avbrytes og stiften igjen tvinges mot arbeidsstykket med et meget større smitrykk. I dette eksempel anvendes et enkelt sylindertrykk under hele operasjonen. The friction welding process is based on the generation of heat between the rubbing rafts to produce a flux of material that can be forged to create a uniform connection between the surfaces. In a typical friction welding cycle, a pin is rotated at a relatively high speed while it is forced against a work piece with a relatively small force for a period of time that ensures that sufficient heat is built up to form a flux, after which the pin rotation is interrupted and the pin is again forced against the work piece with a much greater forging pressure. In this example, a single cylinder pressure is used throughout the operation.

Linje 60, 61 og 62 på fig. 5 viser typiske variasjoner i omdreiningshastighet, tilført trykk og motstands-dreiemoment under sveisesyklusen. På fig. 4 er ventilen 48 åpnet og luft tilføres til motoren som så hurtig akselererer til maksimal hastighet under lagring av energi i svinghjulet. Etter en tidsforsinkelse på typisk 2 sekunder omstiller ventilen 56 en lufttilførsel fra ledningen 54 via regulatoren 55 til sylinderen 50 hvorved der frembringes en sylinderkraft som i det vesentlige er konstant gjennom hele sveisesyklusen. Innledende kontakt (berøring) mellom arbeidsstykket og stiften skjer således først etter at motoren har akselerert til arbeidshastighet. Under berøring opptrer høye motstands-dreiemomenter som kan overskride motorens driv-dreiemoment. På dette tidspunkt avtar rotasjonshastigheten til motoren og svinghjulet og energi trekkes fra svinghjulet for å bidra til opprettelse av et område av myknet materiale (fluks) mellom gnidningsflåtene. Når fluksen er etablert, faller motstands-dreiemomentet til det tilsvarer motorens driv-kapasitet hvoretter rotasjonshastigheten forblir i det vesentlige konstant og motoren alene leverer energi for fortsettelse av avbrenningsfasen. Under stempelets aksialbevegelse vil ventilsetet 11 sakte nærme seg ventillegemet 14 inntil ventilen til slutt lukkes og hindrer videre luftkommunisering med motoren 20 (fig. 2). På dette punkt slutter motoren å rotere og sveise-sammensmelting skjer. Ventilen 48 er nå lukket og avbryter derved lufttilførselen til sylinderen og sveisesyklusen er avsluttet. Lines 60, 61 and 62 in fig. 5 shows typical variations in rotational speed, applied pressure and resistance torque during the welding cycle. In fig. 4, the valve 48 is opened and air is supplied to the engine which then quickly accelerates to maximum speed while storing energy in the flywheel. After a time delay of typically 2 seconds, the valve 56 switches an air supply from the line 54 via the regulator 55 to the cylinder 50, whereby a cylinder force is produced which is essentially constant throughout the entire welding cycle. Initial contact (touch) between the workpiece and the pin thus only occurs after the motor has accelerated to working speed. During contact, high resistance torques occur which can exceed the drive torque of the motor. At this point, the rotational speed of the motor and flywheel slows down and energy is drawn from the flywheel to help create an area of softened material (flux) between the rubbing fins. Once the flux is established, the resistance torque drops until it corresponds to the drive capacity of the engine, after which the rotational speed remains essentially constant and the engine alone supplies energy for continuation of the burn-off phase. During the piston's axial movement, the valve seat 11 will slowly approach the valve body 14 until the valve finally closes and prevents further air communication with the engine 20 (fig. 2). At this point the motor stops rotating and weld fusion occurs. The valve 48 is now closed and thereby interrupts the air supply to the cylinder and the welding cycle is finished.

Det fremgår således at verktøyet automatisk styrer en måte hvorved rotasjonshastigheten og trykket som tilføres stiften varierer under sveisesyklusen uten inngrep fra noen operatør. It thus appears that the tool automatically controls a way in which the speed of rotation and the pressure applied to the pin varies during the welding cycle without intervention from any operator.

En av de kritiske faktorer i denne styring er avbrenningsfasens varighet. Denne kan varieres ved å endre den innledende relative stilling mellom ventilsetet 11 og ventillegemet 14, f.eks. ved å endre lengden av fingeren 15. One of the critical factors in this management is the duration of the burn-off phase. This can be varied by changing the initial relative position between the valve seat 11 and the valve body 14, e.g. by changing the length of the finger 15.

Et ytterligere problem ved stiftsveising er at der er stor variasjon i friksjons-dreiemomentet under sveisesyklusen, slik det er vist i fig. 5 ved en linje 62. Ved innledende kontakt mellom gnidningsflåtene er der et forholdsvis høyt friksjons-dreiemoment som vedvarer inntil en fluks av varmt metall er opprettet. I en tilfredsstillende sveisesyklus varer dette høye dreiemoment i et kort tidsrom, f.eks. 0,2 s. Når fluksen er etablert, faller motstands-dreiemomentet til et nivå i løpet av avbrenningsfasen, som typisk kan være 25 % av det opprinnelige topp-dreiemoment. Under denne fase opprettholdes aksialtrykket på stiften og stiftmaterialet "avbrennes", hvilket bidrar til fluksen. Avbrenningsfasen fortsetter inntil driv-dreiemomentet er fjernet. På dette tidspunkt avkjøles fluksen som tidligere forklart, sveisen sammensmelter og motstands-dreiemomentetøker. A further problem with stud welding is that there is a large variation in the friction torque during the welding cycle, as shown in fig. 5 at a line 62. Upon initial contact between the rubbing fins, there is a relatively high frictional torque which persists until a flux of hot metal is created. In a satisfactory welding cycle, this high torque lasts for a short period of time, e.g. 0.2 s. Once the flux is established, the resistance torque drops to a level during the burn-in phase, which may typically be 25% of the original peak torque. During this phase, the axial pressure on the pin is maintained and the pin material is "burned off", contributing to the flux. The burn-in phase continues until the drive torque is removed. At this point the flux cools as previously explained, the weld coalesces and the resistance torque increases.

For at verktøyet skal være bærbart, er det fremstilt avIn order for the tool to be portable, it is made of

lette materialer og motorens 20 roterende bestanddeler samt lightweight materials and the engine's 20 rotating components as well

stiftholderenheten har således liten iboende treghet. Dette er av liten hjelp ved forsøk på å løse de ovenfor omtalte problemer ved høyt innledende dreiemoment. the pin holder unit thus has little inherent inertia. This is of little help when trying to solve the problems discussed above with high initial torque.

For å løse dette problem, anvendes svinghjulet 29. Energi lagres i svinghjulet 29 under motorens 20 innledende akselerasjon. Når stiften kommer i inngrep med arbeidsstykket, vil belastningen på motoren 20 plutselig øke som følge av tørr-friksjon mellom stiften og arbeidsstykket. På grunn av energien som tidligere er lagret i svinghjulet 29, vil imidlertid denne ekstra belastning overvinnes slik at stiften fortsatt vil rotere, men med lavere hastighet. Typisk vil der skje et hastighetstap på ca. 20 % av den maksimale hastighet (se linje 60 i fig. 5). Det er viktig å legge merke til at tregheten ikke, slik som ved konvensjonell treghetssveising, anvendes til å levere hele sveiseenergien, men anvendes til å forsterke luftmotoren 20 under den innledende (berørings-) fase av sveisingen. På denne måte blir verktøyets kapasitet vesentlig øket sammenlignet med en enhet som bare er basert på energitilførselens motoreffekt på sveise-tidspunktet. To solve this problem, the flywheel 29 is used. Energy is stored in the flywheel 29 during the initial acceleration of the engine 20. When the pin engages with the workpiece, the load on the motor 20 will suddenly increase as a result of dry friction between the pin and the workpiece. Due to the energy previously stored in the flywheel 29, however, this additional load will be overcome so that the pin will still rotate, but at a lower speed. Typically, there will be a speed loss of approx. 20% of the maximum speed (see line 60 in fig. 5). It is important to note that the inertia is not, as in conventional inertia welding, used to deliver the entire welding energy, but is used to reinforce the air motor 20 during the initial (touch) phase of the welding. In this way, the tool's capacity is significantly increased compared to a unit that is only based on the motor power of the energy supply at the time of welding.

Den treghetsmengde som anvendes kan varieres avhengig av den type stift som skal sveises. The amount of inertia used can be varied depending on the type of pin to be welded.

Fig. 6 viser energien som tilføres stiften for å rotere stiften under en sveisesyklus. Kontakt (berøring) mellom stiften og arbeidsstykket finner sted ca. 2 sekunder etter at akselerasjonen er innledet, som vist i fig. 6, og det fremgår at meget kort tid deretter er det behov for den ekstra treghetsenergi som er lagret i svinghjulet 29. Dette behov faller imidlertid bort etter at motstands-dreiemomentet er blitt overvunnet og der er da et temmelig konstant energibehov antydet ved et parti 63 av grafen. Fig. 6 shows the energy supplied to the pin to rotate the pin during a welding cycle. Contact (touch) between the pin and the workpiece takes place approx. 2 seconds after the acceleration is initiated, as shown in fig. 6, and it appears that very shortly thereafter there is a need for the additional inertial energy stored in the flywheel 29. However, this need falls away after the resistance torque has been overcome and there is then a rather constant energy need indicated by a portion 63 of graphene.

Til slutt, når luften som leveres til motoren 20 avbrytes, vil drivenergien gradvis avta til null etterhvert som den resterende treghetsenergi blir forbrukt. Finally, when the air supplied to the motor 20 is cut off, the drive energy will gradually decrease to zero as the remaining inertial energy is consumed.

I enkelte tilfeller kan det være ønskelig å innbefatteIn some cases it may be desirable to include

givere for overvåking av motorhastighet, stempeltrykk og stift-forskyvning. I dette tilfellet kan utgangssignalet fra giverne lagres via en mikro-datamaskin på sveisetidspunktet og kan så sammenlignes med standardresultater for å muliggjøre ikke-destruktiv vurdering av sveisekvaliteten. sensors for monitoring engine speed, piston pressure and pin displacement. In this case, the output signal from the sensors can be stored via a micro-computer at the time of welding and can then be compared with standard results to enable non-destructive assessment of the welding quality.

Det skal bemerkes at dersom fastspenningsarrangementet skulle svikte under sveising, vil lufttrykket straks tvinge stempelet 7 til stillingen vist i fig. 2, slik at motoren 20 stopper. Dette er et viktig sikkerhetstrekk. It should be noted that if the clamping arrangement should fail during welding, the air pressure will immediately force the piston 7 to the position shown in fig. 2, so that the motor 20 stops. This is an important safety feature.

Claims

1. Friction welding apparatus, characterized in that it comprises a sheath (1, 2); a workpiece holder (20', 24) which is rotatably and axially movable mounted in the casing (1, 2); a fluid pressure operated drive means (20) coupled to the workpiece holder for causing the workpiece holder to rotate relative to the casing; a spring means (33) for urging the workpiece holder in a first axial direction relative to the jacket (1, 2); a pressure means (7) responsive to fluid pressure to move the workpiece holder relative to the jacket in a second axial direction opposite to the first direction; a fluid inlet (6) in the jacket; fluid transfer means (40, 41, 42, 50) for communicating fluid under pressure from the inlet (6) along a first path to the drive device (20) and along a second path to the pressure device (7); as well as control means (8, 9, 11, 14) which respond to axial movement of the workpiece holder in the casing to control the fluid pressure communicated along the first path, whereby the first path, when the workpiece holder moves in the casing under the influence of the pressure device (7), gradually closes while the other lane remains open.

2. Apparatus, according to claim 1, characterized in that the control device comprises a valve housing with an inlet opening (10) that communicates with the fluid inlet (6), output ports that communicate with the first and second fluid path, respectively, and a valve body (8) that is movable in the valve housing in response to relative, axial movement between the workpiece holder and the jacket to control fluid communication between the inlet port and the outlet port connected to the first path while maintaining communication between the inlet port and the second outlet port.

3. Apparatus, according to claim 2, characterized in that the valve housing comprises a valve seat (3) which interacts with the valve body (14), with either the valve body or the valve seat being connected to the casing (2) and the other being connected to the workpiece holder (20').

4. Apparatus, according to claim 1, characterized in that the pressure device comprises a piston which is connected to the workpiece holder and axially movably mounted in the jacket (1, 2) to form a piston/cylinder unit together with the jacket.

5. Apparatus, according to claim 4, characterized in that the valve body comprises a valve seat (11) which cooperates with the valve body (14), in that either the valve body or the valve seat is connected to the casing (1, 2) and the other is connected to the workpiece holder (20'), and that the valve body is delimited by an axially extending pin which is connected to the piston (7).

6. Apparatus, according to claim 1, characterized in that it further comprises a time regulator device which is located in the second fluid path to produce an initial time delay before fluid pressure is applied to the pressure device.

7. Apparatus, according to claim 1, characterized in that the drive device comprises an air-driven motor.

8. Portable friction welding apparatus, according to claim 1.