通過摩擦擠壓焊接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，工件的要被連結的邊緣區域(3，4)相對于工件(1，2)的平面以90°被彎曲，彎曲的邊緣區域(3，4)彼此相靠地放置，并且邊緣區域(3，4)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]根據本發明，片狀工件的要被連結的邊緣區域從各自的工件的平面分別地具有凸緣或以90°被卷邊。這樣，窄的邊緣區域被卷邊，盡管要獲得的連結焊縫的完成狀態下的形式是:兩個片狀工件被相互對接地連結，并且具有恒定的厚度。因此，在連結焊縫的完成狀態中，根據本發明的方法基本上不會引起兩個片狀工件(假設它們具有相同的厚度)的任何材料增厚。
[0011]凸緣用于理解本發明的目的，指的是金屬片狀物或管的邊緣以90°彎曲。因此，邊緣的呈直角彎曲通過在連結焊縫的區域中的金屬片狀部件的工件邊緣的傾斜而產生。根據本發明，連結焊縫可以是直的或彎曲的。在任何情況中，從片狀工件的平面抬起的邊緣是通過凸緣或卷邊形成。
[0012]在根據本發明的方法中，要被連結的邊緣區域隨后彼此相靠地放置，從而被定位。隨后，邊緣區域通過摩擦元件被加熱到預定的連結溫度并且因此受到按壓壓力。摩擦元件設置成相對于邊緣區域相對移動。通過摩擦熱，邊緣區域被加熱并因此被塑化。通過摩擦元件施加的垂直于工件的中心平面的按壓壓力因此按壓在卷邊或具有凸緣的邊緣區域上，從而引起邊緣區域的材料的卷邊，并因此導致邊緣區域被壓平。卷邊或具有凸緣的邊緣區域的材料因此作為連接工件的連結材料。
[0013]根據本發明，摩擦元件的端面被按壓在卷邊或具有凸緣的邊緣區域上；與現有技術相反，其不是位于具有凸緣的邊緣或卷邊的彎曲邊緣區域之間的。
[0014]在本發明的一種特別有利的構造中，摩擦元件相對于邊緣區域的相對移動通過摩擦元件的旋轉和/或轉動和/或擺動而產生的。這種相對移動產生連結所需要的摩擦熱。另外，相對移動可以通過摩擦元件沿著邊緣區域的縱向移動而產生，以產生長的連結焊縫。
[0015]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，要被連結的具有凸緣或卷邊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。
[0016]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，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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]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。
[0023]根據本發明的方法的優點有:
[0024]一不需要使用填充材料。
[0025]一比熔焊方法更少的熱影響。
[0026]一平頭對接產生具有較小的力波動。
[0027]一少的設備支出。
[0028]—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。
[0029]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。
[0030]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。
[0031]一通過卷邊操作產生細粒度的焊接結構。
[0032]一不需要屏蔽氣體。
[0033]一呈現的氧化膜通過摩擦處理容易地被去除。
[0034]一不需要防止電弧或激光輻射的保護措施。
[0035]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。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]下文將基于示范性的實施例并結合附圖描述本發明，其中:
[0037]圖1是顯示具有凸緣并且被定位的兩個工件的示意性側視圖；
[0038]圖2是顯示類似于圖1的應用第一摩擦元件的側視圖；
[0039]圖3是顯示圖1和圖2的在連結操作期間的情況的側視圖；
[0040]圖4是顯示類似于圖3的以滾動體或盤的形式的摩擦元件的側視圖；
[0041]圖5是顯示根據圖3的情況的平面圖；
[0042]圖6是顯示類似于圖5的具有根據圖4的以盤的形式的摩擦元件的平面圖；
[0043]圖7是顯示類似于圖3的具有另外的熱源和光滑處理元件的側視圖；
[0044]圖8是顯示在特定點處的連結的側視圖；
[0045]圖9是顯示具有填充材料的側視圖；
[0046]圖10是顯示類似于圖9的具有帶輪廓的摩擦元件的示范性的實施例的示意性側視圖；和
[0047]圖11是顯示類似于圖10的另一個工作情況的視圖。

【具體實施方式】
[0048]圖1顯示兩個片狀工件I和2，其被設置成彼此鄰近并且其要被連接的邊緣區域
3、4具有凸緣、被彎曲或被卷邊。可以看到，被卷邊的邊緣區域3、4與工件1、2的各自的中心平面12基本上垂直地延伸。根據本發明，該邊緣區域可以具有不明顯的凸緣，因此凸緣角度可以是90°以下。
[0049]圖2顯示了方法的下一個步驟，其中第一摩擦元件5放置在邊緣區域3、4上。在這種情況下，第一摩擦元件5為桿的形式，其端面被倒圓角并且繞旋轉軸線13轉動，以產生所需要的摩擦熱。另外，通過按壓壓力或按壓力6進行按壓。可以看到，按壓力6與中心平面12垂直地被施加，因此其在邊緣區域3、4的方向上被施加。這樣導致對邊緣區域3、4的材料的擠壓并加熱到塑化溫度，如圖3的側視圖中所示。第一摩擦元件5通過縱向移動在前進方向7上移動，還繞旋轉軸線13旋轉，以產生延伸的連結焊縫。
[0050]圖4顯示了以盤的形式的摩擦元件5的構造變形，其繞轉動軸線14轉動，轉動軸線14被布置在平行于中心平面12的平面中。按壓力6被同樣地施加。以盤的形式的摩擦元件在前進方向7上移動。由于繞轉動軸線14的適當的高轉速,摩擦元件5和邊緣區域3、4之間發生相對運動，因此摩擦元件5不是沿著邊緣區域3、4滾動，而是旋轉地移動。
[0051]圖5顯示了圖3的表示完成的連結焊縫10的情況的平面圖。顯而易見的是，連結焊縫10的厚度等于工件1、2的材料厚度。
[0052]在圖6中，表示圖4的情況被顯示在平面圖中。
[0053]在圖7中，另外的熱源8被示意性地顯示，其在邊緣區域3、4與第一摩擦元件5接觸之前另外地加熱邊緣區域3、4。
[0054]在前進方向7上，光滑處理元件9布置在第一摩擦元件5的后面，其對使完成的連結焊縫10變光滑。光滑處理元件9同樣經歷相對移動；它也可形成為滾動的滾動體或相似的形式。按壓力6也可施加在光滑處理元件9上。
[0055]在上文描述的示范性的實施例的情況中，連結焊縫為縱向焊縫的形式，而圖8顯示類似圖4的基本上在特定點處具有凸緣的視圖。這是由于工件1、2的有界限的小區域的適當卷邊而產生的。
[0056]圖9顯示了另外的構造變形，其中例如以線的形式的填充材料11放置在工件I和2之間的連結區域中，以增加另外的材料。
[0057]為了較厚的片狀物1、2的焊接，并且在焊縫的下面獲得片狀物1、2的好的焊接，可以在焊接位置處從上方和下方利用兩個摩擦元件5進行作業。這導致填充材料與片狀物1、2的更好的連接。通過兩個摩擦元件，材料被塑化，并且該材料在擠壓焊縫中被焊接到片狀物的邊緣。第二摩擦元件同時具有支撐的功能和摩擦給予并卷邊的功能。
[0058]圖10顯示了示范性的實施例，其中使用了以滾動體或卷形物的形式的摩擦元件5，并設定繞轉動軸線14旋轉。摩擦元件5的中間區域凹進地形成，因此具有較小直徑的環形區域。在上文描述的連結操作情況中，可以使連結焊縫10變厚，因此實現焊縫加固。這樣可以通過增加的凸緣而被加強。圖10中顯示的視圖是與圖5類似的截面圖，因此圖10只顯示完成的連結焊縫10。
[0059]圖11顯示了與圖10類似的當摩擦元件5放置在卷邊或具有凸緣的邊緣區域3、4上，為了產生圖10所示的連結焊縫10時的情況。
[0060]根據本發明，要被焊接的兩個片狀物因此在它們的連結位置具有凸緣，在凸緣處被對接在一起，并且通過使以盤或桿的形式的摩擦元件旋轉或擺動經由摩擦和可選擇的另外的熱源被軟化，并且通過按壓力連接以形成擠壓焊縫。
[0061]優選地，以桿的形式的摩擦元件的端面被倒角或設置有弧形邊，從而卷邊的材料能夠被更容易地連結。
[0062]優選地，以盤的形式的摩擦元件在前進方向上以同向旋轉的方式移動，但也能以反向旋轉的方式移動。
[0063]優選地，連結位置的凸緣和凸緣的角度使得在隨后的摩擦給予和擠壓過程中變形的材料填充連結間隙，用這種方式來產生平面。
[0064]通過摩擦元件相對于工件的相對速度能夠影響加熱。
[0065]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一個外部熱源被另外地預熱。
[0066]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等。
[0067]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。
[0068]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。
[0069]參考數字列表
[0070]1、2 工件
[0071]3、4邊緣區域
[0072]5第一摩擦元件
[0073]6按壓壓力/按壓力
[0074]7縱向移動/前進方向
[0075]8 熱源
[0076]9光滑處理元件
[0077]10連結焊縫
[0078]11填充材料/線
[0079]12中心平面
[0080]13旋轉軸線
[0081]14轉動軸線
【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，所述工件的要被連結的邊緣區域(3，4)從各自的工件(1，2)的平面以90°被卷邊，卷邊的所述邊緣區域(3,4)彼此相靠地放置，并且所述邊緣區域(3，4)隨后至少通過第一摩擦元件(5)相對于所述邊緣區域(3，4)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，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)形成為直的或彎曲的。
9.如權利要求1至8中任意一項所述的方法，其特征在于，優選以線的形式的至少一個填充材料(11)在連結操作之前或期間被布置在所述邊緣區域(3，4)的區域中。
10.如權利要求1至9中任意一項所述的方法，其特征在于，所述摩擦元件通過另一個摩擦元件被支撐在所述工件(1，2)的后側。
【文檔編號】B23K20/12GK104185531SQ201280069688
【公開日】2014年12月3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-高等專科學校