通過摩擦擠壓焊接使用填充材料連結兩個基本金屬片狀工件的方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于連結兩個基本金屬片狀工件(1，2)的方法。在該方法中，工件(1，2)的要被連結的邊緣區域(3，4)被定位成相對于彼此具有間隙，至少一個填充材料(11)在連結操作之前或期間被導入邊緣區域之間的區域中，并且邊緣區域(3，4)和填充材料隨后通過相對于邊緣區域(3，4)移動的至少一個第一摩擦元件(5)被加熱至預定的連結溫度，經受特定接觸按壓力(6)并且在產生變形的同時被連結。
【專利說明】通過摩擦擠壓焊接使用填充材料連結兩個基本金屬片狀工件的方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種通過摩擦擠壓焊接連結兩個基本金屬片狀工件的方法。

【背景技術】
[0002]為了金屬片狀工件或類似的工件的材料粘合連結，熔焊和壓焊兩種方法都能被使用。
[0003]在熔焊方法中，被連接的兩個部件的普通熔池利用可選擇的另外的填充材料而產生，該填充材料通常為焊條的形式。隨后產生池凝固結構。在連結區域中的組件的熱負載相當于要被連結的材料的熔化溫度。
[0004]在壓焊方法中，除了通過各種熱源加熱，例如電阻加熱之外，使材料到達軟化溫度并且通過按壓力被按壓在一起，從而產生焊接連接。
[0005]在已知的摩擦攪拌焊接中，要被連接的材料通過攪拌處理被加熱并且在焊接區域中被混合。然而，這種方法僅限于特定的易形變的材料，以及使材料厚度最小化。
[0006]在冷壓焊中，同樣有較軟材料和特定材料厚度的限制。
[0007]由于在連結區域中的可用于工件的材料的體積非常小，并且由于金屬片狀物的相鄰區域必須避免損壞，薄壁工件的連結，特別是金屬片狀物的連結需要特定測量。因此，現已經提出在摩擦焊接方法中，在摩擦焊接之前，將薄壁金屬管連結至其他物體以加寬金屬管的邊緣，從而阻止凹口。這在DE3802300C1中被描述。另一種通過EP1236533A1展示的方法，其中接觸區域被制成盡可能的與摩擦工具一樣大。


【發明內容】

[0008]本發明基于提供一種用于連結兩個基本金屬片狀工件的方法的目的，其具有簡單的結構，并且容易以低成本進行應用，需要少量的設備支出并使片狀工件能夠被可靠地連結。
[0009]根據本發明，這個目的通過權利要求1的特征組合實現，從屬權利要求顯示本發明的進一步的優勢的構造。
[0010]因此，本發明描述了一種用于連結兩個基本金屬片狀工件的方法，其中，工件的要被連結的邊緣區域被定位成相對于彼此具有間隙，其中至少一個以線的形式的填充材料在連結操作之前或期間被導入邊緣區域之間的區域中，并且邊緣區域和填充材料隨后通過至少第一摩擦元件相對于邊緣區域和填充材料的相對移動被加熱到預定的連結溫度，并且經受按壓壓力并在產生變形的同時被連結。
[0011 ] 在根據本發明的用于接合兩個基本金屬片狀工件的摩擦擠壓焊接方法中，用于接合所需要的填充材料因此以線或帶的形式被供應。該線可以為圓形或矩形或所期望的任意形狀的橫截面。因此，一方面可以橋接當工件被切割尺寸時產生的邊緣間隙。因此，也同樣可以補償形狀的不規則等等。這在整體效果上有產生通過足夠量的填充材料實現高質量連結(焊縫)的可能性。
[0012]在根據本發明的方法中，工件和填充材料可以由相同的材料構成，但也可使用不同的材料。因此，也可以連結由不同的材料生產的工件。
[0013]本發明的必要方面是，連結區域不被融化，而只是被塑化。這對于微觀結構的特性是特別有利的。此外，也可以通過根據本發明的方法焊接通過傳統連結方法彼此不能被連接的材料。
[0014]在通過焊接連接金屬片狀物的情況中，片狀物也可以緊靠地放置而具有小的間隙，圓形或矩形的線放置在該間隙中，作為填充材料。間隙優選地被選定為其通過隨后由于摩擦磨損的線填充。
[0015]通過摩擦元件，填充材料和片狀物的邊緣通過旋轉和/或擺動摩擦移動而被塑化，因此作為摩擦元件的按壓力的結果，它們進入壓焊連接。
[0016]在根據本發明的方法中，要被連結的邊緣區域因此彼此相鄰放置，從而被定位。填充線通過饋送裝置或手動地定位，以在塑化后通過摩擦元件進入片狀物之間的連結區域。之后，邊緣區域和填充材料通過摩擦元件被加熱到預定的連結溫度，同時經受按壓壓力。摩擦元件被設置成相對于邊緣區域和填充材料相對移動。摩擦熱具有使邊緣區域和填充材料被加熱并從而被塑化的效果。通過摩擦元件施加的按壓壓力垂直地作用在工件的中心平面上并因此按壓在邊緣區域和以線的形式的填充材料上，從而引起邊緣區域的材料和填充材料的塑化，因此擠壓邊緣區域和填充材料。這樣產生片狀物和填充材料之間的壓焊連接。
[0017]根據本發明，摩擦元件作為摩擦盤，其圓周按壓邊緣區域，或摩擦元件作為摩擦柱，其端面按壓邊緣區域；與現有技術相反，其不像摩擦攪拌焊接情況中那樣在片狀物之間。
[0018]在本發明的特別有利的構造中，摩擦元件相對于邊緣區域和填充材料的相對移動通過摩擦元件的旋轉和/或轉動和/或擺動產生。該相對移動產生連結所需要的摩擦熱。為了產生長的焊縫，前進移動被沿著邊緣區域執行，并且同時供應填充線。
[0019]因此，本發明適合于連結相對長的邊緣區域以形成相對長的連結焊縫，并且適合于在特定點處或被限制的空間位置處連接工件。因此，也可以通過根據本發明的摩擦焊接方法產生點焊連接。在這種情況下，要被連結的邊緣區域相對地變短，不論是在直線方向上或以圓形或部分圓形的區域的形式。
[0020]基于連結參數，特別是基于工件的幾何形狀和材料，有利地，可以根據本發明的方法進行改進:通過外部熱源另外加熱邊緣區域和/或填充材料，或者通過另外的摩擦元件加熱它們，該另外的摩擦元件在前述的第一摩擦元件的縱向移動期間在第一摩擦元件之前移動。在通過外部熱源加熱的情況中，電阻加熱、感應加熱、通過火焰加熱(氣體火焰)、熱氣、激光、電弧、電子束、等離子流、或類似閃光對焊的隱燃接觸都可被使用。
[0021]無論填充材料和工件具有非常不同的軟化溫度、熱導率或熱容量，使用另外的熱源是尤其有利的。然后，另外的熱源允許塑化每種材料并且成功地焊接所需要的熱量被供應到每種材料。因此，厚的銅工件具有高散熱性并且需要另外的熱量，而要被焊接的薄銅線能夠非?？斓剡_到軟化溫度。當將鎢絲焊接到銅工件上時，例如，有利地，利用電弧、等離子流、激光束或電子束，將高熔點鎢絲預加熱到軟化溫度。當這樣做時，在預加熱期間建議使用保護氣體，以避免氧化。
[0022]以旋轉盤或滾動體的形式的前摩擦元件可以不僅用于工件和/或填充材料的預加熱，還用于移除氧化膜。
[0023]為了產生具有基本與工件厚度相同的光滑的、沒有凸起的連結焊縫，有利地，可以通過光滑處理元件在熱的狀態下使連結的邊緣區域變光滑。光滑處理元件可以同樣地相對于邊緣區域相對移動，類似于沿著縱向焊縫移動的滾動體或旋轉銷的方式。
[0024]在本發明的優選的構造中，以桿或滾動體或卷狀物的形式的元件用作第一摩擦元件和/或另外的摩擦元件和/或光滑處理元件。如果以桿的形式的元件被使用，并且其轉動軸線被布置成與工件的中心平面垂直，有利地，以桿的形式的元件的端面被倒角或設置有弧形邊。
[0025]根據本發明，相對移動也可由第一摩擦元件的擺動移動產生。
[0026]因此，為了連結非常薄壁的片狀工件或為了連結幾何形狀不準確或不精確的邊緣區域，有利地，例如以線的形式的至少一種填充材料在連結操作之前或期間被導入邊緣區域之間。
[0027]為了操作厚的工件，有利地，除了第一摩擦元件之外，第二摩擦元件設置在工件的后側，不但具有支撐的功能，還具有另外的摩擦功能。
[0028]根據本發明，已經發現特別地如果摩擦元件被成形為滾動體或輪將是非常有利的，因為這允許給予增強的相對移動，以塑化焊縫的區域。
[0029]通過應用例如以線的形式、擠壓連接并且上下放置的多個填充材料，多層焊接能夠被執行。
[0030]以桿的形式的摩擦元件優選地在其端面被倒角或設置有弧形邊，從而要被卷邊的材料能夠更容易地接合。
[0031]以盤的形式的摩擦元件優選地以與前進方向同向旋轉的方式移動，但也可以反向旋轉。
[0032]通過摩擦元件相對于工件的相對速度能夠影響加熱。
[0033]為了增加焊接速度并且焊接較厚的材料，有利地，焊接位置前方的材料通過另外的外部熱源被另外地預熱。為此，下面的熱源獲得考慮:另外使用的前摩擦元件和/或電阻加熱、感應加熱、氣體火焰、熱氣、激光、電弧、電子束、等離子流、閃光對焊中的隱燃接觸等坐寸ο
[0034]有利地，焊縫隨后通過第二摩擦元件或滾動操作優選地在仍然溫和的狀態中變光滑。這是通過以桿的形式的第二摩擦元件在與第一摩擦元件相反的方向上旋轉來執行的。
[0035]在第二摩擦元件為盤的形式的情況中，光滑處理操作可以相對于前進方向同向旋轉和反向旋轉。
[0036]根據本發明的方法的優點有:
[0037]一比熔焊方法更少的熱影響。
[0038]一平頭對接產生具有較小的力波動。
[0039]—少的設備支出。
[0040]一通過高轉速或摩擦元件與工件之間的高相對速度和可選擇的另外導入的熱源，能夠實現高的焊接速率。
[0041]一焊縫能夠被制成具有光滑表面，結果，焊縫沒有凹口 ；沒有必要如其他方法中產生重疊焊接，因此節省了材料。
[0042]一能夠用于許多材料，甚至那些難于焊接的材料，例如Al或Cu。
[0043]一通過卷邊操作產生細粒度的焊接結構。
[0044]一不需要屏蔽氣體。
[0045]一呈現的氧化膜通過摩擦處理容易地被去除。
[0046]—不需要防止電弧或激光輻射的保護措施。
[0047]一因為沒有液態熔池，可以有不適當位置的焊接而不產生任何問題。
[0048]一能夠產生平滑的表面。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0049]下文將基于示范性的實施例并結合附圖描述本發明，其中:
[0050]圖1是顯示根據本發明的方法的第一示范性的實施例的簡化示意性側視圖；
[0051]圖2是顯示根據圖1的方法的修改的結構形式；
[0052]圖3是顯示從圖2的布置的側視圖；
[0053]圖4是顯示具有前摩擦盤的修改的示范性的實施例的側視圖；
[0054]圖5是顯示類似于圖4的具有后光滑處理盤的修改的示范性的實施例的視圖；
[0055]圖6是顯示類似于圖5的使用以桿的形式的摩擦與光滑處理元件的另一個示范性的實施例；和
[0056]圖7是顯示多層焊縫的形成的三個視圖。

【具體實施方式】
[0057]圖1顯示工具臺15，其上放置兩個片狀工件1、2。工件彼此具有間隙，其中以線的形式的填充材料11放在該間隙中，并且與工件1、2的邊緣區域3、4鄰接。填充材料(線)11通過以盤的形式的第一摩擦元件5被加熱，并且通過按壓力6被按壓在一定位置。摩擦元件5繞轉動軸線14旋轉。
[0058]在加熱和塑化填充材料11后，邊緣區域3和4也被加熱和塑化，并且隨后通過按壓被塑化的材料而形成連結焊縫。
[0059]摩擦盤5將由例如V2A的材料制成。其運轉不需要潤滑，因此保持干燥狀態，轉速在12000到18000 rpm。摩擦元件5不產生任何磨損，因此不會損失材料。相反，摩擦元件5只是用于加熱和塑化并且施加按壓力6。
[0060]圖2和3顯示修改的示范性的實施例,其與圖1的示范性的實施例不同點在于，替代工具臺15，第二摩擦元件5被布置在工件1、2的下側，該第二摩擦元件5同樣繞轉動軸線14旋轉，并且被設計用來加熱或塑化并施加按壓力6。因此，在圖2和圖3的示范性的實施例的情況中，加熱和塑化以及按壓在兩側進行。
[0061]在圖4顯示的示范性的實施例的情況中，前摩擦盤(摩擦元件)8被設置。其同樣繞轉動軸線14旋轉，因此形成另外的熱源，以加熱工件1、2。之后，以線的形式的填充材料11被導入，并且結合圖1所描述的，填充材料11通過摩擦元件5被加熱并且通過施加的按壓力(未顯示)被擠壓，因此獲得連結焊縫。前進方向在圖4中由箭頭7表示。
[0062]圖5顯示一種結構變形，其中繞轉動軸線14旋轉的后盤9作為光滑處理元件被設置，以形成焊縫的光滑表面。
[0063]在圖6顯示的示范性的實施例的情況中，設想作為圖5的示范性的實施例的修改例，使用以桿的形式的摩擦與光滑處理元件9，其可被設定為繞旋轉軸線13旋轉。在端面上，摩擦與光滑處理元件被倒角和/或設置有圓形邊緣。
[0064]不言而喻，圖4到圖6中描述的變形可以與另外的熱源8或光滑處理元件9結合。
[0065]圖7顯示另一個示范性的實施例，其中多層焊縫被形成。為了這個目的，工件1、2的邊緣區域3，4具有階梯形式。在圖7左側的圖像中，類似于圖1表示的方式，以線的形式的圓形填充材料11首先被壓入。圖7中間的圖像顯示在第一步驟中形成的連結焊縫10 (圖7左側的圖像)，在其上以線的形式的另一個元件被放置，作為填充材料。在這種情況下，其具有長方體截面并且同樣通過摩擦元件5被加熱和被塑化，并通過按壓力(未顯示)被按壓或擠壓。不言而喻，填充材料11的尺寸和摩擦元件5的寬度必須適當地匹配。
[0066]在圖7右側的圖像的情況中，兩個連結焊縫10已經被形成。另一個以線的形式的矩形填充材料11被放置在其上，并通過摩擦元件5被加熱并且被塑化和被擠壓?？梢酝ㄟ^這種方式形成多層連結焊縫。
[0067]參考數字列表
[0068]1、2 工件
[0069]3、4邊緣區域
[0070]5第一摩擦元件
[0071]6按壓壓力/按壓力
[0072]7縱向移動/前進方向
[0073]8熱源/摩擦元件
[0074]9光滑處理元件
[0075]10連結焊縫
[0076]11填充材料/線
[0077]12中心平面
[0078]13旋轉軸線
[0079]14轉動軸線
[0080]15 臺
【權利要求】
1.一種用于連結兩個基本金屬片狀工件(1，2)的方法，其特征在于，所述工件(1，2)的要被連結的邊緣區域(3，4)被定位成相對于彼此具有間隙，其中至少一個以線的形式的填充材料(11)在連結操作之前或期間被導入所述邊緣區域之間的區域中，并且所述邊緣區域(3，4)和所述填充材料隨后通過至少第一摩擦元件(5)相對于所述邊緣區域(3，4)和所述填充材料(11)的相對移動被加熱到預定的連結溫度，并且經受按壓壓力(6)并在產生變形的同時被連結。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一摩擦元件(5)的所述相對移動通過沿著所述邊緣區域(3，4)的旋轉和/或轉動和/或擺動和/或縱向移動而被應用。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，為了將要被連結的所述邊緣區域(3，4)加熱到所述連結溫度，另外的摩擦元件(8)被應用到所述邊緣區域并且在所述第一摩擦元件(5)之前相對于所述邊緣區域移動。
4.如權利要求1至3中任意一項所述的方法，其特征在于，為了將要被連結的所述邊緣區域(3，4)加熱到所述連結溫度，所述邊緣區域(3，4)通過外部熱源⑶被加熱，特別地通過電阻加熱、感應加熱、氣體火焰、熱氣、激光、電弧、電子束、等離子流和/或隱燃接觸被加熱。
5.如權利要求1至4中任意一項所述的方法，其特征在于，連結的所述邊緣區域(3，4)通過光滑處理元件(9)在熱的狀態下變光滑，所述光滑處理元件相對于所述邊緣區域(3，4)進行相對移動。
6.如權利要求1至5中任意一項所述的方法，其特征在于，以桿的形式的元件，或者以滾動體或卷狀物的形式的元件被用作所述第一摩擦元件(5)，和/或用作所述另外的摩擦元件，和/或用作所述光滑處理元件(9)，所述以桿的形式的元件優選地具有端面，所述端面被倒角或設置有弧形邊，并且與所述邊緣區域(3，4)相靠地放置。
7.如權利要求1至6中任意一項所述的方法，其特征在于，所述第一摩擦元件(5)以相對于所述邊緣區域(3，4)旋轉或擺動的相對移動和沿著所述邊緣區域(3，4)的縱向移動(7)而移動。
8.如權利要求1至7中任意一項所述的方法，其特征在于，所述邊緣區域(3，4)形成為直的。
9.如權利要求1至8中任意一項所述的方法，其特征在于，所述第一摩擦元件(5)通過另一個摩擦元件(5)被支撐在所述工件(1，2)的后側。
10.如權利要求1至9中任意一項所述的方法，其特征在于，所述工件(1，2)和所述填充材料(11)的要被接合的區域被加熱到塑化溫度。
【文檔編號】B23K20/12GK104159696SQ201280069682
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2012年11月9日 優先權日:2011年12月16日
【發明者】保羅·辛德勒 申請人:肯普滕應用技術大學-高等?？茖W校