CN101019276B - 双金属连接器及其生产方法，以及将其连接到结构的方法 - Google Patents

双金属连接器及其生产方法，以及将其连接到结构的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种双金属连接器及其生产方法，以及将其连接到结构的方法。用于该双金属连接元件将一构件连接到一结构的表面上。该双金属连接元件具有由第一金属制成的第一部件，该部件的第一部分包括适于抵靠地固定连接到结构表面上的端部，第二部分具有限定一空腔的周壁。连接器的第二部件由第二金属制成，该部件的第三部分相对于空腔被同心接收，并通过将周壁冲击到第三部分上的PMF处理相对于第一部件固定，该部件的第四部分其上连接由第三金属制成的构件。结构由与第一金属相容的第四金属制成。还公开了一种方法，用于将双金属连接器连接到一结构上，使得由与所述结构不相容的金属制成的构件连接到所述结构上。

Description

双金属连接器及其生产方法，以及将其连接到结构的方法
技术领域
本发明涉及包括由具有不同性质的金属制成的部件的双金属连接器，更具体地涉及这样的连接器，该连接器设计成能够使其它部件通过所述连接器连接到诸如车体或机体和/或底盘的结构。本发明还涉及制造这种连接器的方法以及用于将这种连接器接合到结构上的方法。
背景技术
双金属部件在现有技术中公知并且例如在以下出版物中公开。
在US 3,916,518中，一种用于将绝缘的铝导线与铜端子电连接的肘型端子容纳单体的双金属铝-铜连接器。该连接器包括铝部分和铜部分，它们通过惯性焊接过程在它们的整个界面上焊接在一起。用于制造单体的双金属连接器的方法大致包括以下步骤：提供柱形铜坯料和柱形铝坯料，对铝坯料进行热处理，清洁坯料的待焊接的表面，通过惯性焊接过程将两个坯料焊接在一起，并将接合的坯料加工成期望形状的连接器。
在JP 8338413中，公开了一种具有主体的钢螺栓，该主体的头部形成下支撑面。在支撑面上设置由铝侧和钢侧构成的金属合金。通过采用螺柱焊接使钢侧顶面连接到支撑面。通过点焊使一铝件连接到铝侧的下表面。
在EP 666614中，一种双金属连接器包括铝部件和铜部件，它们通常通过摩擦焊接连接在一起，并从双金属接缝处沿相反方向延伸。接逢位于连接器的中间部分中，适用于连接到连接器安装装置。铝部件设有第一叶片，该第一叶片：(a)占据基本轴向定心的较宽区域；(b)具有两个平行的相对表面，这两个相对表面之间的厚度比中间部分的厚度小；并且(c)设有在所述相对表面之间延伸的至少一个通道。铜部件设有具有至少一个孔的第二叶片。
在SU 979069中，公开了用于制造双金属接触螺栓的方法，该方法包括以下操作：以高接触性质修剪由塑性合金制成的接触坯料，安置具有头部的螺栓并将金属的柱形凹口安置在该头部内。当螺栓头的外表面制成圆锥形并且将其挤压穿过心轴且外径平行挤压时，该方法可更加经济地实行。内凹口采用圆锥直径的形式，通过下一操作可将插入该圆锥直径的头部进行挤压。
在US 5,981,921和US 6,379,254中，一种用于固定车辆驱动轴的构件的方法包括将终端部件的颈部布置在驱动轴管的开口端中。该终端部件相对于驱动轴管保持，使得在颈部与驱动轴管之间形成环形间隙。围绕驱动轴管邻近接收该颈部的端部设有电感器。该电感器被通电以产生用于使驱动轴管围绕颈部以高速压缩的磁场，使得驱动轴管和终端部件彼此焊接。终端部件包括适于接收在管状件内的本体。该本体包括外表面，该外表面具有大致轴向延伸的第一部分和大致从第一部分径向延伸的第二部分。该外表面包括形成在第二部分中的袋。终端部件还包括一对从机体部分延伸的臂，该臂具有贯穿形成的对准孔。
转让给本受让人的US 5,824,998公开了一种方法，该方法通过脉冲磁力将一个工件冲击在另一个上，从而接合这两个工件。
发明内容
本文的术语“金属”包括任何金属物质，包括单一元素金属，或者金属和/或合金的混合物，或者合金或合金的混合物，等等。
本文的术语“相容性”指的是能够例如通过焊接、螺栓连接或铆接在一起而固定接合在一起的两种金属，其中在所述两种金属之间的界面处基本没有腐蚀或者腐蚀至少低于预定的不可接受的阈值，并且/或者其中接合所述两种金属的方法不会损害在所述两种金属之间的接缝的机械完整性。这样，例如当将由相同金属(例如铝和铝、铜和铜、黄铜和黄铜等)制成的两个金属构件焊接在一起时，或者其中所述两种金属属于相同的包括其基底金属(base metal)的合金族时(例如一个铝合金焊接到另一铝合金上)，或者实际上不是相同族的一些特殊金属对时，可实现相容性。
本文采用的术语“金属族”包括具有共同基底金属的金属合金的集合或组，所述组还包括基底金属自身。
本文的术语“结构”指的是任何类型的结构、机体、元件、构件等，例如底盘或金属机体，该结构通过焊接、铆接、螺栓连接等形成诸如船、公路车辆、航空器、航天器或任何其它类型的运输工具的部分，例如船体、航空器、卫星、太空船、导弹等的外蒙皮和/或内部结构；或者实际上任何基本静止的结构，例如铝住宅(dwelling)或壳体，或者动态结构，例如由所述第四金属制成的摆桥，所述第四金属通常是与所述第一金属相同的金属或者是与所述第一金属相同金属组的金属。
本发明在其第一方面涉及一种双金属连接元件，用于通过该双金属连接元件将一构件连接到一结构的表面上，该双金属连接元件包括：
第一部件，该第一部件由第一金属制成，并具有第一部分和包括限定一空腔的周壁的第二部分，该第一部分包括一端部，该端部适于抵靠地固定连接到所述结构的所述表面上；以及
第二部件，该第二部件由第二金属制成，并具有第三部分和第四部分，所述第三部分相对于所述空腔被同心接收，并通过脉冲磁力成形(PMF)处理相对于所述第一部件固定，所述PMF处理包括将所述周壁冲击到所述第三部分上，所述第四部分适于在其上连接由第三金属制成的另一构件；
其中所述结构由可与所述第一金属相容的第四金属制成。具体地说，所述第四金属适合于形成机械上坚固的焊缝，该焊缝对由所述第四金属与所述第一金属之间的接触产生的电解腐蚀具有抵抗性。
或者，除了适于连接到由第三金属制成的另一构件上之外，所述第四部分可以是对给定应用具有特殊重要性的特殊形式。例如，所述第四部分可以呈涡轮叶片的形式，因此代表高价值零件(high value item)。
所述空腔包括用于将所述第二部件相对于所述第一部件同轴对准的凹部，并且所述第三部分同轴接收在所述凹部中。
在一个实施例中，所述第一部分包括从该第一部分沿着与所述第二部件相反的方向纵向伸出的多个隔开的趾部。所述第一部分适于通过在所述趾部与另一构件之间形成合适的焊缝而固定连接到所述构件上。
在另一实施例中，所述第一部分包括周向凸缘，该周向凸缘限定所述第一部件的与所述第二部件相对的纵向端。所述第一部分适于通过任意合适的焊接方法在其与一结构之间形成合适的焊缝而固定连接到该结构上。所述焊接方法例如可包括熔焊、束焊接、电阻焊接、固态焊接等的任何一种。具体地说，所述焊接方法可包括以下任何一种：GTAW(钨电极惰性气体保护焊)、GMAW(气体保护金属极电弧焊)、LBW(激光束焊接)、EBW(电子束焊接)、RSW(电阻点焊)、SW(缝焊)、PW(保护焊)、PRW(脉冲电阻焊)、螺柱焊、FRW(摩擦旋转焊)、FOW(锻焊)、搅拌摩擦焊、摩擦点焊等等。
这样，在一个具体实施例中，所述第一部件为局部实心或完全实心(基本非中空)，并包括用于焊接到所述结构上的所述趾部。在另一具体实施例中，所述第一部件也是实心并包括用于利用任意合适的方法焊接、螺栓连接或铆接到所述结构上的基座。在又一具体实施例中，所述第一部件为中空，并通常通过摩擦焊接或任意其它合适的焊接过程而焊接到所述结构上。
在其它实施例中，所述第一部分可适于以不同方式，例如通过螺栓连接、铆接等连接到一结构或其它构件上。
任选的是，所述第四部分包括用于使另一构件可连接到其上的螺纹。任选的是，所述第四部分包括平坦部分，该平坦部分具有用于使另一构件可连接到其上的孔。还任选的是，所述第三部分包括与所述第四部分并置的、用于使另一构件可安置和连接到其上的环形表面。任选的是，所述第四部分适于在其上焊接另一构件。
通常，所述第一金属和所述第二金属具有基本不同的性质，例如彼此不同的导电性。然而，当所述第一金属与所述第二金属事实上是相同金属时，也可以提供根据本发明的双金属构件。比如说，当用户有一些零件(第一部件)，所述零件是高价值部件并且需要用与该零件不同的终端部件改型，所述终端部件由与所述第一部件相同的金属制成时，本发明的这种应用可具有优点。这种高价值的第一部件可以例如包括燃气涡轮叶片。
通常，所述第一金属从铝、铝合金、铜、铜合金、黄铜、钢、不锈钢、低碳钢、钛、钛合金等中选择但不限于此。通常，所述第二金属从不锈钢、钢、铜、黄铜、钛以及它们的合金中选择但不限于此。通常，所述第三金属可以是不锈钢、钢、铜、黄铜、钛以及它们的合金中的任一种。通常，所述第四金属从铝、铝合金、铜、铜合金、黄铜、钢、不锈钢、低碳钢、钛、钛合金等中选择但不限于此。通常，所述第一金属和所述第四金属包含在相同的金属族中。
通常，所述第一金属和所述第二金属属于不同的金属族，不过这两种金属也可属于相同的金属族。
通常，所述第一部件和所述第二部件均形成为整体构件。
在所述连接元件的一个具体实施例中，所述第一金属为铝或铝合金，所述第二金属是不锈钢。
任选的是，所述周壁和所述第三部分可以通过由PMF处理产生的焊接而接合在一起，以提供高强度接缝，并且与所述PMF处理相关的冲击速度可在例如大约200m/sec至大约500m/sec的范围内。任选的是，所述周壁和所述第三部分可以通过由PMF处理产生的卷曲成形而接合在一起，以提供较低强度的接缝，并且与所述PMF处理相关的冲击速度可在大约50m/sec至大约200m/sec的范围内。
在一些实施例中，在所述第一部分与所述周壁的内表面之间的径向间隙(h2)的大小与所述周壁的厚度(t1)的大小根据以下关系式相关：
h2＝k*(t1)
其中k是值在大约0.5与大约0.9之间的系数。
与构成为提供所述MPF处理的装置的成形线圈相关的管腔的直径D的大小与所述周壁的外直径D3的大小可根据以下关系式相关：
D＝D3+q
其中q在大约0.5mm与大约5.00mm之间，优选在大约1.5mm与大约3.0mm之间。
所述周壁在所述第一部件上变形的区域的轴向长度l1的大小与由与构成为提供所述MPF处理的装置的成形线圈相关的管腔提供的工作区的轴向长度l0和直径D的大小可根据以下关系式相关：
l1＝(0.5～0.9)*l0，当D大于l1时
l1＝l0，           当D小于等于l1时。
本发明还涉及一种制造物品，该制造物品包括一结构和至少一个通过适当的焊接方法固定连接到所述结构上的连接元件，其中所述连接元件如以上所述，所述结构由所述第四金属制成
本发明还涉及一种用于生产双金属连接元件的方法，通过该双金属连接元件能够将一构件连接到一结构的表面上，该方法包括：
提供第一部件，该第一部件由第一金属制成，并具有第一部分以及包括限定一空腔的周壁的第二部分，该第一部分包括一端部，该端部适于抵靠地固定连接到所述结构的所述表面上；
提供第二部件，该第二部件由第二金属制成，并具有第三部分，相对于所述空腔同心接收所述第三部分，并通过脉冲磁力成形(PMF)处理相对于所述第一部件固定所述第三部分，所述PMF处理包括将所述周壁冲击到所述第三部分上，其中所述第二部件包括第四部分，所述第四部分适于在其上连接由第三金属制成的所述构件；
其中所述结构由可与所述第一金属相容的第四金属制成。
在根据本发明的方法中，所述第一金属和所述第二金属通常具有彼此基本不同的性质，例如彼此不同的导电性。
在本发明的另一方面中，提供了用于将构件连接到结构的方法，其中所述构件和所述结构由不相容的金属制成，以防止它们之间的电解腐蚀，所述方法包括：
提供一种由两种金属制成的双金属连接器元件，第一金属与所述结构金属相容，第二金属与所述构件金属相容，其中所述两种金属以基本防止它们之间的电解腐蚀的方式在所述连接器中接合；
通过所述连接器的由所述第一金属制成的部件，利用合适的焊接过程，将所述双金属连接器元件焊接到所述结构上。
所述双金属连接器元件通常通过合适的脉冲磁力成形(PMF)处理形成，即，通过PMF处理将所述第一金属与所述第二金属焊接而形成，并通常为本发明的双金属连接元件的形状和结构。
所述方法可应用到任意合适的结构，例如包括公路车辆、航空器、海上运输船、水陆两用船、卫星、太空船、导弹中的任一种的至少一部分、基本静止的结构、动态结构等等。具体地说，该结构可包括底盘、金属机体、船体、车辆外蒙皮、车辆内部结构、金属壳体、摆桥等中的任一种。
所述第一金属可从例如铝、铝合金、铜、铜合金、黄铜、钢、不锈钢、低碳钢、钛、钛合金等中选择。所述第二金属从例如不锈钢、钢、铜、黄铜、钛以及它们的合金中选择。所述结构可以由从例如铝、铝合金、铜、铜合金、黄铜、钢、不锈钢、低碳钢、钛、钛合金中选择的金属制成。所述第一金属和制成所述结构的所述金属包含在相同的金属族中。
所述焊接过程可包括例如熔焊、束焊接、电阻焊接、固态焊接等的任何一种。具体地说，所述焊接方法可包括以下任何一种：GTAW(钨电极惰性气体保护焊)、GMAW(气体保护金属极电弧焊)、LBW(激光束焊接)、EBW(电子束焊接)、RSW(电阻点焊)、SW(缝焊)、PW(保护焊)、PRW(脉冲电阻焊)、螺柱焊、FRW(摩擦旋转焊)、FOW(锻焊)、搅拌摩擦焊、摩擦点焊等等。
这样，在某些需要将由不同金属(这些金属常常具有明显不同的性质，例如导电性)制成的构件连接的工业应用中，例如在诸如救护车和消防车的车辆中，当需要利用钢螺栓将铝板与纵梁螺纹连接或铆接时，或者当需要将钢构件与铝底盘或另一构件焊接在一起时，可用到本发明的双金属连接器。在另一应用中，本发明的双金属连接器可用于例如采用铜线连接而有利于车辆的铝机体或底盘的接地，并且通常需要在钢螺钉或螺栓上连接铜线或线缆，因为铝一般来说缺少这种连接所必需的机械强度。
在各种情况下，本发明的连接器基本避免了或最小化在具有明显不同的导电性的金属之间的接触区域中可能发生的电解腐蚀。虽然在使用不锈钢时通常不会遇到这种腐蚀问题，但不锈钢一般来说不适于焊接，因为容易在焊缝处形成相对脆弱的化合物，并且当这些构件将经受动态力时，例如在车体和底盘中，一般更希望将钢构件与铝构件进行焊接而不是螺栓连接，本发明的连接器在使所述钢构件能够有效地焊接在适当位置的情况中非常有用。
附图说明
为了理解本发明并明白它是如何在实践中实现的，将参照附图仅以非限定性示例的方式描述优选实施例，附图中：
图1以侧剖视图示出了插入PMF装置的管腔中的本发明的第一实施例。
图2A和图2B以立体图示出了在进行PMF处理之前和之后的图1的实施例。
图3A以剖视图、图3B至3D以局部立体图示出了图1的实施例的各种修改。
图4以侧剖视图示出了插入PMF装置的管腔中的本发明的第二实施例。
图5以侧剖视图示出了在对其施加PMF处理并焊接到结构上之后的图4的实施例的变型，该变型包括固定在其上的部件。
图6以局部侧剖视图示出了图4和图5的实施例的邻接边缘的变型。
图7A至7D以侧剖视图示出了在对其施加PMF处理之前的图4的实施例的多个变型。
图8以侧剖视图示出了在进行PMF处理之前的本发明的第三实施例。
图9以立体图示出了利用固态焊接方法固定在结构上的图8的实施例。
图10以侧剖视图示出了利用固态焊接方法固定在结构上的图1的实施例的变型。
图11以立体图示出了利用熔焊方法固定在结构上的图8的实施例。
图12以立体图示出了利用束焊接方法固定在结构上的图8的实施例。
具体实施方式
根据本发明的第一方面，提供了一种双金属连接元件及其制造方法。
根据本发明的第一方面，本发明的第一实施例在图1、2A和2B中示出，并包括总体由100表示的双金属连接元件，该双金属连接元件具有由第一金属制成的第一组成部件110、以及由第二金属制成的第二组成部件130。第二部件130适用于在其上连接构件140，该构件140由与所述第二金属总体相容的第三金属制成，而第一部件110适用于接合或连接到结构190，该结构由与所述第一金属总体相容的第四金属制成。
第一部件110总体为柱形并在其一个纵向端部包括呈基座112形式的第一部分，该基座特别适用于使其能够焊接到由所述第四金属制成的结构190上，该第四金属通常是与上述第一金属相同的金属或相同的金属族。为此，在本实施例中基座112包括从该基座沿纵向方向伸出的一对径向相对的趾部114。在其它实施例中，可能有按期望相对于基底112的周边布置的更多个趾部。或者，基底112可按照不同方式适于使其焊接到结构190上。
当期望将连接元件100固定连接到另一结构190时，在趾部114与构件190的表面之间形成焊缝192。有利地是，趾部114为基座112提供了相对于结构190的不连续的锚固点。例如，这种结构可使水能够从基座与构件190之间排出，从而在焊接过程之后不会使水聚集在基座内。
焊接过程可包括任意合适的焊接过程，例如：
熔焊，诸如GTAW(钨电极惰性气体保护焊)或GMAW(气体保护金属极电弧焊)，等等(图2B例示出)；
束焊接，例如包括LBW(激光束焊接)或EBW(电子束焊接)等等；
电阻焊接，例如RSW(电阻点焊)、SW(缝焊)、PW(保护焊)、PRW(脉冲电阻焊)、螺柱焊等等；
固态焊接，例如包括FRW(摩擦旋转焊)、FOW(锻焊)、搅拌摩擦焊、摩擦点焊等等。
在图10中示出的FRW示例中，基座12不包括趾部114，而是该基座的自由端150在与结构190抵靠接触的同时以合适的高速旋转，使得当适当的压力P和相对旋转R施加在元件100上时，在基座112与结构190之间的界面中形成摩擦旋转焊缝152。当然，自由端150可以是图6所示的实心柱形，或者可选地为管状，在后一情况下端部150的环形边缘形成与结构190的FRW焊缝。
第一部件110在与所述基座112相对的第二纵向端部包括直径为D3的第二部分120，该第二部分包括周壁122并限定直径为D1的空腔124。这样，与大致实心的非中空基座112相对，第二部分120大致为中空。周壁122通常具有基本均匀的径向厚度t1，并且在通常为管状的同时，可包括任意合适的截面，例如椭圆形或多边形。具体地说，空腔124具有开口纵向端126，以及纵向相对的封闭端，该封闭端包括轴向凹口或凹部128，该凹口或凹部128相对于所述空腔124同轴布置，并具有直径D2和深度h1。有利地是，漏斗口和斜切部分127将空腔124与凹部128连接。凹部128用作接收第二部件130的面向内的自由端134的安置结构。在其它实施例中，所述第一部件的第一部分可优选与用于接收自由端134的任何安置结构一体地形成，并且可包括例如环形阶梯状凹口、多个止动部或接片等等，从而例如至少在对所述元件施加所述PMF处理之前将所述第二部件保持在适当位置并使其能够相对于所述第一部件同轴对准。
在本实施例中，连接器100的第二部件130呈柱形杆的形式，具有第一部分132，并包括可相对于凹部128优选以紧密配合的方式接收的纵向端134。虽然第二部件130基本为实心，即非中空，但在其它实施例中该部件也可以为中空或部分中空，通常只要它仍然在机械上足够坚固从而能对其施加PMF处理(下面将更清楚)而不会使该部件明显弯折即可。这样凹部128使第一部件110和第二部件130能够同轴对准并以简单的方式保持在适当位置直到施加PMF处理，如下所述。这样，端部134的直径刚刚小于D2，并且凹部128有利于第一部分132以同心方式相对于空腔124安置，从而在第一部分132与空腔124的内表面之间留下径向间隙h2。或者，端部134的直径可基本等于或略大于D2，从而必须强制第二部件130与第一部件110轴向接合。
在其它实施例中，第二部件130可以不是柱形，而是具有任意合适的截面，例如椭圆形或多边形。而且，第二部件130可以是棱柱形，沿其纵向长度具有基本不变的截面。或者例如参照图3A，第二部件的第一部分132’可具有大于D2但小于D1的直径，并且较小直径D2的端部134’从第一部分132’以阶梯方式同轴伸出，从而被接收在凹部128中。任选地，第一部分132’也可在其邻近第二部分138’的纵向端处呈阶梯状，包括有利于垫圈142等定位在第二部分上的一个或多个环形表面135，该垫圈可能例如携有接地线缆144。螺母146可按照正常方式使用以将垫圈固定在第一部分132’上，并且螺母146可任选地焊接在149处的适当位置。
这样，与第一部分132纵向相对的第二部分138’或138适用于在其上连接另一构件140，该构件可由所述第二金属制成，或者实际上由可与第二金属相容的另一金属，即所述第三金属制成。因此，第二部分138或138’可包括适用于在其上拧入螺母等的螺纹部分。或者，第二部件的第二部分138或138’可包括平坦部分，用于在其上焊接或熔接线缆或线。或者参照图3B和3C，例如第二部件的第二部分138’可包括平坦部分137，该平坦部分具有贯穿的螺纹孔或光滑孔136，从而使螺栓能连接到其上，以将例如另一构件固定在连接器100上。或者参照图3D，例如，第二部件的第二部分138”包括横向孔133，横向孔133可以是螺纹孔或光滑孔。
利用产生适当的磁脉冲力而使周壁122冲击到第一部分132上的过程，将第二部件130相对于第一部件110固定。在US 5,824,998(转让给本受让人)中描述了适当的脉冲磁力成形(PMF)过程，并且此处完全结合该参考文献的内容。公开的PMF处理可应用于本发明，加以必要的变更。具体地说，通过凹部128使第二部件130相对于第二部件110安置，使得第一部分132相对于周壁134同心同轴地布置，将还未固定的连接器100插入成形线圈46的管腔50中(图1)。成形线圈46可操作地连接到适当的充电和操作设备(未示出)，并且在线圈46中放出适当的电流以相对于连接器100的容纳在管腔50中的部分产生PMF效应，从而导致周壁134被压缩并被沿着区域Z(图2B)冲击到第一部分132上。
实质上，脉冲电流发生器在线圈46中产生高电流脉冲，该电流在线圈的工作区，即管腔50中产生强磁场。该磁场在周壁122的外层中产生涡电流，由于磁场与涡电流之间的相互作用，产生朝着连接器的轴线99(因为其与管腔50同轴)的沿径向的机械力。这样，周壁122在高速(通常为几百米每秒)产生的机械力的作用下被压缩，并相对于第一部分132冷焊或卷曲。
根据PMF条件，尤其是周壁122与第一部分132之间的冲击速度和最小动力角，这两个构件可通过焊接接合在一起，从而在这两个构件之间提供高强度接缝。例如，在大约200m/sec至大约500m/sec的范围内的冲击速度可提供高强度的焊接接缝，而在大约50m/sec至小于大约200m/sec的范围内的冲击速度可能提供卷曲形成的接缝。
在下面两个参考文献中讨论了冲击速度v和最小动力角α：Pearson J，Metal working with explosive，J.METALS，1960，v12，No 9，p673-681；Bahrani A.S.，Crossland B.，Explosive welding and cladding.Anintroductory survey and preliminary results，PROCEEDINGS of INSTITUTEMECHANICAL ENGINEERS，1965，v79，pt7，p264。此处完全结合这些参考文献的内容。
优选的是，在第一部分132与周壁122的内表面之间的径向间隙h2的大小与周壁的厚度t1的大小根据以下关系式相关：
h2＝k*(t1)
其中k是值在大约0.5与大约0.9之间的系数。
通常，k的最优值取决于多个经验因素，例如移动部件，即第一部件120的质量，产生并施加在第一部件120上的PMF力的大小和持续时间，部件120的屈服强度，连接元件的各个部件的具体电阻，第一和第二金属的性质等等。用于h2的上述关系式是用于设计连接元件的便利工具，并且很好地适用于实践中。
优选的是，管腔50的直径D的大小与周壁122的外直径D3的大小根据以下关系式相关：
D＝D3+q
其中q在大约1.5mm与大约3.0mm之间。
换言之，在周壁122与线圈46的限定管腔50的内壁之间的径向间隙的大小优选在大约0.75mm与大约1.5mm之间。
在该范围内的q的最优值通常取决于多个因素，并且通常在低值与高值之间折中，所述低值增加PMF力，所述高值减轻由于PMF处理而对双金属元件的电效应。因此，q的最优值可能受到用于线圈46的绝缘材料的类型及其性质、工作电压的大小、生产细节(例如每小时通过线圈处理多少连接元件等)、用于线圈46的冷却系统的类型和负载等的影响。用于D3的上述关系式是用于设计连接元件的便利工具，并且很好地适用于实践中。
优选的是，周壁122在第一部件132上变形的区域Z(图2B)的轴向长度l1的大小，即，周壁122在管腔50内的轴向穿透与管腔50提供的工作区的轴向长度l0的大小和管腔50的直径D根据以下关系式相关：
l1＝(0.5～0.9)*l0，当D大于l1时
l1＝l0，           当D小于等于l1时。
这样，对于相对较长的连接器(其中在周壁122与第一部件132之间所要求的冲击区的轴向长度大于或等于管腔50的直径大小)，周壁122完全插入管腔50直到周壁122的前缘与管腔50的远边缘51共面。相反，对于相对较短的连接器(其中在周壁122与第一部件132之间所要求的冲击区的轴向长度小于管腔50的直径)，周壁仅部分插入管腔50直到周壁122的前缘相对于管腔50的远边缘51在大约0.1*D至大约0.5*D之间。在后一情况下，最大的磁场强度作用在周壁122的自由端上，从而导致对于周壁122的该部分的更高的冲击速度，这相应地产生强结合。
本发明的第二实施例总体由300表示，在图4和5中示出，并包括第一实施例的所有特征、元件和如本文所述加以必要变更的修改，并具有将在以下描述中更加清楚的差别。
对于第一实施例，本实施例包括第一部件310，该第一部件在其一个纵向端部包括呈基座312形式的第一部分，该基座特别适用于使其能够焊接或以其它方式(例如铆接或螺栓连接)接合到另一构件或结构190上，结构190由与所述第一金属相容的上述第四金属制成。在本实施例中，第一部件310轴向中空，从而第二部件330与第一部件310对准而使它们的纵向轴线同轴。该轴向对准可以以任何适当方式进行。与第一实施例一样，第一部件具有第二部分322，该第二部分322以重叠方式接收第二部件330的第二部分334，这些对准的构件被引入适当的PMF成形线圈46的管腔50至轴向深度L1，然后施加PMF处理以将第二部分322固定在第二部件330上，与以上对第一实施例的描述类似，加以必要的变更。
另外，第一部件310不具有趾部，而是特别适于通过摩擦焊接等接合到所述结构190，这样第一部件310的第一部分312基本为柱形，并具有用于抵靠结构190的部件191的表面192的、呈平面环形边缘314的形式的抵靠端。通常，第一部件310为柱形，但可选的可为截头圆锥形，或者包括例如在基座312与第二部分322之间的阶梯状截面。因此，部件191为相应平坦的，同时通常垂直于连接器300的纵向轴线99，部件191基本平行于边缘314的平面。因此，边缘314和部件191能在互相限定的接触平面处抵靠接触，并且连接器191和/或结构可围绕垂直于该平面的轴线并且以边缘314的几何中心(通常为连接器300的所述轴线)为中心以适当速度旋转，其中还沿着该旋转轴线99施加适当压力以在边缘314与部件191之间产生摩擦焊接。为此，任选地，在连接器300的一些应用中，由边缘314限定的平面可以与连接器300的轴线成除垂直以外的角度。
任选地是，第二部件330可以为柱形或柱形之外的形状，具有任何适当的截面，例如椭圆形或多边形。而且，第二部件330可以为棱柱形，沿其纵向长度具有基本不变的截面。或者如图5所示，例如第二部件的第一部分332’可包括任意合适的小于D1的直径，另外任选地，第一部分332’可在其邻近第二部分338’的纵向端处呈阶梯状，包括有利于垫圈142等定位在第二部分上的一个或多个环形表面335，该垫圈可能例如携有接地线缆144。螺母146可按照正常方式使用，以便将垫圈固定在第一部分332’上，并且螺母146可任选地焊接在149处的适当位置。
任选地，如图6所示，边缘314可包括内唇315和/或外唇316，以增加边缘314相对于部件191的抵靠区域，从而使它们之间能够产生更强的焊缝。
图7A至7D示出了第二实施例的变型，这些变型加以必要的变更也可应用于本发明的其它实施例。
例如参照图7A，第一部件310A的第一部分312A通常具有大约与第一部分334A的外径相同的内径，另外，第一部件310A的第二部分322A具有相对于第一部分312A增大的直径，从而提供基本不变的间隔h2，如上所述，加以必要的变更。第一部分334A的截面基本不变。
参照图7B，第一部件310B的第一部分312B通常还具有大约与第一部分334B的外径相同或者明显更小的内径，另外，第一部件310B的第二部分322B具有相对于第一部分312A增大的直径。然而，第二部件330B的第一部分334B呈锥形，因此在第一部分334B与第二部分322B之间的间隔沿轴向变化。
参照图7C，第一部件310C的第一部分312C通常还具有大约与第一部分334C的外径相同或者明显更小的内径，另外，第一部件310C的第二部分322C为截头圆锥形或槽形，具有沿着轴线99增加的直径，如图所示。第二部件330C的第一部分334C呈锥形，因此根据第二部分322C与第一部分334C的锥形角，在第一部分334C与第二部分322C之间的间隔可轴向变化或保持在h2。
参照图7D，第一部件310D的第一部分312D通常还包括大约与第一部分334D的外径相同或者明显更小的内径，另外，第一部件310D的第二部分322D为截头圆锥形或槽形，具有沿着轴线99增加的直径，如图所示。第二部件330D的第一部分334D的截面不变，因此在第一部分334D与第二部分322D之间的间隔沿轴向变化。
本发明的第三实施例在图8和9中示出，该实施例总体由200表示，并包括第一实施例的所有特征、元件和如本文所述加以必要变更的修改，并具有将在以下描述中更加清楚的差别。
对于第一实施例，本实施例包括第一部件210，该第一部件在其一个纵向端部具有呈基座212形式的第一部分，该基座特别适用于使其能够焊接或以其它方式(例如铆接或螺栓连接)接合到另一构件上，该另一构件由与所述第一金属相容的上述第四金属制成。在本实施例中，第一部件210不具有趾部，而是通过包括第一部分212而适于接合到所述结构190，该第一部分212在其纵向端部处具有呈周向凸缘214形式的延伸基座，该周向凸缘214限定第一部分212的周边。凸缘214例如基本呈平面矩形形状，如图8和9所示，或者可选为环形或任何其它形状，并且提供了相对较大的区域使其能够焊接、铆接、螺栓连接或以其它方式固定接合到结构190，例如底盘或车体上。例如参照图9，凸缘24可通过在凸缘214的各个角落都有一个的四个搅拌焊接点250搅拌焊接到另一构件上。或者，搅拌焊接点250可用任何固态焊接替代，例如包括FRW(摩擦旋转焊)、FOW(锻焊)、搅拌摩擦焊、摩擦点焊等等。
这样，凸缘214包括抵靠底面，该抵靠底面根据所述结构的部件的在其上将固定安装连接元件200的表面而成形。通常，所述结构的该部分基本是平坦的，从而凸缘214也是平坦的。然而，所述结构的该部分可以是任何期望的形状，例如为凸状、凹状、柱状等等，从而凸缘的底面互补成形以抵靠地装配在其上。
或者，如图11所示，通过任意合适的熔焊方法，例如GTAW(钨电极惰性气体保护焊)或GMAW(气体保护金属极电弧焊)等施加的熔焊焊缝252可用于将凸缘214焊接到结构190上。熔焊焊缝通常形成在凸缘214的周边254的至少部分与结构190之间。
或者，参照图12，利用任意合适的束焊接方法，包括例如LBW(激光束焊接)或EBW(电子束焊接)等的束焊焊缝256可用于将凸缘214焊接到结构190上。束焊焊缝256通常形成在凸缘214与结构190之间。
(应注意，图9、11和12表示在施加PMF处理之前的连接器200。而在一些情况下可以首先将凸缘214焊接到结构190，然后进行PMF处理，以便在原位制成被焊接到结构190的双金属元件200，标准过程通常与此相反，即，通常首先形成双金属元件200，随后将其接合到结构190。)
或者，利用任意合适的电阻焊接，例如RSW(电阻点焊)、SW(缝焊)、PW(保护焊)、PRW(脉冲电阻焊)、螺柱焊等的电阻焊缝可用于将凸缘214焊接到结构190上。
与第一实施例一样，第一部件210在与所述基底212相对的第二纵向端包括第二部分220，该第二部分包括周壁222，并限定空腔224和相对于所述空腔224同轴布置的纵向相对的凹部228，所述空腔具有开口纵向端126。在所示实施例中，连接器200的第二部件230呈柱形杆的形式，该柱形杆具有第一部分232，该第一部分包括可相对于凹部228接收的纵向端234，该凹部228用于相对于空腔224以同心方式安置第一部分232，从而在第一部分232与空腔224的内表面之间留下径向间隙。该实施例的其它变更也是可以的，与对于第一实施例所述的相似，加以必要的变更。第一部分232还可包括张开部分，该张开部分具有背离第一部件230的环形表面235，该第一部件230有利于定位并安置垫圈等，该垫圈可能例如携有接地线缆(未示出)，并且其可例如通过螺母固定。
如同对于第一实施例所述的那样，加以必要的变更，利用PMF处理将第二部件230相对于第一部件210固定，这两个构件可经PMF处理通过焊接而接合在一起，从而提供高强度接缝。
在本发明的多数实施例中，第一金属和第二金属大体上彼此不同并且具有不同的性质，例如导电性。或者，第一金属和第二金属可包括相同的金属或包括相同金属族中的金属。
第一金属包括以下金属组中的任一个但不限于此：铝及其合金、铜和铜合金、黄铜、钢、不锈钢、低碳钢、钛及其合金。
第二金属包括以下金属组中的任一个但不限于此：不锈钢、钢、铜、黄铜、镍、钛以及它们的合金。
第三金属可与第二金属相同或与其不同，并且可包括以下金属组中的任一个但不限于此：不锈钢、钢、铜、黄铜、镍、钛以及它们的合金。
第四金属通常是与第一金属相同的金属，或者属于与第一金属相同的金属族，并且通常包括以下金属组中的任一个但不限于此：铝及其合金、铜和铜合金、黄铜、钢、不锈钢、低碳钢、钛及其合金。
下表1提供了在可固定连接到由第四金属制成的结构的根据本发明的连接器中，第一第二金属的可能组合的一些非限定性示例。
表1
在可固定连接到由第四金属制成的结构的根据本发明的连接器中，第一第二金属的可能组合的示例
 连接器类型   第二金属   第一金属   第四金属
 铝+钢   钢   以下之一：铝及其合金，例如Al1、Al3、Al6、Al5…   以下之一：铝及其合金，例如Al1、Al3、Al6、Al5…
 铝+不锈钢   不锈钢   以下之一：铝及其合金   以下之一：铝及其合金
 铝+铜   铜   以下之一：铝及其合金   以下之一：铝及其合金
 铝+黄铜   黄铜   以下之一：铝及其合金   以下之一：铝及其合金
 铜+黄铜   黄铜   以下之一：铜及其合金   以下之一：铜及其合金
 铜+钢   钢   以下之一：铜及其合金   以下之一：铜及其合金
 黄铜+钢   钢   任意类型的黄铜   任意类型的黄铜
 黄铜+不锈钢   不锈钢   任意类型的黄铜   任意类型的黄铜
 钢+钢   钢   以下之一：钢及任何钢合金   以下之一：钢及任何钢合金
 钢+不锈钢   不锈钢   以下之一：钢及任何钢合金   以下之一：钢及任何钢合金
 不锈钢+钛和钛合金   钛及其合金   任意类型的不锈钢   任意类型的不锈钢
 钛和钛合金+镍和镍合金   镍及其合金   以下之一：钛及其合金   以下之一：钛及其合金
通常，有利的是，利用磁脉冲力将第一金属与第二金属之间的较软金属冲击在较硬金属上。然而，也可以使结构倒置，即将第二部件制成为具有限定空腔的周壁，该周壁被冲击在第一部件上，所述空腔用于接收第一部件的一部分。
根据本发明的双金属连接器可适于通过例如传统的焊接技术将第一部件固定在待接地的构件或结构(例如铝底盘)上而用作接地连接器。然后可利用任何适当的连接结构，例如拧在该构件上的螺母将例如铜线缆连接到第二部件的第一部分。这种连接器通常是铝/铜等。
根据本发明的双金属连接器也可适于通过例如传统的焊接技术将第一部件固定在一个待螺栓连接的构件(例如铝底盘)上而用作连接螺栓。然后可利用任何适当的连接结构，例如拧在该构件上的螺母，或者通过将第二构件直接焊接到第二部件的上述第一部分上，而将第二构件(例如钢装配工具(steel rigger))连接到第二部件的第一部分。
这样根据本发明的第二方面，提供了一种方法，该方法通过采用由所述第一金属和所述第二金属制成的双金属连接元件，用于将由所述第三金属制成的构件接合到由所述第四金属制成的结构。根据该连接方法，双金属连接元件包括由所述第一金属制成的第一部件，该第一部件以这样的方式具体利用PMF过程熔在由所述第二金属制成的第二部件上，从而基本防止它们之间的电解腐蚀，或者防止两种金属中的任一种的机械性能劣化，特别是在它们的接触区域处的劣化。通过利用任意合适的焊接方法将上述第一部件焊接到所述结构上，而将双金属连接元件固定接合到所述结构上。该焊接方法例如可包括但不限于任一种以下方法，这些方法已经相对于本发明的连接器的第一和第二实施例更详细地描述：
熔焊，诸如GTAW(钨电极惰性气体保护焊)或GMAW(气体保护金属极电弧焊)，等等(图2B例示出)；
束焊接，例如包括LBW(激光束焊接)或EBW(电子束焊接)等等；
电阻焊接，例如RSW(电阻点焊)、SW(缝焊)、PW(保护焊)、PRW(脉冲电阻焊)、螺柱焊等等；
固态焊接，例如包括FRW(摩擦旋转焊)、FOW(锻焊)、搅拌摩擦焊、摩擦点焊等等。
在连接方法的一个具体实施例中，以上对于本发明第一方面所述的双金属连接器元件可以用于将由所述第三金属制成的构件连接到由所述第四金属制成的结构。
在以下要求的方法中，用于表示权利要求步骤的字符和罗马数字仅为了方便而提供，并不暗示执行步骤的任何具体顺序。
最后，应注意，整个所附权利要求中使用的词语“包括”应解释为表示“包含但不限于”。
虽然已经示出并公开了根据本发明的示例性实施例，但应理解在不脱离本发明精神的情况下可对本发明进行许多改变。

Claims (3)

1.一种双金属连接元件，用于通过该双金属连接元件将一构件连接到一结构的表面上，该双金属连接元件包括：
第一部件，该第一部件由第一金属制成，并具有第一部分和第二部分，该第一部分包括一端部，该端部适于抵靠地固定连接到所述结构的所述表面上，该第二部分包括限定一空腔的周壁；以及
第二部件，该第二部件由第二金属制成，并具有第三部分和第四部分，所述第三部分相对于所述空腔被同心接收，并通过脉冲磁力成形处理相对于所述第一部件固定，所述脉冲磁力成形处理包括将所述周壁冲击到所述第三部分上，所述第四部分适于在其上连接所述构件；
其中，所述构件由第三金属制成，且所述结构由可与所述第一金属相容的第四金属制成，所述第一部件的所述第一部分形成有安置结构，该安置结构用于接收所述第三部分的自由端，从而能够至少在对所述元件施加所述脉冲磁力成形处理之前，使所述第二部件相对于所述第一部件同轴对准，
所述第三部分与所述周壁的内表面之间的径向间隙h2的大小与所述周壁的厚度t1的大小根据以下关系式相关：
h2＝k*t1
其中k是值在0.5与0.9之间的系数。
2.一种双金属连接元件，用于通过该双金属连接元件将一构件连接到一结构的表面上，该双金属连接元件包括：
第一部件，该第一部件由第一金属制成，并具有第一部分和第二部分，该第一部分包括一端部，该端部适于抵靠地固定连接到所述结构的所述表面上，该第二部分包括限定一空腔的周壁；以及
第二部件，该第二部件由第二金属制成，并具有第三部分和第四部分，所述第三部分相对于所述空腔被同心接收，并通过脉冲磁力成形处理相对于所述第一部件固定，所述脉冲磁力成形处理包括将所述周壁冲击到所述第三部分上，所述第四部分适于在其上连接所述构件；
其中，所述构件由第三金属制成，且所述结构由可与所述第一金属相容的第四金属制成，所述第一部件的所述第一部分形成有安置结构，该安置结构用于接收所述第三部分的自由端，从而能够至少在对所述元件施加所述脉冲磁力成形处理之前，使所述第二部件相对于所述第一部件同轴对准，
其特征在于，与构成为提供所述脉冲磁力成形处理的装置的成形线圈相关的管腔的直径D的大小与所述周壁的外直径D3的大小根据以下关系式相关：
D＝D3+q
其中q在1.5mm与3.0mm之间。
3.一种双金属连接元件，用于通过该双金属连接元件将一构件连接到一结构的表面上，该双金属连接元件包括：
第一部件，该第一部件由第一金属制成，并具有第一部分和第二部分，该第一部分包括一端部，该端部适于抵靠地固定连接到所述结构的所述表面上，该第二部分包括限定一空腔的周壁；以及
第二部件，该第二部件由第二金属制成，并具有第三部分和第四部分，所述第三部分相对于所述空腔被同心接收，并通过脉冲磁力成形处理相对于所述第一部件固定，所述脉冲磁力成形处理包括将所述周壁冲击到所述第三部分上，所述第四部分适于在其上连接所述构件；
其中，所述构件由第三金属制成，且所述结构由可与所述第一金属相容的第四金属制成，所述第一部件的所述第一部分形成有安置结构，该安置结构用于接收所述第三部分的自由端，从而能够至少在对所述元件施加所述脉冲磁力成形处理之前，使所述第二部件相对于所述第一部件同轴对准，
其特征在于，所述周壁在所述第一部件上变形的区域的轴向长度l1的大小与由与构成为提供所述脉冲磁力成形处理的装置的成形线圈相关的管腔提供的工作区的轴向长度l0和直径D的大小根据以下关系式相关：
l1＝(0.5～0.9)*l0，当D大于l1时
l1＝l0，当D小于等于l1时。
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