将连接元件附接至工件的方法以及由附接有连接元件的工件制成的部件

摘要

本发明涉及一种将连接元件附接至金属工件的方法，所述连接元件允许要被结合的工件的摩擦增加的、无间隙的以及可翻转的连接，其中所述连接元件包括金属箔，金属箔在其结合表面具有硬质材料粒子，所述硬质材料粒子通过金属粘结剂相被附接至所述金属箔，其特征在于，为了确保装配和运输通过焊接将所述连接元件附接至所述金属工件，从而形成局部受限的焊点。本发明还涉及一种部件，其包括金属工件以及为了确保装配和运输通过局部受限的焊点附接至所述金属工件的连接元件，所述连接元件允许要被结合的工件的摩擦增加的、无间隙的以及可翻转的连接，所述连接元件包括金属箔，所述金属箔在其结合表面具有硬质材料粒子，所述硬质材料粒子通过金属粘结剂相被附接所述金属箔。根据发明的部件适于在机器、设备以及车辆结构内的要被结合的工件的非正的、摩擦增加的、无间隙的以及可翻转的连接。

说明书

发明领域

本发明涉及一种用于将连接元件固定在工件上的方法，所述连接元件允许要被结合的工件的摩擦增加的(friction-increasing)、无间隙的(play-free)以及可翻转的(reversible)连接，同时本发明还涉及一种部件，该部件包括金属工件以及为了装配和运输而通过局部受限(locally confined)的焊点被牢固地固定在金属工件上的连接元件。这种部件适用于被结合的工件的非正的(non-positive)、摩擦增加的、无间隙的以及可翻转的连接。

发明背景

在机器、设备和机动车辆结构的所有领域经常使用非正(力锁定(force-locked))连接传递横向力或扭矩。能被分别地传递的力的大小不仅取决于结构设计，而且主要地取决于相互连接的部件表面的静摩擦值(静摩擦系数)。因此，在这种非正连接下，要尽力提供摩擦增加性措施，使得能安全地传递最大可能的横向力和扭矩。

现有技术

使用摩擦增加性夹层来增加螺纹连接和夹紧连接的把持力是已知的。EP 0961038B1公开了一种连接元件，其用于要被结合的工件的增加摩擦的、无间隙的和可翻转的连接。所述连接元件包括弹簧式弹性(spring-elastic)钢箔，所述钢箔在其表面具有确定大小的粒子，这些粒子通过粘结剂相固定在所述弹簧式弹性箔上。所述粒子由硬质材料组成，优选为钻石、立方氮化硼、氧化铝、碳化硅或碳化硼。所述钢箔的固有强度至少要与要被结合的工件的固有强度相配，并且所述粘结剂相的强度至少相当于所述要被结合的工件的表面的强度。

但是，在装配EP 0961038B1所述的连接元件时，会出现许多问题。EP 0961038B1中的摩擦增加性连接元件的共同实施方式是一种冲孔的、平面的环或盘的形式，在装配各个非正连接时，人工地插入所述环或盘。该操作很费力并且伴有在所述连接被最终装配起来之前所述插件不经意地遗失的风险，因为所述插入通常只有约0.1mm薄。

当交付所述部件时，EP 0961038B1所述的连接元件不可能预先装配。EP 0961038B1的连接元件用肉眼看与毛胚(blank)金属部件几乎没有区别，因为所述表面的约90％由化学镍组成。因此，装配工人有时很难察觉到所述连接元件的实际存在，而这对于作为整体的连接的操作安全性是非常重要的。这也许会有相当大的相关的安全风险。例如在机动车辆的引擎中，曲轴-凸轮轴驱动系统内的齿轮就是用这些连接元件装配的。传统使用的螺纹连接的故障会导致自发的总引擎故障。

一种尝试方案是将所述连接元件粘附地连接到所述要被结合的工件的一个结合面上。这要求表面绝对干净、无油并且干燥，而这只能在引擎结构上做很大努力来确保。残留的粘结剂也会削弱EP 0961038中摩擦增加性夹层的特有的力传动机构，并且在修补的情况下使得再装配被故意分离的连接更加困难。

为了能满足防止连接元件遗失的需求，DE 10147627A1提供了一种连接元件，其具有位于连接元件的结合表面之外的组成表面(componentsurface)，并且被加工成具有弹性或回弹特性，这种弹性或回弹特性使得所述连接元件能可翻转地固定在要被结合的工件上。所述组成表面优选地是从所述结合表面突出的凸缘(lug)或抓紧凸齿(lobe)。使用这些连接元件，可实现人工预装配。

但是，DE 10147627A1提出的解决方案具有以下缺点，即操纵具有突出的凸缘或抓紧凸齿的连接元件是困难的，这样会在作为整体的生产程序中的不可避免的操纵步骤中的以及随后的后勤和装配相关程序中引起损坏的风险。另外，在镀层过程以及还有包装和运输中的增加空间的要求会导致连接元件的成本更高。

DE 10045031A1公开了将球墨铸铁焊接至钢的方法，例如将球墨铸铁转向叉(steering fork)焊接到钢管材料，其中在球墨铸铁第一部件与钢第二部件之间施加作为焊料的金属材料。所述金属材料包含比例为22至32％的镍。此处使用摩擦焊或激光焊作为焊接方法。在摩擦焊的情况下，在连接所述部件之前首先施加镍基喷射涂层。在激光焊的情况下，通过激光将无涂层部件连接至包含约70％镍的自流(self-flowing)材料。在DE 10045031A1所描述的方法中，沿连接表面会出现焊缝或焊珠区。但是，部件表面上的这些焊缝或焊珠区会以一种不利的方式削弱这些部件的非正连接。

发明目的

因此，本发明的目的是牢固地固定已知的摩擦增加性连接元件从而装配和运输，同时克服现有技术的缺点，并且还允许自动装配所述连接元件而不削弱所述连接元件的功能特性，也就是说提供了一种工件的非正的、摩擦增加的、无间隙的以及可翻转的连接。

发明内容

根据本发明，通过权利要求1的将连接元件固定在金属工件上的方法、权利要求8的包括金属工件以及固定在金属工件上的连接元件的部件、以及权利要求16的所述部件的用途来实现上述目的。本申请的主题的优选或特别有利的改进在从属权利要求中详细说明。

因此，本发明的主题涉及将连接元件固定在金属工件上的方法，所述连接元件允许要被结合的工件的摩擦增加的、无间隙的以及可翻转的连接，所述连接元件包括金属箔，所述金属箔在其结合表面上具有硬质材料粒子，这些硬质材料粒子通过金属粘结剂相固定到所述金属箔上，所述方法的特征在于，为了组装和运输，通过包含形成局部受限焊点的焊接将所述连接元件牢固地固定到所述金属工件上。

本发明的主题同样涉及一种部件，其包括金属工件以及为了装配和运输通过局部受限的焊点牢固地固定在金属工件上的连接元件，所述连接元件允许要被结合的工件的摩擦增加的、无间隙的以及可翻转的连接，并且所述连接元件包括金属箔，所述金属箔在其结合表面上具有硬质材料粒子，这些粒子通过金属粘结剂相固定到金属箔上。

本发明的主题同样涉及一种本发明的部件的用途，用于在机器、设备以及车辆结构中要被结合的工件的力锁定(非正)的、摩擦增加的、无间隙的以及可翻转的连接。

本发明用于固定连接元件的方法允许使用平面部件，相比DE 10147627A1中具有从平面突出的“抓紧凸齿”，这些平面部件在生产过程中必须的各种操纵步骤中较不易受到损坏，而“抓紧凸齿”在生产过程的操纵步骤中以及运输过程中存在损坏的风险。

另外，本发明的解决方案提供了运输中具有优点的连接元件，因为通过与DE 10147627A1相比较，本发明所使用的连接元件被构造成节省空间的平面盘。

相较于DE 10147627A1和EP 0961038B1，所述连接元件被更牢固地固定以避免遗失。

不同于EP 0961038B1和DE 10147627A1，可使用根据本发明固定的连接元件自动地装配两个要被连接的工件。同样地，不同于EP 0961038B1和DE 10147627A1，所述固定方法本身也可是自动的，从而使得可完全地自动装配所述连接元件。

含有钻石或硬质材料的镍层的焊接在现有技术中不是已知的。由于在焊接中在工件的表面会局部地出现非常高的温度，这样存在硬质材料氧化的风险或通过焊接局部地损坏镍/硬质材料层的风险。本发明惊人地发现，虽然会局部出现所述层的损坏，但是采用可控的方式可将其限制在非常受限的区域。另外，使用本发明固定的连接元件，相比较通常插入的连接元件，令人惊讶地观察到摩擦值的增加，这种增加约为10％并且伴随更低的摩擦值标准偏差。这会在应用时带来所述过程的更大的确定性。

本发明的详细说明

根据本发明，为了装配和运输，通过焊接将所述连接元件牢固地固定到金属工件上，所述焊接包括形成局部受限的焊点。

为了确保使用过程中所述连接元件或摩擦薄片的功能，必须满足本发明所使用的焊接方法或焊接位置的下述要求：

-不能因为在结合点进行摩擦的元件之间的结合材料的任何隆起(elevation)或盘本身的过量变性而存在所述摩擦值增加层的任何功能性限制。

-所述焊接接头或焊接点的强度选择必须使得在装配之前，甚至是经过相对长的时期和相对大的距离，可确保运输和装配期间的稳定性，并且使得相对频繁地打开和旋转部件也不会引起摩擦薄片的遗失(确保防止遗失)。同时，所需要的强度最小值取决于摩擦薄片/所述金属工件的基体的材料配对。

-所述金属粘结剂相，特别地是具有嵌入的硬质材料粒子的化学镍层，不能被副产品或辅助设备污染。

-基于其尺寸，所述结合处的影响区应当处于极小的范围内并且低于作为整体的功能区的5％，优选远低于5％。在更大尺寸的情况下，必须做结构上的适应性改变。

-所述焊接过程应当是自动化的，然而应当能实现高循环速度，同时实现所述过程的良好稳定性以及高水平的再现性。

根据本发明，所有的能实现局部受限焊接或准确地设定局部焊点的方法都可考虑作为焊接方法。特别地，此处考虑激光焊和电阻焊，优选是激光焊。

对于优选的激光焊，优选地使用Nd:YAG固态激光焊设备。

此处优选使用波长为900至1200nm(优选地正好超过1000nm)的脉冲激光。

在激光焊中焊接顺序如下：首先，通过装置将所述连接元件放置到要被结合的工件表面上，例如端压(end-pressed)曲轴或凸轮轴部件内或内燃机的定时驱动内的定时齿轮的端面，并且使用确定的力加载所述连接元件。这种压力要确保所述连接元件平坦地位于所述工件的结合面上，例如所述定时齿轮的端面。随后，优选通过远程或镜像方法设置焊点。在连接元件被加工成摩擦增加性穿孔盘的情况下，发现3-7个焊点可以满足现在惯用的盘直径，所述焊点以相等的间距设置在所述连接元件的表面上。

令人惊讶地发现，在通过热传导焊接(例如激光焊)方法的焊接中，当将作为连接元件的薄片焊接到多孔基体上时，由于基体的多孔结构，在基体上不会出现严重的焊接影响，仍然能够实现具有足够强度的焊接。

在先施加的压力非常有利于在连接元件与基体之间形成尽可能小的焊缝，而焊缝进而决定好的焊点质量。

所述压力优选地位于20至100N，更优选地约为50N。

另一种可能的焊接方法是电阻点焊，其中通过两个反向电极在一点上将所述金属工件和连接元件压在一起。焊接电流通过所述电极引入。基体的熔化发生在最大的电阻位置，也就是说通常在金属工件与连接元件之间的过渡区。所述电极通常由铜或铜合金组成，因为这些材料导电和导热良好。

电阻点焊的电极的直径优选地约为20mm。压在所述摩擦薄片上的上电极的凸出的顶圆直径(tip diameter)优选地为3mm，而接触基体的下电极的顶圆直径为例如6mm。这使得电流以及电流路径能适应厚度极其不同的部件，例如连接元件(薄片)和要被结合的工件(厚)。

对于电阻焊，同样地优选使用奇数个焊点，优选地是3-7个焊点，从而有助于在之后的使用中达到集中性(concentricity)。

在本发明方法中所使用的连接元件或根据本发明的部件包括作为基体的薄金属箔，优选地厚度≤0.2mm，更优选地为0.1至0.2mm。根据优选的实施方式，所述金属箔的固有强度至少匹配所述要被结合的工件的固有强度。本发明中所使用的连接元件优选地与EP 0961038中已知的连接元件一致。因此，可参考EP 0961038中对金属箔、硬质材料粒子以及金属粘结剂相的改进的可能性。

镀层薄钢板(也称作摩擦薄片)特别地用作EP 0961038B1中的连接元件。钢优选地被用作所述摩擦薄片的基体，优选地为弹簧式弹性或弯曲弹性钢，特别优选地其拉伸强度为350-1850N/mm²，更加优选地为800-1600N/mm²。用于所述连接元件的钢板的厚度优选地为0.1-0.2mm。更厚的涂层钢板也能被焊接，但是可能引起超出所述部件的总的尺寸误差，这会迫使修改所述部件的结构。

所述摩擦薄片具有由金属粘结剂相组成的涂层，在所述金属粘结剂相中加入硬质粒子。所述硬质粒子优选地由能承受压力和剪切的材料组成，所述材料对压力和剪切承受力超过要被结合的工件。所述涂层优选地位于两侧。所述硬质粒子优选地选自碳化物、氮化物、硼化物、钻石、SiO₂和Al₂O₃，优选地选自钻石、碳化硅和碳化硼。所述硬质材料粒子的颗粒大小优选地位于6至80μm之间，更优选地平均粒子大小D₅₀为8至35μm。特别优选地，使用平均粒子大小为10至20μm的硬质粒子。通过激光衍射以已知的方式确定所述粒子大小，例如来自CILAS公司的针对固态材料分散体的装置(CILAS 1064)。

根据EP 0961038，所述金属粘结剂相的强度优选地至少相当于要被结合的工件的表面强度。特别优选地，所述金属粘结剂相是电工技术(利用化学作用产生电流技术(galvanotechnically))生产的化学镍层。平均粒子大小D₅₀为8至35μm的钻石颗粒优选地作为硬质材料粒子。更优选地，所述金属粘结剂相的层厚小于所述硬质材料粒子的平均粒子大小。

根据本发明可将摩擦增加连接元件固定在多种能通过所述方法焊接的金属材料的基体上。铸造材料、钢、铝和烧结金属被认为是合适的材料或与相应的应用相关的材料。在机器和车辆结构中惯用的结构材料特别地是灰铸铁、钢、铝和烧结钢。

用于本发明生产的焊接连接的合适的强度测试方法是十字形拉力(crosstension)测试。所述十字形拉力测试是破坏性测试，只要特定的焊接作业的最佳设定值要取决于在尽可能类似于生产条件的条件下的测试焊接点，就特别地使用所述破坏性测试。功能性程序是通过测试机器从上方以恒定的力加载夹钳，试样被限制在所述夹钳内。由于测试机器所施加的载荷(可达5kN的力传感器)因所述夹钳和试样的静止重量而增加，因此对应于所述夹钳和试样的重量，进行加上4N的修正计算。然后，通过位于底座上的活塞(ram)以3mm/min的速率向下移动所述测试机器。所述样品的破坏通常由一个焊点接一个焊点的破坏而出现；只有在单个的情况下才会出现大量的焊点同时破坏。

拉脱力不仅取决于连接方法，也取决于结合点的数量和直径，例如在3个结合点的情况下，优选地是10至200N。

通过电阻点焊(压力焊接方法)获得的连接强度最大。相比其他的焊接方法，其强度较大的原因之一是电极的机械载荷以及较大的焊点，这些焊点的直接约为3mm。因此，可获得扩大的横截面区域，扩大的横截面区域承受更大的载荷。但是，另一方面，由于较大的焊点，材料喷发(eruption)也更大并且受焊接影响的区域更大。

可通过激光束焊接(熔化焊)过程可获得平均强度的连接，焊点可焊接在搭接接头或并接接头(parallel joint)处。通过这种方式产生的焊点的直径等于激光束的直径。

优选采用激光焊方法，因为相比电阻点焊，可能会得到更小的焊点，从而对摩擦薄片的破坏更小，但是结合强度依然相当地大。

除了在搭接接头或并接接头处焊接之外，焊点也可是角焊(T接头)的形式以及对焊接头的形式。焊接过程中各种可能的接头或实施方式以及位置使得本发明固定/结合方法能适应周围结构。

相比电阻点焊，表面的粗燥度以及表面的清洁度在激光焊中起更大的作用。粗燥深度取决于摩擦薄片上所使用的嵌入硬质粒子的颗粒大小，并且优选地R_Z值低于30μm，但是也可以大于所述值。

令人惊奇地发现，尽管焊点处增加使用材料，正如下面的例子所阐明的，当本发明部件被用在旋转和装配状态时，相比使用传统的插入连接元件，能够传递更大的扭矩。

附图详细说明

图1a、1b、1c和1d显示了在实施例1(搭接接头)中采用的激光焊的切片的100倍、200倍、500倍和1000倍放大的光学显微照片；

图2a、2b和2c显示了在实施例2(角接头)中采用的激光焊的切片的100倍、200倍和500倍放大的光学显微照片。

实施例和比较例

下面的实施例和比较例用于进一步解释本发明。

实施例1

功能区内的激光焊

为了产生本发明的固定连接元件，首先通过由EP 0961038得知的方法镀覆外径为27mm、内径为15mm以及厚度为0.1mm的环形穿孔盘。

所述盘从强度为1200-1400N/mm²的弹簧带钢C75SQT冲孔得到。在该过程后镀覆所述盘，平均直径为10μm的钻石粒子被嵌入粘结剂相内，所述粘结剂相包括层厚约为6μm的化学镍层。随后，在150℃下经过2小时的热处理以提高化学镍层的粘附力。通过光学图像评估确定的盘表面的面积覆盖率为12±1％。

为了生产本发明部件，通过激光焊将所述涂层盘施加到Sint-D30(烧结钢)试样的表面上。样品基体的选择依据用于生产内燃机的定时驱动内的定时齿轮的惯用材料。用于焊接操作的把持装置被设计从而使得在盘半径约为11mm处以72度的角间距设置5个焊点。所述激光束被垂直地指向所述盘的表面，激光束的直径为5mm。通过切片和激光扫描方法以及扫描电子显微镜研究所述激光焊点并且记录。

在三个焊点的情况下，通过十字拉力测试确定的平均拉脱力为43.1N。

利用反光显微镜在备好的切片截面上测量所述焊点。融合(interfusion)区约0.5mm宽，这正好等于所述激光束的直径(参见图1a和1b)。以这样一种方式选择所述激光束的强度，即能量能被充分地耦合到所述材料并且在所述激光束的整个直径上出现熔化。热变形会引起所述摩擦盘从所述烧结工件的表面隆起0.06mm，正对应于0.16mm的整体高度。所述盘从焊点隆起至重新平面接触所述定时齿轮的最大范围可达约1.7mm。这样，所述激光束不会在外部边缘引起任何的“凹陷形成(crater formation)”，而是“向下(downhill)”至所述焊点中心。(通过接头的靶定再熔能防止具有喷发的凹陷形成或者使所述具有喷发的凹陷平滑。)在熔化区之外，所述涂层显得未受影响。

图1c和1d的500和1000倍的放大显示了融合的同质区域。除由于对包含气体的基体(烧结钢)的气孔的易感性而形成气孔之外，形成了质量良好的连接。化学镍层以及钻石不再明显。

实施例2

激光焊角接头

例如，如果结合是接合的功能区外的非平面平行结合，作为角接头的构造是可取的。倾斜的/非平面平行接头可增加平均摩擦半径，并且所存在的旋转弯矩和剪切力可在载荷下被补偿。搭接接头随后可被有意地避免而可选择角接头。

在图2a和2b中，显示了构造成角接头的激光焊(切片)。

在这种接头下，根据图2a和2b，所述激光束水平地位于摩擦薄片和工件之间、从左边焊接。融合区域为0.1mm宽(图2a)。在盘从定时齿轮的表面的最大隆起约为0.17mm时，盘的影响区延伸超过0.36mm，在所述盘的影响区，特别地，嵌入有钻石的化学镍层蒸发或熔化。在200倍的放大下(图2b)，能看到烧结金属的热影响区，该热影响区平均高约0.08mm且宽约0.12mm。在两个连接部件之间，缝隙的宽度约0.05mm，相当于摩擦薄片厚度的一半。

摩擦薄片和烧结材料的直接接触区域的熔化是非常均匀的(参见图2c)。两个部件上的热影响区能完全看到。

角接头要求在被结合的部件的接头处有非常准确的定位和尺寸精度。在激光熔化的影响区外，约0.36mm之后，几乎对摩擦值增加性化学镍层没有明显的影响，该摩擦增加性化学镍层在盘的两侧具有嵌入的硬质材料粒子(图2a和2b)。

实施例3

使用烧结钢作为基体的电阻点焊

如实施例1所述生产所述连接元件。Sint-D30被用作基体。采用电阻点焊进行所述焊接。电极压力被设定为约100daN(＝1000N)，并且焊接电流被设定为约2.9-3.4kA。焊接电压会基于所述焊接电流和部件的电阻自动地设定。

通过十字拉力测试确定的焊接连接的平均拉脱力为173.3N。

实施例4

确定利用固定的连接元件实现的工件与要被结合的工件的连接的静摩擦系数

为了确定扭转载荷下的静摩擦系数μ，实施例1的固定在试样Sint-D30上的连接元件与淬火试样16MnCr5配对，并且使用100MPa的表面压力相互之间被夹紧。然后通过液压系统施加扭矩直至出现连接的滑动。滑动被认为是能使连接打到4°扭转角的扭矩。然后从所确定的扭矩/扭转角图表计算出静摩擦系数μ。

比较实施例

确定利用插入的连接元件实现的两个工件的连接的静摩擦系数

重复实施例4的测试，同时保留材料配对Sint-D30和16MnCr5的设定参数，但是连接元件不通过本发明的方法被固定，而仅仅是被插入，这种测试设置与EP 0961038所述的应用一致。

为了检验所述结果，对每个样品配对实施三个测试。在下表中显示了所确定的静摩擦系数。

对静摩擦系数的研究结果(实施例4和比较实施例)

令人惊奇地，在焊接的连接元件的情况下，静摩擦系数高出约10％并且标准偏差更小。这种结果是意料不到的，因为激光焊导致盘在焊点区域的Sint-D30-钻石涂层盘连接区的局部隆起，所述隆起出现在所述焊点周围约3mm的区域内。这会导致与试样接合的有效盘区域减少，这在增加摩擦的意义上是有效的。使用激光扫描方法发现，作为凝固熔化结果的焊点区域内的隆起，会引起所述试样16MnCr5的连接的相对面上的有效区域的进一步减少，因为这种隆起同样阻止钻石涂层盘完全平坦地位于试样16MnCr5的连接区域。

起初看似不宜的设置会产生更高的静摩擦系数，并且静摩擦系数具有有利地减少的标准偏差，这是根本不会预测到的。