WO2004028733A1 - Verfahren zum metallischen verbinden von stäben durch oszillierdes eibschweissen - Google Patents

Verfahren zum metallischen verbinden von stäben durch oszillierdes eibschweissen Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for the metallic connection of the end faces of bars, possibly of profiled bars, for example rails, with a large longitudinal extent by friction welding.
  • Friction welding methods can have economic and qualitative advantages in joining technology, however, their use for some types of connection, for example an end face connection of profile steels, is not considered appropriate by experts.
  • Bars with a large longitudinal extension, as well as bars profiled in cross-section, can, if at all, only be produced axially aligned, if at all, with a great deal of effort, using a rotary friction welding process, with a profile-aligned connection being an unsolved problem.
  • the invention now aims to avoid disadvantages by creating a method of the type mentioned at the outset, with which profiled bars can be connected face-to-face with friction-welded metal to cover the entire surface.
  • This goal is achieved in a generic friction welding process in that an axis-normal dressing of the rod ends and an axis-aligned alignment of the rods are carried out, after which their dressed end faces or cross-sectional surfaces are placed against one another and pressurized, the two rod ends being directed in opposite directions relative to one another moved oscillatingly and frictional heat is generated on the contact surfaces, whereupon when the criteria for a metallic connection are reached, the rod ends are aligned axially, the pressurization of the cross-sectional areas is increased and these are connected to one another over the full area.
  • the advantages achieved with the invention are essentially to be seen in the fact that the oscillation width of a rod end is reduced to approximately half the oscillation extent to be provided according to the method.
  • the relative speed between the two friction surfaces is essentially twice as high as the speed of the oscillation of the respective rod ends or cross-sectional areas.
  • the load on parts of the friction welding device and the rod ends is thereby reduced.
  • An essential, further advantage of the invention is based on the fact that at the ends of the rods, due to their oppositely directed bending, the end faces or axially normal cross-sectional areas remain essentially parallel and therefore ensure approximately the same specific frictional heat development over the entire surface.
  • the essential advantage can be achieved that the accelerations and decelerations which are to be applied during a linearly oscillating movement of the rod ends are avoided.
  • a Orbital movement increases the energy input into the zones of the bars near the cross-sectional area because relative accelerations and standstills of the two friction surfaces do not occur in the oscillation cycle.
  • the two rod ends are bent towards each other in the opposite direction by means of movement elements and are moved orbitally in opposite directions with the same angular velocity when the rods are fixed in stationary holders, high-quality, reliable friction welding connections can be achieved. It is advantageous if the two rods are each clamped in the stationary brackets with essentially the same distance from their end or cross-sectional areas.
  • Embodiment are shown in more detail.
  • Fig. 1 geometric design of a rod end with an oscillating frictional movement of the same
  • a rod 1 shows a geometrical design of a rod end 22 of an oscillating rod 2.
  • a rod 1 is 12 at one end set at rest by a holder or tensioning means 14 and offers a static cross-sectional friction surface 11.
  • Movement elements 13, 23 are oscillated with an oscillation width of up to 4 mm, this results in an elastic bending of the ends 12, 22, the end or cross-sectional surfaces 11, 21 of the rods 1, 2 being oriented in the same direction to the axis normal and to the same extent A ⁇ A 2 are inclined, but each have parallelism.
  • frictional heat can equally be introduced into the end face regions of the rods 1, 2 in a homogeneous distribution via the friction surfaces 11, 21, whereby the highest quality of the metallic connection can be achieved.
  • End faces 11, 12 promote a full-surface introduction of frictional heat into the zone of the rods 1, 2 near the end face and thus the quality of the friction welded connection.

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Abstract

Die Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zum metallischen Verbinden der Stirn- bzw. Querschnittsflächen von Stäben (1, 2), gegebenenfalls von profilierten Stäben, beispielsweise Schienen, mit großer Längserstreckung durch Reibschweißen.Erfindungsgemäß ist dabei für eine vollflächige Warmpress-Schweißung mit hoher Güte vorgesehen, dass ein achsnormales Abrichten der Stabenden und ein achsfluchtendes Ausrichten der Stäbe (1, 2) erfolgen, wonach deren abgerichtete Querschnittsflächen (11, 21) aneinander angestellt, druckbeaufschlagt und die beiden Stabenden (12, 22) relativ zueinander entgegen gerichtet oszillierend bewegt werden, wobei an den Berührungsflächen Reibungswärme gebildet wird, und bei Erreichen der Kriterien für eine metallische Verbindung die Stabenden (12, 22) achsial ausgerichtet, die Druckbeaufschlagung (P<1#191, P?2#191) der Querschnittsflächen (11, 21) erhöht und diese vollflächig miteinander verbunden werden.

Description

DURCH OSZILLIERDES REIBSCHWEISSEN
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum metallischen Verbinden der Stirnflächen von Stäben, gegebenenfalls von profilierten Stäben, beispielsweise Schienen, mit großer Längserstreckung durch Reibschweißen.
Zum Verbinden der Enden von Stäben können prinzipiell
Schmelz-Schweißverfahren und Warmpress-Schweißverfahren und zwar Reibschweißverfahren verwendet werden. In der Fügetechnik können Reibschweißverfahren wirtschaftliche und qualitative Vorteile besitzen, von der Fachwelt wird allerdings deren Verwendung für einige Verbindungsarten, zum Beispiel einer Stirnflächenverbindung von Profilstählen, als nicht zielführend erachtet.
Beim Reibschweißen von Teilen werden zwei zu verbindende Flächen aneinander gedrückt und relativ zueinander bewegt, wodurch Reibungswärme gebildet und die Teilflächen erwärmt werden. Durch die Erwärmung der reibflächennahen Bereiche erfolgt eine Plastifizierung des Werkstoffes in diesen, sodass nach einer Beendigung der Relativbewegung und einem verstärkten Auseinanderpressen der Teile eine metallische Verbindung durch Festkörperdiffusion erfolgt.
Stäbe mit großer Längserstreckung, sowie im Querschnitt profilierte Stäbe können, wenn überhaupt, nur mit außerordentlich hohem Aufwand achsial ausgerichtet mittels eines Rotationsreibschweißverfahrens hergestellt werden, wobei eine profilfluchtende Verbindung ein ungelöstes Problem darstellt.
Bei einem Verbinden der Stäbe durch ein Linearreibschweißen oder ein Orbitalreibschweißen ist es wichtig, eine genaue achsfluchtende Ausrichtung derselben im Verbindungsbereich zu erreichen. Insbesondere bei einem Reibschweißen von profilierten Stäben, wie von Schienen ist es zusätzlich von größter Bedeutung die Querschnittsflächen passgenau zu verbinden.
Aus der DE 19807457 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reibschweißen von Eisenbahnschienen und vergleichbaren, ähnlichen Trägerprofilen bekannt geworden, bei welchen ein Zwischenstück zwischen den zu verbindenden Schienenenden linear oder orbital oszillierend bewegt wird und die Schienenenden zueinander an das Zwischenstück angepresst werden, um die zum Schweißen notwendige Wärme als Reibwärme aufzubringen. Ein derartiges Reibschweißverfahren hat den Vorteil, dass eine achsiale Ausrichtung der ruhenden Schienen beim Reibschweißen verfahrensunabhängig erreicht werden kann, nachteilig hingegen ist eine Ausbildung von zwei Verbindungsflächen je Verbindungsbereich.
Sämtliche Verfahren gemäß dem Stand der Technik haben auch den Nachteil, dass ein Verbiegen der freien Enden der Stäbe, deren zu verbindende Stirnflächen aus der Parallelität bringen kann und derart eine vollflächige Reibungserwärmung und Plastifizierung des flächennahen Werkstoffes behindern.
Die Erfindung setzt sich nun zum Ziel, unter Vermeidung von Nachteilen ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem profilierte Stäbe stirnseitig metallisch durch Reibschweißen achsfluchtend flächendeckend verbunden werden können.
Dieses Ziel wird bei einem gattungsgemäßen Reibschweißverfahren dadurch erreicht, dass ein achsnormales Abrichten der Stabenden und ein achsfluchtendes Ausrichten der Stäbe erfolgen, wonach deren abgerichtete Stirn- bzw. Querschnittsflächen aneinander angestellt und druckbeaufschlagt werden, wobei die beiden Stabenden relativ zueinander entgegen gerichtet oszillierend bewegt und an den Berührungsflächen Reibungswärme gebildet wird, worauf bei Erreichen der Kriterien für eine metallische Verbindung die Stabenden achsial ausgerichtet, die Druckbeaufschlagung der Querschnittsflächen erhöht und diese vollflächig miteinander verbunden werden.
Die mit der Erfindung ereichten Vorteile sind im Wesentlichen darin zu sehen, dass die Schwingungsweite eines Stabendes auf etwa die Hälfte des verfahrensgemäß vorzusehenden Oszillationsausmaßes vermindert wird. Die Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Reibflächen ist dabei im Wesentlichen doppelt so hoch wie die Geschwindigkeit der Oszillation der jeweiligen Stabenden bzw. Querschnittsflächen. Erfindungsgemäß werden dadurch die Belastung von Teilen der Reibschweißeinrichtung und der Stabenden vermindert. Ein wesentlicher, weiterer Vorteil der Erfindung ist darin begründet, dass an den Enden der Stäbe durch deren entgegengesetzt gerichtete Verbiegung die Stirnflächen bzw. achsnormalen Querschnittsflächen im Wesentlichen parallel bleiben und daher vollflächig eine etwa gleiche spezifische Reibungswärmeentwicklung sicherstellen. Dadurch können über den gesamten Querschnitt der beiden Stirnflächen in deren flächennahem Bereich eine Werkstoffplastifizierung ereicht und hohe Verbindungsgüte erstellt werden. Die geringe Oszillationsgeschwindigkeit und die dergleichen Schwingungsweite der jeweiligen Stabenden ermöglichen eine vereinfacht durchzuführende, achsfluchtende Ausrichtung der Stäbe vor der erhöhten Druckbeaufschlagung der Stirnflächen zur Erstellung der metallischen Verbindung.
In einer Weiterbildung der Erfindung, in welcher die Relativbewegung zwischen den Stabenden orbital kreisend oder elliptisch ausgeführt wird, kann der wesentliche Vorteil erreicht werden, dass die Beschleunigungen und Verzögerungen, die bei einer linear oszillierenden Bewegung der Stabenden aufzubringen sind, vermieden werden. Weiters wird durch eine orbitale Bewegung die Energieeinbringung in die querschnittsflächennahen Zonen der Stäbe gesteigert, weil relativ zueinander negative Beschleunigungen und Stillstände der beiden Reibungsflächen im Oszillationszyklus nicht auftreten.
Wenn bei einem Fixieren der Stäbe in jeweils ruhenden Halterungen, die beiden Stabenden zueinander in Gegenrichtung mittels Bewegungselementen gebogen und gegensinnig mit gleicher Winkelgeschwindigkeit orbital bewegt werden, sind hochwertige, gütesichere Reibschweißverbindungen erreichbar. Dabei ist von Vorteil, wenn die beiden Stäbe jeweils mit im Wesentlichen gleichen Abstand von deren Stirn- bzw. Querschnittsflächen in den ruhenden Halterungen eingespannt werden.
Zur Vermeidung von spröden Hartbereichen in der und/oder nahe der Schweißnaht, welche Bereiche Risse aufweisen oder initiieren können, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass dem Verbindungsverfahren der Stabenden ein Wärmebehandlungsverfahren derselben überlagert wird. Durch ein derartiges Verfahren ist es möglich, im gesamten Verbindungsbereich ein im Wesentlichen gleichartiges, von Härtespitzen freies, zähfestes Gefüge zu erstellen.
Anhand von schematischen Zeichnungen soll die Erfindung in lediglich einer
Ausführungsform näher dargestellt werden.
Es zeigen:
Fig. 1 Geometrische Ausbildung eines Stabendes bei einer oszillierenden Reibbewegung derselben
Fig. 2 Geometrische Ausbildung der Stabenden bei deren einander entgegengerichtet oszillierenden Bewegung
In Fig. 1 ist eine geometrische Ausbildung eines Stabendes 22 eines oszillierend bewegten Stabes 2 dargestellt. Ein Stab 1 ist an einem Ende 12 durch eine Halterung bzw. Spannmittel 14 ruhend gestellt und bietet eine statische Querschnittsreibfläche 11. Ein Stab 23, dessen Ende 22 eine oszillierende Bewegung mittels Bewegungselementen 23 mit einer Schwingungsweite S ausführt, wird mit einer dem Stab 1 entgegengerichteten Druckbeaufschlagung P2 an diesen angestellt.
Verbiegungen eines bewegten, freien Stabendes 22 führen zu einer Schrägstellung von dessen Stirnfläche 21 und einem nur bereichsweisen Anliegen an einer gegenüberliegende Stirnfläche 11 , wodurch nur in diesen Bereichen Reibungswärme gebildet wird.
Ein derartiges, zum Stand der Technik zuzählendens Verfahren, wie in Fig. 1 dargestellt, hat den Nachteil eines sogenannten "Radiergummieffektes" und damit verbunden unsichere Reibschweißverbindungen.
Wenn nun, wie in Fig. 2 dargestellt ist, erfindungsgemäß die Enden 12,22 zweier Stäbe 1 ,2 relativ zu einander entgegengerichtet durch
Bewegungselemente 13,23 mit einer Schwingungsweite bis 4 mm oszilliert werden, so entsteht dabei eine elastische Verbiegung der Enden 12,22, wobei die Stirn- oder Querschnittsflächen 11 ,21 der Stäbe 1 ,2 zur Achsnormalen gleich gerichtet und im gleichen Ausmaß A^ A2 schräg gestellt werden, jedoch jeweils Parallelität aufweisen. Dadurch können über die Reibungsflächen 11 ,21 in homogener Verteilung gleichermaßen Reibungswäme in die Stirnseitenbereiche der Stäbe 1,2 eingebracht werden, wodurch höchste Güte der metallischen Verbindung erreichbar ist. Ein etwa gleicher Abstand A^ von ruhenden Halterungen 14,24 der Stäbe zu deren
Stirnflächen 11 ,12 fördern eine vollflächige Einbringung von Reibungswärme in die stirnflächennahe Zone der Stäbe 1 ,2 und somit die Qualität der Reibschweißverbindung.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum metallischen Verbinden der Stirnflächen von Stäben (1 ,2), gegebenenfalls von profilierten Stäben, beispielsweise Schienen, mit großer
Längserstreckung durch Reibschweißen, dadurch gekennzeichnet, dass ein achsnormales Abrichten der Stabenden und ein achsfluchtendes Ausrichten der Stäbe (1 ,2) erfolgen, wonach deren abgerichtete Stirn- bzw. Querschnittsflächen (11 ,21) aneinander angestellt, druckbeaufschlagt und die beiden Stabenden
(12,22) relativ zueinander entgegen gerichtet oszillierend bewegt werden, wobei an den Berührungsflächen Reibungswärme gebildet wird und bei Erreichen der Kriterien für eine metallische Verbindung die Stabenden (12,22) achsial ausgerichtet, die Druckbeaufschlagung (P..P,) der Querschnittsflächen (11 ,21) erhöht und diese vollflächig miteinander verbunden werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung zwischen den Stabenden (12,22) orbital kreisend oder elliptisch ausgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stäbe in einer Halterung fixiert und deren Stabenden (12,22) jeweils in die Gegenrichtung mittels Bewegungselementen (13,23) gebogen und gegensinnig mit gleicher Winkelgeschwindigkeit orbital bewegt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stäbe (1 ,2) jeweils mit im Wesentlichen gleichen Abstand (A^A.,) von deren Querschnittsflächen (11,21) in ruhenden Halterungen (14,24) eingespannt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verbindungsverfahren der Stabenden (12,22) ein Wärmebehandlungsverfahren derselben überlagert wird. 1/1
Figure imgf000009_0001
FIG.1
Figure imgf000009_0002
FIG.2
ERSATZBLA7fT (REGEL 26)
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