NO870096L

NO870096L - FRICTION WELDING.

Info

Publication number: NO870096L
Application number: NO870096A
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: NO870096D0

Description

Oppfinnelsen angår fremgangsmåter og apparater for friksjons-sveising. The invention relates to methods and apparatus for friction welding.

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.

Et problem ved konvensjonell friksjonssveising oppstår nårA problem with conventional friction welding occurs when

de to arbeidsstykker innledningsvis bringes sammen. På dette stadium er der betydelig tørr friksjon mellom arbeidsstykkene, og det kreves en betydelig økning i energi for å overvinne denne tørr-friksjon. For eksempel kan det innledende friksjons-dreiemoment ved sveising av en 10 mm diameter pinneskrue være i området 30-40 Nm. Dette problem ble tidligere løst ved å konstruere en drivmotor som kunne levere tilstrekkelig drivmoment til å overvinne tørr-friksjon. En slik drivmotor kan aksepteres i forholdsvis stasjonære friksjons-sveiseapparater, men utgjør ingen tilfredsstillende løsning når det gjelder konstruksjon av bærbare friksjons-sveiseapparater. Det er nå behov for å kunne utføre friksjons-sveising på stedet der de sveisede arbeidsstykker skal brukes. Dette i motsetning til kjente anordninger der arbeidsstykkene bringes til friksjons-sveiseapparatet hvor de sveises og deretter transporteres tilbake til bruksstedet. Drivmotorer som er egnet for bærbare sveiseapparater har typisk the two workpieces are initially brought together. At this stage, there is significant dry friction between the workpieces, and a significant increase in energy is required to overcome this dry friction. For example, the initial friction torque when welding a 10 mm diameter stud screw can be in the range of 30-40 Nm. This problem was previously solved by constructing a drive motor that could deliver sufficient drive torque to overcome dry friction. Such a drive motor can be accepted in relatively stationary friction welding devices, but does not constitute a satisfactory solution when it comes to the construction of portable friction welding devices. There is now a need to be able to carry out friction welding at the place where the welded workpieces are to be used. This is in contrast to known devices where the workpieces are brought to the friction welding apparatus where they are welded and then transported back to the place of use. Drive motors suitable for portable welding equipment typically have

et driv-moment i størrelsesorden 8 Nm. I ovennevnte eksempel,a drive torque of the order of 8 Nm. In the above example,

ved sveising av en stift med 10 mm diameter, er der ved berøring et netto motstands-dreiemoment på over 20 Nm. Dette fører til rask retardasjon av motoren slik at gnidningsvarmen reduseres og intet fluks dannes. Motoren stopper således før sveisen påbegynnes. Motorkapasiteten må derfor økes med en faktor på 3 eller 4, slik when welding a pin with a diameter of 10 mm, there is a net resistance torque of over 20 Nm upon contact. This leads to rapid deceleration of the motor so that the frictional heat is reduced and no flux is formed. The motor thus stops before the welding begins. The motor capacity must therefore be increased by a factor of 3 or 4, like this

at et bærbart apparat ville bli upraktisk.that a portable device would become impractical.

I henhold til et aspekt ved foreliggende oppfinnelseAccording to one aspect of the present invention

omfatter en fremgangsmåte for friksjonssveising en aktuator-drivinnretning som er tilkoplet en primær-energikilde for å bevirke relativ rotasjon mellom et par arbeidsstykker, hvilken drivinnretning også er tilkoplet med en hjelpe-energikilde, og anbringelse av arbeidsstykkene i kontakt med hverandre under a method of friction welding includes an actuator drive device which is connected to a primary energy source to effect relative rotation between a pair of workpieces, which drive device is also connected to an auxiliary energy source, and placing the workpieces in contact with each other during

trykk, idet hjelpe-energikilden er innrettet til å forsyne drivinnretningen med tilstrekkelig tilleggsenergi slik at drivinnretningen overvinner virkningene av motstands-dreiemomentet mellom arbeidsstykkene ved innledende kontakt mellom arbeidsstykkene . pressure, the auxiliary energy source being arranged to supply the drive device with sufficient additional energy so that the drive device overcomes the effects of the resistance torque between the workpieces upon initial contact between the workpieces.

I henhold til et annet aspekt ved foreliggende oppfinnelse omfatter et friksjons-sveiseapparat en drivinnretning for tilkopling til en primær-energikilde ved bruk som for å bevirke relativ rotasjon mellom et par arbeidsstykker, et hjelpeenergi-lager som er tilkoplet drivinnretningen, samt organer for å According to another aspect of the present invention, a friction welding apparatus comprises a drive device for connection to a primary energy source when used to cause relative rotation between a pair of workpieces, an auxiliary energy storage which is connected to the drive device, as well as means for

tvinge arbeidsstykkene i berøring med hverandre, idet hjelpelageret er innrettet til å forsyne drivinnretningen med tilstrekkelig tilleggsenergi slik at drivinnretningen overvinner virkningene av motstands-dreiemomentet mellom arbeidsstykkene ved innledende berøring mellom arbeidsstykkene ved bruk. forcing the workpieces into contact with each other, the auxiliary bearing being arranged to supply the drive device with sufficient additional energy so that the drive device overcomes the effects of the resistance torque between the workpieces upon initial contact between the workpieces in use.

Oppfinnelsen gjør det mulig å oppnå en kompakt, mer effektiv og meget billigere fremgangsmåte og apparat samt konstruksjon av et bærbart friksjons-sveiseapparat. Problemet med å overvinne det høye motstands-dreiemoment som erfares under den innledende berøring, løses ved å kople drivinnretningen til en hjelpe-energikilde som leverer tilleggsenergi under berøringsfasen. Tilstrekkelig tilleggsenergi tilføres slik at drivinnretningens retardering ved innledende kontakt mellom arbeidsstykkene begrenses til akseptable grenser inntil motstands-dreiemomentet har falt til et nivå som er i det vesentlige lik eller mindre enn drivinnretningens kapasitet. Med andre ord nåes en balanse mellom drivinnretningens driv-dreiemoment og motstands-dreiemomentet mellom arbeidsstykkene, før drivinnretningen stopper. Etter denne fase kan drivinnretningen uten hjelp levere den nødvendige energi for sveisesyklusen som reaksjon på energi fra primærkilden. The invention makes it possible to achieve a compact, more efficient and much cheaper method and apparatus as well as the construction of a portable friction welding apparatus. The problem of overcoming the high resistance torque experienced during the initial contact is solved by coupling the drive device to an auxiliary energy source that supplies additional energy during the contact phase. Sufficient additional energy is supplied so that the deceleration of the drive device upon initial contact between the workpieces is limited to acceptable limits until the resistance torque has fallen to a level substantially equal to or less than the drive device's capacity. In other words, a balance is reached between the driving device's drive torque and the resistance torque between the workpieces, before the drive device stops. After this phase, the drive device can unaided supply the necessary energy for the welding cycle in response to energy from the primary source.

Denne oppfinnelse bør sammenlignes med konvensjonelle friksjons-sveisesystemer hvor hjelpe-energikilder, slik som svinghjul, benyttes. I disse konvensjonelle systemer benyttes den ytterligere treghet til å levere all sveiseenergien, og følgelig må meget massive svinghjul anvendes. I foreliggende tilfelle benyttes imidlertid en ytterligere treghet bare til å forsterke energitilførselen under den innledende fase av sveisingen. På denne måte økes kapasiteten til en sveisemaskin betydelig sammenlignet med en enhet som er helt avhengig av motorkraften for energitilførsel på sveise-tidspunktet. This invention should be compared with conventional friction welding systems where auxiliary energy sources, such as flywheels, are used. In these conventional systems, the additional inertia is used to deliver all the welding energy, and consequently very massive flywheels must be used. In the present case, however, a further inertia is used only to reinforce the energy supply during the initial phase of the welding. In this way, the capacity of a welding machine is increased significantly compared to a unit that is completely dependent on the engine power for energy supply at the time of welding.

Den treghetsmengde som anvendes kan varies avhengig av den type arbeidsstykker som sveises. The amount of inertia used can vary depending on the type of workpieces being welded.

Fremgangsmåten vil typisk videre omfatte avbryting av den relative rotasjon mellom arbeidsstykkene etter at tilstrekkelig varme er bygget opp ved grenseflaten mellom arbeidsstykkene og deretter sammenpressing av arbeidsstykkene under smitrykk. The method will typically further include interrupting the relative rotation between the workpieces after sufficient heat has built up at the interface between the workpieces and then compressing the workpieces under forging pressure.

Hjelpelageret er fortrinnsvis innrettet til å lagre akkurat tilstrekkelig (treghets-) energi til å overvinne kontaktfriksjonen ved drivinnretningens arbeidshastighet. Dette gir den minst mulige størrelse av hjelpelageret som er viktig når det gjelder bærbare friksjons-sveiseapparater. The auxiliary bearing is preferably arranged to store just sufficient (inertia) energy to overcome the contact friction at the operating speed of the drive device. This provides the smallest possible size of the auxiliary bearing which is important in the case of portable friction welding machines.

Hjelpeenergilageret er fortrinnsvis koplet til et roterbart parti av drivinnretningen. Denne kopling kan f.eks. oppnås ved å innbefatte en passende transmisjon slik som ett eller flere remmer eller bånd mellom lageret (slik som et roterbart montert element) og det roterbare parti av drivinnretningen. Lageret omfatter imidlertid hensiktsmessig et svinghjul som er koplet til en drivaksel på drivinnretningen for rotasjon sammen med drivakselen. Svinghjulet er hensiktsmessig montert koaksialt på drivakselen. The auxiliary energy storage is preferably connected to a rotatable part of the drive device. This connection can e.g. achieved by including a suitable transmission such as one or more belts or belts between the bearing (such as a rotatably mounted member) and the rotatable portion of the drive. However, the bearing suitably comprises a flywheel which is connected to a drive shaft on the drive device for rotation together with the drive shaft. The flywheel is conveniently mounted coaxially on the drive shaft.

Drivinnretningen kan utgjøres av hvilken som helst hensiktsmessig drivmotor, men er fortrinnsvis en luftdrevet motor. The drive device can be any suitable drive motor, but is preferably an air-driven motor.

Apparatet omfatter typisk et hus som bærer drivinnretningen, idet drivinnretningens drivaksel er aksielt bevegelig i forhold til huset, og hvor svinghjulet også er aksielt bevegelig i forhold til huset. The apparatus typically comprises a housing which carries the drive device, the drive shaft of the drive device being axially movable relative to the housing, and where the flywheel is also axially movable relative to the housing.

Når det gjelder bærbart sveiseapparat, kan dette væreIn the case of portable welding equipment, this can be

direkte montert på et annet arbeidsstykke ved hjelp av et fast-spenningsarrangement som, når arbeidsstykket er av et ferro-materiale, kan omfatte ett eller flere magnetiske elementer. Magnet-fastspenningselementet eller -elementene kan være permanent-magnetisert eller kan alternativt utgjøres av én eller flere elektromagneter. Sistnevnte arrangement gjør det lettere å demontere apparatet etter sveising. directly mounted on another workpiece by means of a fixed tension arrangement which, when the workpiece is of a ferrous material, may include one or more magnetic elements. The magnet clamping element or elements can be permanently magnetized or can alternatively consist of one or more electromagnets. The latter arrangement makes it easier to dismantle the device after welding.

Ved arbeidsstykker som ikke er av et ferro-materiale, kan sveiseapparatet være montert til arbeidsstykket ved hjelp av en tetning som avgrenser et lukket, evakuert rom. In the case of workpieces that are not of a ferrous material, the welding apparatus can be mounted to the workpiece by means of a seal that delimits a closed, evacuated space.

Et eksempel på en fremgangsmåte og et apparat 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 method and an 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 kappepartiet 2 ved hjelp av en 0-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 kappepartiet 2 og en radielt utadragende flens 35 utformet i ett med det indre sylindriske parti 17. of a pressure 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 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

for å tillate en-dimensjonal innretting av sveisehodet etter eksitering av elektromagnetene 73. Denne stilling kan fastspennes ved hjelp av en låseskrue 80. to allow one-dimensional alignment of the welding head after excitation of the electromagnets 73. This position can be clamped by means of 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. 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 backplate 19 and a motor gasket plate 44 into the motor housing 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. 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 wall of the casing part.

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 inn i et hulrom 50. For stifter med liten diameter er det tilstrekkelig at denne luft virker direkte på stempelet 7 for å 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. 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 a different path through a drain hole 49 into a cavity 50. For pins with a small diameter, it is sufficient that this air acts directly on the piston 7 to force the engine casing 16 in relation to the casing part 2 against the force from the spring 33. This however, 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 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 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. 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 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 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 allows adjusting the punch 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 av lette materialer og motorens 20 roterende bestanddeler samt stiftholderenheten har således liten iboende treghet. Dette er av liten hjelp ved forsøk på å løse de ovenfor omtalte problemer ved høyt innledende dreiemoment. In order for the tool to be portable, it is made of light materials and the 20 rotating components of the motor as well as the pin holder unit thus have 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 fastspenningsarrangementetIt should be noted that if the clamping arrangement

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. 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. Procedure for friction welding, characterized in that it comprises the production of relative rotation between a pair of workpieces (70, 71) upon activation of the first and second drive devices (20, 29), the first drive device (20) being connected to a primary energy source and the second drive device being aligned to store auxiliary energy, placing the workpieces (70, 71) in contact with each other under pressure, the first and second drive means being arranged to together supply sufficient rotational energy to overcome the effects of the resistance torque between the workpieces upon initial contact between the workpieces, and then continued activation of the first drive device (20) to maintain relative rotation between the workpieces (70, 71).

2. Method, according to claim 1, characterized in that it further comprises subsequent stopping of the first drive device (20) to interrupt the relative rotation between the workpieces (70, 71) after sufficient heat has built up at the interface between the workpieces and then compressing the workpieces under forging pressure.

3. Method, according to claim 1, characterized in that the second drive device (29), before the workpieces are brought into contact with each other, is made to store a predetermined amount of energy.

4. Method, according to claim 1, characterized in that a workpiece (70) is attached to the first and second drive device (20, 29), and that the first and second drive device (20, 29) is attached to the second workpiece (71) before activation of the first and second drive device.

5. Friction welding apparatus, characterized in that it comprises a first drive device (20) which is designed to be connected to a primary energy source, a second drive device (29) which is designed to store auxiliary energy, which first and second drive device is designed to cause relative rotation between a pair of workpieces (70, 71) as well as a device (7) for forcing the workpieces into contact with each other, the first and second drive devices (20, 29) being arranged together to deliver sufficient rotational energy to overcome the effects of the resistance torque between the workpieces upon initial contact between the workpieces, and as the first drive device (20) is arranged to then maintain relative rotation between the workpieces (70, 71).

6. Portable friction welding apparatus, according to claim 5.

7. Apparatus, according to claim 5, characterized in that the first and second drive devices (20, 29) are connected to a common rotatable element which is arranged to carry a workpiece (70).

8. Apparatus, according to claim 7, characterized in that the second drive device comprises a flywheel (29) which is connected to a drive shaft (20') on the first drive device (20) for rotation with the drive shaft.

9. Apparatus, according to claim 8, characterized in that the flywheel (29) is mounted coaxially on the drive shaft (20').

10. Apparatus, according to claim 8, characterized in that it comprises a housing (1, 2) which carries the first drive device, the drive shaft (20') of the drive device (20) is axially movable relative to the housing, and that the flywheel (29) is also axially movable relative to the housing .

11. Apparatus, according to claim 5, characterized in that it further comprises time-regulating means (56) to delay the activation of the forcing device (7) until the first drive device has reached a predetermined speed.