通过摩擦挤压焊接使用填充材料连结两个基本金属片状工件的方法

摘要

本发明涉及一种用于连结两个基本金属片状工件(1，2)的方法。在该方法中，工件(1，2)的要被连结的边缘区域(3，4)被定位成相对于彼此具有间隙，至少一个填充材料(11)在连结操作之前或期间被导入边缘区域之间的区域中，并且边缘区域(3，4)和填充材料随后通过相对于边缘区域(3，4)移动的至少一个第一摩擦元件(5)被加热至预定的连结温度，经受特定接触按压力(6)并且在产生变形的同时被连结。

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过摩擦挤压焊接连结两个基本金属片状工件的方法。

背景技术

为了金属片状工件或类似的工件的材料粘合连结，熔焊和压焊两种方法都能被使用。

在熔焊方法中，被连接的两个部件的普通熔池利用可选择的另外的填充材料而产生， 该填充材料通常为焊条的形式。随后产生池凝固结构。在连结区域中的组件的热负载相当 于要被连结的材料的熔化温度。

在压焊方法中，除了通过各种热源加热，例如电阻加热之外，使材料到达软化温度并 且通过按压力被按压在一起，从而产生焊接连接。

在已知的摩擦搅拌焊接中，要被连接的材料通过搅拌处理被加热并且在焊接区域中被 混合。然而，这种方法仅限于特定的易形变的材料，以及使材料厚度最小化。

在冷压焊中，同样有较软材料和特定材料厚度的限制。

由于在连结区域中的可用于工件的材料的体积非常小，并且由于金属片状物的相邻区 域必须避免损坏，薄壁工件的连结，特别是金属片状物的连结需要特定测量。因此，现已 经提出在摩擦焊接方法中，在摩擦焊接之前，将薄壁金属管连结至其他物体以加宽金属管 的边缘，从而阻止凹口。这在DE3802300C1中被描述。另一种通过EP1236533A1展示的 方法，其中接触区域被制成尽可能的与摩擦工具一样大。

发明内容

本发明基于提供一种用于连结两个基本金属片状工件的方法的目的，其具有简单的结 构，并且容易以低成本进行应用，需要少量的设备支出并使片状工件能够被可靠地连结。

根据本发明，这个目的通过权利要求1的特征组合实现，从属权利要求显示本发明的 进一步的优势的构造。

因此，本发明描述了一种用于连结两个基本金属片状工件的方法，其中，工件的要被 连结的边缘区域被定位成相对于彼此具有间隙，其中至少一个以线的形式的填充材料在连 结操作之前或期间被导入边缘区域之间的区域中，并且边缘区域和填充材料随后通过至少 第一摩擦元件相对于边缘区域和填充材料的相对移动被加热到预定的连结温度，并且经受 按压压力并在产生变形的同时被连结。

在根据本发明的用于接合两个基本金属片状工件的摩擦挤压焊接方法中，用于接合所 需要的填充材料因此以线或带的形式被供应。该线可以为圆形或矩形或所期望的任意形状 的横截面。因此，一方面可以桥接当工件被切割尺寸时产生的边缘间隙。因此，也同样可 以补偿形状的不规则等等。这在整体效果上有产生通过足够量的填充材料实现高质量连结 (焊缝)的可能性。

在根据本发明的方法中，工件和填充材料可以由相同的材料构成，但也可使用不同的 材料。因此，也可以连结由不同的材料生产的工件。

本发明的必要方面是，连结区域不被融化，而只是被塑化。这对于微观结构的特性是 特别有利的。此外，也可以通过根据本发明的方法焊接通过传统连结方法彼此不能被连接 的材料。

在通过焊接连接金属片状物的情况中，片状物也可以紧靠地放置而具有小的间隙，圆 形或矩形的线放置在该间隙中，作为填充材料。间隙优选地被选定为其通过随后由于摩擦 磨损的线填充。

通过摩擦元件，填充材料和片状物的边缘通过旋转和/或摆动摩擦移动而被塑化，因此 作为摩擦元件的按压力的结果，它们进入压焊连接。

在根据本发明的方法中，要被连结的边缘区域因此彼此相邻放置，从而被定位。填充 线通过馈送装置或手动地定位，以在塑化后通过摩擦元件进入片状物之间的连结区域。之 后，边缘区域和填充材料通过摩擦元件被加热到预定的连结温度，同时经受按压压力。摩 擦元件被设置成相对于边缘区域和填充材料相对移动。摩擦热具有使边缘区域和填充材料 被加热并从而被塑化的效果。通过摩擦元件施加的按压压力垂直地作用在工件的中心平面 上并因此按压在边缘区域和以线的形式的填充材料上，从而引起边缘区域的材料和填充材 料的塑化，因此挤压边缘区域和填充材料。这样产生片状物和填充材料之间的压焊连接。

根据本发明，摩擦元件作为摩擦盘，其圆周按压边缘区域，或摩擦元件作为摩擦柱， 其端面按压边缘区域；与现有技术相反，其不像摩擦搅拌焊接情况中那样在片状物之间。

在本发明的特别有利的构造中，摩擦元件相对于边缘区域和填充材料的相对移动通过 摩擦元件的旋转和/或转动和/或摆动产生。该相对移动产生连结所需要的摩擦热。为了产 生长的焊缝，前进移动被沿着边缘区域执行，并且同时供应填充线。

因此，本发明适合于连结相对长的边缘区域以形成相对长的连结焊缝，并且适合于在 特定点处或被限制的空间位置处连接工件。因此，也可以通过根据本发明的摩擦焊接方法 产生点焊连接。在这种情况下，要被连结的边缘区域相对地变短，不论是在直线方向上或 以圆形或部分圆形的区域的形式。

基于连结参数，特别是基于工件的几何形状和材料，有利地，可以根据本发明的方法 进行改进：通过外部热源另外加热边缘区域和/或填充材料，或者通过另外的摩擦元件加热 它们，该另外的摩擦元件在前述的第一摩擦元件的纵向移动期间在第一摩擦元件之前移 动。在通过外部热源加热的情况中，电阻加热、感应加热、通过火焰加热(气体火焰)、 热气、激光、电弧、电子束、等离子流、或类似闪光对焊的隐燃接触都可被使用。

无论填充材料和工件具有非常不同的软化温度、热导率或热容量，使用另外的热源是 尤其有利的。然后，另外的热源允许塑化每种材料并且成功地焊接所需要的热量被供应到 每种材料。因此，厚的铜工件具有高散热性并且需要另外的热量，而要被焊接的薄铜线能 够非常快地达到软化温度。当将钨丝焊接到铜工件上时，例如，有利地，利用电弧、等离 子流、激光束或电子束，将高熔点钨丝预加热到软化温度。当这样做时，在预加热期间建 议使用保护气体，以避免氧化。

以旋转盘或滚动体的形式的前摩擦元件可以不仅用于工件和/或填充材料的预加热，还 用于移除氧化膜。

为了产生具有基本与工件厚度相同的光滑的、没有凸起的连结焊缝，有利地，可以通 过光滑处理元件在热的状态下使连结的边缘区域变光滑。光滑处理元件可以同样地相对于 边缘区域相对移动，类似于沿着纵向焊缝移动的滚动体或旋转销的方式。

在本发明的优选的构造中，以杆或滚动体或卷状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/或光滑处理元件。如果以杆的形式的元件被使用，并且其转动轴线 被布置成与工件的中心平面垂直，有利地，以杆的形式的元件的端面被倒角或设置有弧形 边。

根据本发明，相对移动也可由第一摩擦元件的摆动移动产生。

因此，为了连结非常薄壁的片状工件或为了连结几何形状不准确或不精确的边缘区 域，有利地，例如以线的形式的至少一种填充材料在连结操作之前或期间被导入边缘区域 之间。

为了操作厚的工件，有利地，除了第一摩擦元件之外，第二摩擦元件设置在工件的后 侧，不但具有支撑的功能，还具有另外的摩擦功能。

根据本发明，已经发现特别地如果摩擦元件被成形为滚动体或轮将是非常有利的，因 为这允许给予增强的相对移动，以塑化焊缝的区域。

通过应用例如以线的形式、挤压连接并且上下放置的多个填充材料，多层焊接能够被 执行。

以杆的形式的摩擦元件优选地在其端面被倒角或设置有弧形边，从而要被卷边的材料 能够更容易地接合。

以盘的形式的摩擦元件优选地以与前进方向同向旋转的方式移动，但也可以反向旋 转。

通过摩擦元件相对于工件的相对速度能够影响加热。

为了增加焊接速度并且焊接较厚的材料，有利地，焊接位置前方的材料通过另外的外 部热源被另外地预热。为此，下面的热源获得考虑：另外使用的前摩擦元件和/或电阻加热、 感应加热、气体火焰、热气、激光、电弧、电子束、等离子流、闪光对焊中的隐燃接触等 等。

有利地，焊缝随后通过第二摩擦元件或滚动操作优选地在仍然温和的状态中变光滑。 这是通过以杆的形式的第二摩擦元件在与第一摩擦元件相反的方向上旋转来执行的。

在第二摩擦元件为盘的形式的情况中，光滑处理操作可以相对于前进方向同向旋转和 反向旋转。

根据本发明的方法的优点有：

—比熔焊方法更少的热影响。

—平头对接产生具有较小的力波动。

—少的设备支出。

—通过高转速或摩擦元件与工件之间的高相对速度和可选择的另外导入的热源，能 够实现高的焊接速率。

—焊缝能够被制成具有光滑表面，结果，焊缝没有凹口；没有必要如其他方法中产 生重叠焊接，因此节省了材料。

—能够用于许多材料，甚至那些难于焊接的材料，例如Al或Cu。

—通过卷边操作产生细粒度的焊接结构。

—不需要屏蔽气体。

—呈现的氧化膜通过摩擦处理容易地被去除。

—不需要防止电弧或激光辐射的保护措施。

—因为没有液态熔池，可以有不适当位置的焊接而不产生任何问题。

—能够产生平滑的表面。

附图说明

下文将基于示范性的实施例并结合附图描述本发明，其中：

图1是显示根据本发明的方法的第一示范性的实施例的简化示意性侧视图；

图2是显示根据图1的方法的修改的结构形式；

图3是显示从图2的布置的侧视图；

图4是显示具有前摩擦盘的修改的示范性的实施例的侧视图；

图5是显示类似于图4的具有后光滑处理盘的修改的示范性的实施例的视图；

图6是显示类似于图5的使用以杆的形式的摩擦与光滑处理元件的另一个示范性的实 施例；和

图7是显示多层焊缝的形成的三个视图。

具体实施方式

图1显示工具台15，其上放置两个片状工件1、2。工件彼此具有间隙，其中以线的 形式的填充材料11放在该间隙中，并且与工件1、2的边缘区域3、4邻接。填充材料(线) 11通过以盘的形式的第一摩擦元件5被加热，并且通过按压力6被按压在一定位置。摩擦 元件5绕转动轴线14旋转。

在加热和塑化填充材料11后，边缘区域3和4也被加热和塑化，并且随后通过按压被 塑化的材料而形成连结焊缝。

摩擦盘5将由例如V2A的材料制成。其运转不需要润滑，因此保持干燥状态，转速在 12000到18000 rpm。摩擦元件5不产生任何磨损，因此不会损失材料。相反，摩擦元件5 只是用于加热和塑化并且施加按压力6。

图2和3显示修改的示范性的实施例，其与图1的示范性的实施例不同点在于，替代 工具台15，第二摩擦元件5被布置在工件1、2的下侧，该第二摩擦元件5同样绕转动轴 线14旋转，并且被设计用来加热或塑化并施加按压力6。因此，在图2和图3的示范性的 实施例的情况中，加热和塑化以及按压在两侧进行。

在图4显示的示范性的实施例的情况中，前摩擦盘(摩擦元件)8被设置。其同样绕 转动轴线14旋转，因此形成另外的热源，以加热工件1、2。之后，以线的形式的填充材 料11被导入，并且结合图1所描述的，填充材料11通过摩擦元件5被加热并且通过施加 的按压力(未显示)被挤压，因此获得连结焊缝。前进方向在图4中由箭头7表示。

图5显示一种结构变形，其中绕转动轴线14旋转的后盘9作为光滑处理元件被设置， 以形成焊缝的光滑表面。

在图6显示的示范性的实施例的情况中，设想作为图5的示范性的实施例的修改例， 使用以杆的形式的摩擦与光滑处理元件9，其可被设定为绕旋转轴线13旋转。在端面上， 摩擦与光滑处理元件被倒角和/或设置有圆形边缘。

不言而喻，图4到图6中描述的变形可以与另外的热源8或光滑处理元件9结合。

图7显示另一个示范性的实施例，其中多层焊缝被形成。为了这个目的，工件1、2 的边缘区域3，4具有阶梯形式。在图7左侧的图像中，类似于图1表示的方式，以线的 形式的圆形填充材料11首先被压入。图7中间的图像显示在第一步骤中形成的连结焊缝 10(图7左侧的图像)，在其上以线的形式的另一个元件被放置，作为填充材料。在这种 情况下，其具有长方体截面并且同样通过摩擦元件5被加热和被塑化，并通过按压力(未 显示)被按压或挤压。不言而喻，填充材料11的尺寸和摩擦元件5的宽度必须适当地匹配。

在图7右侧的图像的情况中，两个连结焊缝10已经被形成。另一个以线的形式的矩 形填充材料11被放置在其上，并通过摩擦元件5被加热并且被塑化和被挤压。可以通过这 种方式形成多层连结焊缝。

参考数字列表

1、2 工件

3、4 边缘区域

5 第一摩擦元件

6 按压压力/按压力

7 纵向移动/前进方向

8 热源/摩擦元件

9 光滑处理元件

10 连结焊缝

11 填充材料/线

12 中心平面

13 旋转轴线

14 转动轴线

15 台