WO1998021002A1 - Verfahren und vorrichtung zum verbinden von bauteilen - Google Patents

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WO1998021002A1
WO1998021002A1 PCT/DE1997/002668 DE9702668W WO9821002A1 WO 1998021002 A1 WO1998021002 A1 WO 1998021002A1 DE 9702668 W DE9702668 W DE 9702668W WO 9821002 A1 WO9821002 A1 WO 9821002A1
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Thomas Faber
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/129—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding specially adapted for particular articles or work
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/16—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating with interposition of special material to facilitate connection of the parts, e.g. material for absorbing or producing gas

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for connecting components, such as pipes, rods and the like semi-finished products, by friction welding, in particular for connecting pipes when drilling deep holes and / or for completing holes, for example cavern holes.
  • DE-OS 20 20 121 discloses a method for connecting pipe sections in a vertical orientation, in which at least one end of the pipe sections to be connected is provided with a bevel which serves as a weld joint.
  • a welding device With the help of a welding device, several welding layers are introduced into the weld joint formed in this way in order to connect the components to one another.
  • the welding device consists of a bracket which is fastened to one of the pipe sections to be connected coaxially to its common longitudinal axis and of a welding head which is supported and held on the bracket for introducing a welding metal into the welding joint, is movable on a circular path along the outer shell of the pipe sections to be connected.
  • the welding head is also equipped with means for radially adjusting its horizontal position in relation to the outside diameter of the pipe sections to be connected.
  • a so-called radial friction welding method for connecting tubing and casing pipes which is improved compared to the aforementioned solution, is known from GB patent application 8910118.2.
  • the pipes to be connected to one another are centered in vertical alignment with the aid of the welding device and a welding ring, which was previously placed at the connection point of the lower pipe, is rotated in relation to the centered pipes while being subjected to radial compressive forces.
  • the frictional heat generated in this way which causes a weldable plasticized state of the materials of the components involved in the joining process, creates a friction welded connection between the friction ring and the end sections of the pipes to be connected produced, the welding ring in the area of the connection point is practically rolled into the pipe ends and produces a material composite.
  • this radial friction welding process requires welding rings that have to be made separately and are precisely matched to the respective geometrical dimensions and materials of the pipes to be connected, since after the welding process has ended, the welding ring is both a material and a geometrical component of the connection produced.
  • the location of the welding ring as a component of the connection can lead to an increase in the outer diameter in the area of the connection point that corresponds to the height of the welding ring and is massive in contrast to the welding and compression ridge.
  • a method and a device for butt welding pipes or the like in a horizontal orientation by heating the contact surfaces to welding temperature by means of frictional heat due to a relative rotation of the contact surfaces with a counter-acting pressure force acting simultaneously is already the subject of DE-OS 23 29 080.
  • the welding temperature required for the composite material is generated with the help of a driven metal ring of the appropriate size and thickness, which is used in a butt joint between the pipes to be connected. After the welding temperature has been reached, the turning of the ring is stopped and the welding bond between the pipes and the inserted ring is produced by applying a final compressive force between the pipes.
  • the latter method has the disadvantage that the torque which has been transmitted to the friction ring in order to generate the frictional heat has to be at least partially reduced in order to produce the welded connection before the increased contact pressure can be applied to produce the welded connection.
  • various process parameters are usually required, such as the length reduction per unit of time, the constancy of the friction torque over time and others.
  • a relatively complex processing of measured values is necessary, for example a comparison with tolerance-dependent default values which are dependent on the joint cross-section and material and which are usually determined by test welding before the start of production. All of this necessary preparatory work causes additional expenses and costs.
  • the invention has for its object to develop a method and an apparatus for producing friction welded joints on components, which can be carried out independently of the joint cross-section and the materials involved in the friction and welding process using easily detectable and determinable process parameters.
  • the object is achieved by a method according to the features of claim 1 and a device according to the features of claim 6. Further advantageous embodiments of the solution according to the invention result from subclaims 2 to 5 and 7.
  • the welding temperature required for the weld connection of two components is applied by frictional heat, which is caused by rotation of a friction element between the firmly clamped components to be joined, with application of a uniform pressure between the end faces of the components and the friction element when the components decrease in length and Decrease in thickness of the disc is generated.
  • a simple friction disk is used in accordance with the features of claims 1 and 6, and after reaching a quasi-stationary temperature field in the area of the connection point, in which the amount of heat supplied and the amount of heat flowing out at the ends of the components to be joined is approximately the same, the friction process continued with an almost constant frictional torque with a proportional length reduction of the components to be connected until the friction disc material was completely displaced at the contact surfaces involved in the friction process, and immediately after the friction disc was used up, the opposing pressure forces with which the components had been applied increased and by upsetting one Material connection of the plasticized ends of the components to be connected made.
  • the entire friction and welding process can be made considerably simpler and more cost-effective, since the previously necessary determination of the control variables necessary for the process sequence as well as the default values dependent on the joint cross-section and material, which were previously determined by test welding before the start of production , are no longer required.
  • the solution according to the invention enables the connection of components by friction welding, in which the components connected to one another have no additional materials in their joining zone and only have a single connection point.
  • the friction disk can be provided with an annular groove which continuously reshapes the friction burr which arises during the friction process along the walls of the components to be connected.
  • the friction disk has two opposing recesses in a radial arrangement, in which cutting tools, for example turning steels, are adjustably arranged in order to separate the friction and compression burr during the friction process and after the compression process has ended, utilizing and consuming the rotational energy transmitted to the friction disk .
  • the friction element According to the previously known friction welding processes using a rotating friction element, the friction element generally has to be braked to a standstill before the accumulation / upsetting pressure is applied, the braking time not to exceed 0.5 sec in order to cool the parts to be joined prematurely Prevent components in the connection area.
  • complex braking systems are required, which are subject to heavy wear.
  • Fig. 1 - a schematic representation of the arrangement of the elements involved in the welding process at the beginning of the friction welding process
  • Fig. 5 - a schematic representation of the friction disc according to the invention
  • the components 2; 3 for example pipes, arranged to be adjustable relative to one another in the axial direction and secured against rotation by clamping forces F S p ann .
  • a friction disc 1 is arranged, which is driven by a drive unit - not shown - for generating the welding temperature by frictional heat.
  • the foreign Diameter of the friction disc is advantageously chosen so that the joining diameter D and the drive diameter d are not dependent on each other.
  • the possible cross-section of the joint is therefore not limited by the drive unit.
  • component geometries that differ from one another can be combined with one and the same friction disk size and with a single machine-technical equipment.
  • the amounts of heat required for the welding process are generated in a known manner by frictional heat by applying a torque M to the friction disk 1 and rotating it with the aid of the drive unit about an axis of rotation common to the components 2 and 3 and the friction disk 1.
  • the rubbing process is continued until the friction disk 1 is completely used up in the area of the contact surfaces between the friction disk 1 and the components 2 and 3.
  • the contact pressure PReib is increased and a compression of the material ends of the components 2 and 3 heated by the frictional heat and brought into a plasticized state is established.
  • the suddenly changing process parameters such as the torque for driving the friction element, which changes due to the complete displacement of the friction disk 1, are used.
  • the material portions of the friction element 1 with the upsetting ridge 5 remaining in the connection zone are pressed out of the joining zone, so that the finished weld seam 6 essentially consists of the base materials of the components 2 and 3 to be connected - FIG. 4.
  • the friction burr occurring during the grinding process is resps by the provided in the friction disc 1.
  • ring grooves 7 formed during the grinding process are continuously formed.
  • the rubbing and upsetting ridge 5 is cut with the aid of the cutting tools 10; 11 removed, which in the recesses 8; 9 of the friction disc 1 arranged and by means of springs 12; 13 are biased in the radial direction against the components 2 and 3 to be connected.
  • the rotational energy remaining in the parts I and II after rubbing through the friction disc 1 is used until the parts I and II are completely braked.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
  • Coupling Device And Connection With Printed Circuit (AREA)
  • Automobile Manufacture Line, Endless Track Vehicle, Trailer (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Verbinden von Bauteilen durch Reibschweissen, insbesondere zum Verbinden von Rohren vor Ort beim Niederbringen von Tiefbohrungen und/oder zur Komplettierung von Bohrungen, beispielsweise Kavernenbohrungen. Auf an sich bekannte Weise werden die für den Schweissprozess notwendigen Wärmemengen mit einem Reibelement erzeugt und die zu verbindenden Enden der Bauteile nach Erreichen eines schweissfähigen plastifizierten Zustandes in einem Stauchvorgang zusammengefügt. Erfindungsgemäss ist das Reibelement eine einfache Reibscheibe, deren Material während des Reibprozesses im Bereich der Reibflächen bis zum Kontakt der zu verbindenden Bauteile vollständig aufgebraucht und der entstandene Reib- und Stauchgrat unter Ausnutzung der Rotationsenergie des Reibelementes abgetragen wird. Bei Verringerung des anlagenseitigen Aufwandes gestattet die Erfindung den Einsatz von Reibelementen, die nicht auf die exakten Abmessungen der zu verbindenden Bauteile abzustimmen sind. Die Verbindungsstelle weist eine einzige Schweissnaht auf, die im wesentlichen aus den Grundwerkstoffen der zu verbindenden Bauteile besteht.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von Bauteilen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden von Bauteilen, wie Rohre, Stangen und dergleichen Halbzeuge, durch Reibschweißen, insbesondere zum Verbinden von Rohren beim Niederbringen von Tiefbohrungen und/oder zum Komplettieren von Bohrungen, beispielsweise Kavernenbohrungen.
Zum Verbinden von Rohrabschnitten in vertikaler Ausrichtung ist aus DE-OS 20 20 121 ein Verfahren bekannt, bei dem mindestens ein Ende der zu verbindenden Rohrabschnitte mit einer Abschrägung versehen wird, die als Schweißfuge dient. In die so gebildete Schweißfuge werden mit Hilfe einer Schweißvorrichtung mehrere Schweißlagen eingebracht, um die Bauteile miteinander zu verbinden. Die Schweißvorrichtung besteht aus einer Konsole, die an einem der zu verbindenden Rohrabschnitte koaxial zu ihrer gemeinsamen Längsachse befestigt wird und aus einem Schweißkopf, der zum Einbringen eines Schweißmetalls in die Schweißfuge, gestützt und gehalten auf der Konsole, entlang des Außenmantels der zu verbindenden Rohrabschnitte auf einer Kreisbahn verfahrbar ist. Der Schweißkopf ist ferner mit Mitteln ausgerüstet, um seine horizontale Stellung in Relation zu dem Außen- durchmesser der zu verbindenden Rohrabschnitte radial zu verstellen.
Die Lösung nach DE-OS 20 20 121, die bei gegebenen Voraussetzungen vor Ort für die Herstellung von Verrohrungen in Tiefbohrungen eingesetztbar erscheint, ist anlagenseitig und bezüglich der vorgesehenen Verfahrenstechnologie sehr aufwendig, da zum sicheren Verbinden der Rohrabschnitte stets ein schmelzflüssig zu machender Schweißzusatzstoff verwendet und mehrere Schweißlagen in die Schweißfuge eingebracht werden müssen. Das Ein- und Ausrichten der Schweißvorrichtung erfordert zudem weiteren Zeitaufwand.
Ein gegenüber der vorgenannten Lösung verbessertes, sogenanntes radiales Reibschweißverfahren zum Verbinden von Tubing- und Casingrohren ist aus der GB-Pa- tentanmeldung 8910118.2 bekannt. Nach dieser Lösung werden die miteinander zu verbindenden Rohre mit Hilfe der Schweißvorrichtung in vertikaler Ausrichtung zentriert und ein Schweißring, der zuvor an der Verbindungsstelle des unteren Rohres aufgesetzt worden ist, in Relation zu den zentrierten Rohren unter gleichzeitiger Beaufschlagung mit radialen Druckkräften in eine Drehbewegung versetzt. Mit der auf diese Weise erzeugten Reibungswärme, die einen schweißfähigen plastifizierten Zustand der Werkstoffe der am Fügeprozeß beteiligten Bauelemente hervorruft, wird eine Reibschweißverbindung zwischen dem Reibring und den Endabschnitten der zu verbindenden Rohre hergestellt, wobei der Schweißring im Bereich der Verbindungsstelle praktisch in die Rohrenden eingewalzt wird und einen stofflichen Verbund herstellt.
Die Durchführung dieses radialen Reibschweißverfah- rens erfordert gesondert anzufertigende, auf die jeweiligen geometrischen Abmessungen und Werkstoffe der zu verbindenden Rohre genau abgestimmte Schweißringe, da nach Beendigung des Schweißvorganges der Schweißring sowohl stofflich als auch geometrisch Bestandteil der erzeugten Verbindung ist.
Der Verbleib des Schweißringes als Bestandteil der Verbindung kann in Abhängigkeit von der Ausgangsgeo e- trie des Schweißringes und dem spezifischen Prozeßablauf zu einer in der Höhe dem Schweißring entsprechenden, im Unterschied zum Schweiß- und Stauchgrat massiven, Vergrößerung des Außendurchmessers im Bereich der Verbindungsstelle führen.
Bei Gewährleistung vorgegebener Außendurchmesser führt diese massive Durchmesservergrößerung im Vergleich zur Beseitigung des Schweiß- und Stauchgrates zu aufwendigeren technologischen Maßnahmen bei der Abarbeitung. Bedingt durch die Anpassung des Schweißringes an die jeweiligen geometrischen Abmessungen der zu verbindenden Rohre sind außerdem hohe maschi- nentechnische Aufwendungen für das sichere Spannen und Bewegen des Schweißringes erforderlich.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Stumpfschweißen von Rohren oder dergleichen in horizontaler Ausrichtung durch Erhitzen der Kontaktflächen auf Schweißtemperatur mittels Reibungswärme aufgrund einer Relativdrehung der Kontaktflächen bei einer gleichzeitig einwirkenden gegengerichteten Druckkraft ist bereits Gegenstand der DE-OS 23 29 080. Die für den Stoffverbund erforderliche Schweißtemperatur wird mit Hilfe eines angetriebenen Metallringes passender Größe und Dicke erzeugt, der in Stoßanlage zwischen den zu verbindenden Rohren eingesetzt wird. Nach Erreichen der Schweißtemperatur wird das Drehen des Ringes gestoppt und durch Aufbringen einer Schlußdruckkraft zwischen den Rohren der Schweißverbund zwischen diesen und dem eingesetzen Ring hergestellt.
Dieses Verfahren besitzt im wesentlichen die gleichen Nachteile, die vorstehend näher dargelegt sind. Der zur Erzeugung der Schweißtemperatur mittels Reibungswärme eingesetzte und angetriebene Reibring muß auf die Größe und die Wanddicke der zu verbindenden Rohre abgestimmt werden. Weiterhin müssen zum Verbinden von zwei Rohren statt einer zwei Schweißnähte erzeugt werden. Dadurch ist einerseits die für eine Qualitätssicherung notwendige Parameterüberwachung für den Reib- und Stauchdruck und die Reib- und Stauchverkürzung für die zwei gleichzeitig stattfindenden Schweißvorgänge mit getrennter Auswertung nur aufwendig realisierbar. Andererseits sind erhöhte technologische Maßnahmen zur Reib- und Stauchgratbeseitigung die Folge.
Darüber hinaus ist bei dem letztgenannten Verfahren von Nachteil, daß das Drehmoment, das zur Erzeugung der Reibungswärme auf den Reibungsring übertragen worden ist, zur Herstellung der Schweißverbindung zumindest teilweise abgebaut werden muß, bevor die erhöhte Anpreßkraft zur Herstellung der Schweißverbindung aufgebracht werden kann. Zur Überleitung des Reib- in den Schweißvorgang (Stauchen) beim Reibschweißen von Verbindungen wie in DE-OS 23 29 080 werden üblicherweise verschiedene Prozeßkenngrößen, wie z.B. die Längenverkürzung pro Zeiteinheit, die Konstanz des Reibmomentes über die Zeit u.a., benötigt. Neben der Erfassung von Steuergrößen ist eine relativ aufwendige Meßwertverarbeitung, z.B. der Vergleich mit toleranzbehafteten Vorgabewerten, die fugequerschnitts- und Werkstoffabhängig sind und meist vor Beginn der Fertigung durch Ver- suchsschweißungen ermittelt werden, notwendig. Alle diese notwendigen Vorarbeiten verursachen zusätzliche Aufwendungen und Kosten.
Diese obengenannten Nachteile standen bisher einer breiten Anwendung des Schweißens von Rohrsträngen auf einem Bohrturm entgegen, wodurch die mit dem Schweißen von Rohrverbindungen verbundenen Vorteile, wie Verbesserung der Ringraumspiele, Senkung der Aufwendungen für die Verrohrungen, Spülungen, Entsorgungen und dergleichen bisher nicht in Anspruch genommen werden konnten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Reibschweißverbindungen an Bauteilen zu entwickeln, das unabhängig vom Fügequerschnitt und der am Reib- und Schweißprozeß beteiligten Werkstoffe unter Nutzung leicht erfaß- und bestimmbarer Prozeßkenngrößen durchgeführt werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen nach Anspruch 6 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 5 und 7. In an sich bekannter Weise wird die für die Schweißverbindung zweier Bauteile notwendigte Schweißtemperatur durch Reibungswärme aufgebracht, die durch Rotation einer Reibele entes zwischen den zu fügenden, fest eingespannten Bauteilen unter Aufbringung eines gleichmäßigen Druckes zwischen den Stirnflächen der Bauteile und des Reibelementes bei Längenabnahme der Bauteile und Dickenabnahme der Scheibe erzeugt wird.
Erfindungsgemäß wird entsprechend den Merkmalen nach Anspruch 1 und 6 eine einfache Reibscheibe verwendet und nach Erreichen eines quasi stationären Temperatur- feldes im Bereich der Verbindungsstelle, in dem die zugeführte und die abfließende Wärmemenge an den Enden der zu fügenden Bauteile annähernd gleich groß ist, der Reibprozeß mit einem nahezu konstanten Reibmoment bei proportionaler Längenverkürzung der zu verbindenden Bauteile bis zum vollständigen Verdrängen des Reibscheibenmaterials an den am Reibprozeß beteiligten Kontaktflächen weiter fortgesetzt und unmittelbar nach dem Verbrauch der Reibscheibe die gegengerichteten Druckkräfte, mit denen die Bauteile beaufschlagt worden sind, erhöht und durch Stauchen eine stoffliche Verbindung der plastifizierten Enden der zu verbindenden Bauteile vorgenommen.
Mit dieser erfindungsgemäßen Reibschweißtechnologie kann der gesamte Reib- und Schweißvorgang wesentlich vereinfacht und kostengünstiger gestaltet werden, da die bisher notwendige Bestimmung der für den Prozeßablauf notwendigen Steuergrößen sowie die fugequerschnitts- und Werkstoffabhängigen Vorgabewerte, die bisher meist vor Beginn der Fertigung durch Versuchs- schweißungen ermittelt wurden, nicht mehr erforderlich sind. Gegenüber den bisher bekannten Verfahren und Einrichtungen ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung das Verbinden von Bauteilen durch Reibschweißen bei dem die miteinander verbundenen Bauteile in ihrer Fügezone keine Zusatzwerkstoffe aufweisen und nur eine einzige Verbindungsstelle besitzen.
Mit der Verwendung eines Reibelementes in Form einer Reibscheibe, die während des Reibprozesses im Bereich der Kontaktflächen vollständig verdrängt wird, ist eine exakte Abstimmung des Reibelementes zu den Abmessungen und den Grundwerkstoffen der zu verbindenden Bauteile nicht mehr zwingend erforderlich.
Mit einer Reibscheibe, die einfach und kostengünstig herstellbar ist, können dadurch Bauteile, beispielsweise Rohre, mit unterschiedlichen Bauteilgeometrien in Durchmesser und Wanddicke innerhalb eines großen Abmessungsbereiches durch Reibschweißverfahren miteinander verbunden werden. Der Einsatz einer Reibscheibe für unterschiedliche Bauteilgeometrien führt ferner auch zu wesentlichen Einsparungen bei den maschinen- technischen Aufwendungen für das Spannen und den Drehantrieb des Reibelementes. Die technischen Mitteln zum Spannen und Bewegen des Reibelementes begrenzen somit nur noch in eingeschränktem Maße die mit Anwendung der Erfindung realisierbaren Fügequerschnitte und ihren Einsatz bei häufig wechselnden Außendurchmesser und Wanddicke der zu verbindenden Bauteile.
Nach den Merkmalen der Verfahrensansprüche 3, 4 und den Ansprüchen 6 und 7 kann die Reibscheibe mit einer Ringnut versehen werden, die den während des Reibprozesses entstehenden Reibgrat entlang den Wandungen der zu verbindenden Bauteile kontinuierlich umformt. Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung besitzt die Reibscheibe in radialer Anordnung zwei gegenüberliegende Aussparungen, in denen Schneidwerkzeuge, beispielsweise Drehstähle, verstellbar angeordnet sind, um den Reib- und Stauchgrat während des Reibprozesses und nach Beendigung des Stauchvorganges unter Ausnutzung und Aufzehrung der auf die Reibscheibe übertragenen Rotationsenergie abzutrennen.
Nach den bisher bekannten Reibschweißverfahren unter Verwendung eines rotierenden Reibelementes muß das Reibelement vor dem Aufbringen des Stau-/Stauchdruk- kes in der Regel bis zum Stillstand abgebremst werden, wobei die Bremszeit 0,5 sec nicht überschreiten soll, um ein vorzeitiges Abkühlen der zu fügenden Bauteile im Verbindungsbereich zu verhindern. Je nach Masse des rotierenden Reib- oder Bauelementes sind hierfür aufwendige Bremssysteme notwendig, die einem starken Verschleiß unterliegen. Mit der vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Lösung kann auf derartige Bremseinrichtungen zur Aufhebung der Relativbewegung zwischen den zu fügenden Teilen und dem Reibelement verzichtet werden.
Gleichzeitig ist gewährleistet, daß der im Reib- und Stauchprozeß entstehende Grat die Fließbedingungen der Werkstoffe beim Fügen der zu verbindenden Bauteile nur in geringer oder unwesentlicher Weise beeinträchtigt und auf einfache kostengünstige Weise beseitigt wird. Die bisher notwendigen technologischen Maßnahmen, um den Reib- und Stauchgrat in Abhängigkeit von der geforderten Ausführungsqualität bzw. der einzuhaltenden Außen- und/oder Innendurchmesser von Rohren zu beseitigen, können dadurch entfallen. Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungs- beispiel näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 - eine schematische Darstellung der Anordnung der am Schweißvorgang beteiligten Elemente zum Beginn des Reib- schweißprozesses
Fig. 2 - den Schnitt A - A aus Fig. 1
Fig. 3 - die Fortsetzung des Reibprozesses bis zum vollständigen Verdrängen des Reib- scheibenmaterials nach Erreichen eines quasi stationären Temperaturfeldes
Fig. 4 - das Fügen der zu verschweißenden Bauteile durch Stauchen mit einem erhöhten Anpreßdruck
Fig. 5 - eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Reibscheibe
Fig. 6 - den Schnitt B - B nach Fig. 5
Fig. 7 - den Schnitt C - C nach Fig. 5
Wie in Fig. 1 und 2 schematisch dargestellt, sind die durch Reibschweißen miteinander zu verbindenden Bauteile 2; 3, beispielsweise Rohre, in axialer Richtung gegeneinander verstellbar angeordnet und gegen Rotation durch Spannkräfte FSpann gesichert. Zwischen den Stirnflächen der Bauteile 2; 3 ist eine Reibscheibe 1 angeordnet, die von einer Antriebseinheit - nicht dargestellt - zur Erzeugung der Schweißtemperatur durch Reibungswärme angetrieben wird. Der Außen- durchmesser der Reibscheibe ist vorteilhafterweise so gewählt, daß der Fügedurchmesser D und der Antriebsdurchmesser d nicht voneinander abhängig sind.
Der mögliche Fügequerschnitt wird somit nicht durch die Antriebseinheit begrenzt. Außerdem können voneinander abweichende Bauteilgeometrien mit ein und derselben Reibscheibengröße und einer einzigen maschinen- technischen Ausrüstung verbunden werden.
Die für den Schweißprozeß notwendigen Wärmemengen werden auf bekannte Weise durch Reibungswärme erzeugt, indem die Reibscheibe 1 mit einem Drehmoment M beaufschlagt und mit Hilfe der Antriebseinheit um eine zu den Bauteilen 2 und 3 und der Reibscheibe 1 gemeinsamen Drehachse gedreht wird. Unter Aufbringung eines gleichmäßigen Anpreßdruckes PReib zwischen den Stirnflächen der Bauteile 2; 3 und der Reibscheibe 1 bei einer Längenverkürzung der Bauteile 2; 3 und einer Dickenabnahme der Reibscheibe 1 der Reibprozeß bis in einem quasi stationären Temperaturfeld im Bereich der Enden der zu verbindenden Bauteile 2; 3 geführt - Fig. 3. Nach Erreichen dieses Temperaturfeldes wird der Reibvorgang bis zum vollständigen Verbrauch der Reibscheibe 1 im Bereich der Kontaktflächen zwischen Reibscheibe 1 und den Bauteilen 2 und 3 weiter geführt. Nach Beendigung des Reibvorganges, d.h. nachdem die Reibscheibe 1 vollständig "durchgerieben" ist, wird der Anpreßdruck PReib erhöht und durch Stauchen eine stoffliche Verbindung der durch die Reibwärme erhitzten und in einen plastifizierten Zustand überführten Enden der Bauteile 2 und 3 hergestellt. Zur Steuerung dieses Prozesses werden die sich sprunghaft ändernden Prozeßkenngrößen, wie beispielsweise das Drehmoment für den Antrieb des Reibelementes, das sich durch das vollständige Verdrängen der Reibscheibe 1 verändert, eingesetzt.
Im Stauchvorgang werden die in der Verbindungszone verbliebenen Werkstoffanteile des Reibelementes 1 mit dem Stauchgrat 5 aus der Fügezone herausgepreßt, so daß die fertiggestellte Schweißnaht 6 im wesentlichen aus den Grundwerkstoffen der zu verbindenden Bauteile 2 und 3 besteht - Fig. 4.
Gemäß Fig. 5 bis 7 wird der während des Reibprozesses anfallende Reibgrat durch die in der Reibscheibe 1 vorgesehenen resps. während des Reibprozesses entstehenden Ringnuten 7 kontinuierlich umgeformt.
Nach Abschluß des Reib- und Fügeprozesses wird der Reib- und Stauchgrat 5 mit Hilfe der Schneidwerkzeuge 10; 11 abgetragen, die in den Aussparungen 8; 9 der Reibscheibe 1 angeordnet und mittels Federn 12; 13 in radialer Richtung gegen die zu verbindenden Bauteile 2 und 3 vorgespannt sind. Für das Abtragen des Reib- und Stauchgrates 5 wird die nach Durchreiben der Reibscheibe 1 in den Teilstücken I und II verbleibende Rotationsenergie bis zum vollständigen Abbremsen der Teilstücke I und II ausgenutzt.
BezugsZeichenaufstellung
1 Reibscheibe
2 Bauteil
3 Bauteil
4 -
5 Reib- und Stauchgrat
6 Schweißnaht
7 Ringnut
8 Aussparung
9 Aussparung
10 Schneidwerkzeug
11 Schneidwerkzeug
12 Feder
13 Feder

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Verbinden von Bauteilen, wie Rohre, Stangen und dergleichen Halbzeuge, durch Reibschweißen unter Verwendung eines Reibelementes, das in Stoßlage zwischen den zu verbindenden Enden der Bauteile angeordnet und zur Erzeugung der Schweißtemperatur durch Reibungswärme bei gleichzeitiger auf die Kontaktflächen zwischen Reibelement und Bauteilenden einwirkender Druckkräfte um eine zu den Bauteilen und dem Reibelement gemeinsamen Achse gedreht und für den Fügeprozeß die verbindenden Bauteile nach Aufhebung der Drehbewegung mit höheren, gegengerichteten Druckkräften beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erreichen der Schweißtemperatur innerhalb eines quasi stationären Temperaturfeldes der Reibvorgang unter Verdrängung des Materials des Reibelementes an den am Reibprozess beteiligten Flächen bis zum gegenseitigen Kontakt der Enden der zu fügenden Bauteile fortgesetzt, danach die Bauteile mit einem erhöhten Anpreßdruck beaufschlagt und durch Stauchen miteinander verschweißt werden und gleichzeitig der während des Reib- und Stauchvorgang entstandene Reib- und Stauchgrat abgetragen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen der Schweißtemperatur und Ausbildung eines stationären Temperaturfeldes im Bereich der Verbindungsstelle an den Enden der zu verbindenden Bauteile der Reibvorgang mit nahezu konstantem Reibmoment bei proportionaler Längenverkürzung der am Schweißprozeß beteiligten Bauteile bis zum vollständigen Verdrängen des Materials des Reibelementes an den am Reibprozeß beteiligten Kontaktflächen fortgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reibgrat aus plastifiziertem Werkstoff des Reibelementes und der zu verbindenden Bauteile während des Reibprozesses kontinuierlich umgeformt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das vollständige Verdrängen des Materials des Reibelementes sich sprunghaft ändernden Prozeßkenngrößen zur Prozeßsteuerung eingesetzt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der plastifizierte Reib- und Stauchgrat in der Abkühlungsphase der miteinander verbundenen Bauteile unter Aufzehrung der auf das Reibelement übertragenen Rotationsenergie abgetragen wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reibelement eine, mit Mitteln zum Abtragen des entstandenen Reib- und Stauchgrates ausgestattete Reibscheibe (1) ist. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibscheibe (1) Aussparungen (8; 9) aufweist, in denen Schneidwerkzeuge (10; 11) radial verstellbar angeordnet sind.
PCT/DE1997/002668 1996-11-11 1997-11-11 Verfahren und vorrichtung zum verbinden von bauteilen Ceased WO1998021002A1 (de)

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