CN101549436A - 摩擦焊接的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及摩擦焊接的方法和装置。所述摩擦焊接方法包括：通过使第一工件相对地挤压在第二工件上同时使两个所述工件相对地旋转而将所述第一工件与所述第二工件摩擦焊接在一起的步骤；以及在邻近经过摩擦焊接的工件的焊接部的位置处利用高频感应加热对该经过摩擦焊接的工件进行退火的步骤。

Description

摩擦焊接的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种通过使工件之一挤压在另一工件上同时使工件相对地旋转而将一对工件摩擦焊接在一起的方法和装置。
背景技术
当对通过将一对工件摩擦焊接在一起而结合的工件进行抗拉强度测试时，结合工件通常在其邻近工件结合点的热影响区处断裂。当对结合工件进行退火时，经过退火的工件的热影响区得以增强。这样，当对经过退火的工件进行抗拉强度测试时，经过退火的工件在其基部断裂。另一方面，公开号为No.6-248350的日本未审专利申请公开了通过摩擦焊接以外的方式将一对管焊接在一起。然而，在该公开中，在邻近管结合点的位置处以高频感应加热的方式对通过将一对管焊接而结合的管进行热处理。
使用电炉对结合工件进行退火是常规做法。例如，当电炉对由S55C的碳钢制成的、直径为12毫米的结合工件进行退火时，在650摄氏度的温度下花费大约两个小时。在这种情况下，结合工件的外表面被氧化而且外观难看。考虑到这些问题，本发明的目的在于一种摩擦焊接的方法和装置，其中，使结合工件的抗拉强度得以增加并且使外观得到改善。
发明内容
根据本发明的一个方面，摩擦焊接方法包括：通过使第一工件相对地挤压在第二工件上同时使两个所述工件相对地旋转而将所述第一工件与所述第二工件摩擦焊接在一起的步骤；以及在邻近经过摩擦焊接的工件的焊接部的位置处利用高频感应加热对该经过摩擦焊接的工件进行退火的步骤。
根据本发明的另一方面，提供一种摩擦焊接装置，用于通过使第一工件相对地挤压在第二工件上同时使两个所述工件相对地旋转而将所述第一工件与所述第二工件摩擦焊接在一起。所述摩擦焊接装置包括高频感应加热器，所述高频感应加热器用于在邻近经过摩擦焊接的工件的焊接部的位置处利用高频感应加热对该经过摩擦焊接的工件进行退火。
本发明的其它方面和优点将在结合附图、以示例来示出本发明原理的以下描述中显现。
附图说明
在所附的权利要求书中对本发明被视为具有新颖性的特征进行详细阐述。参照目前优选实施方式的以下描述以及附图，可以最好地理解本发明及其目的和优点。
图1是示出摩擦焊接装置的前视图；
图2是沿着图1中的线II-II在箭头方向上得到的局部视图；
图3是示出摩擦焊接方法的流程图；
图4是示出经过摩擦焊接的工件的前视图；
图5是沿着图4中的线V-V在箭头方向上得到的截面图；
图6是示出待摩擦焊接的第一工件与第二工件的前视图；
图7是示出在高频感应加热步骤中时间与温度之间的关系的图；
图8是示出在摩擦焊接步骤中时间与可控因素之间的关系的图；
具体实施方式
下面将参照图1至8描述本发明的实施方式。参照图1，摩擦焊接装置1包括台座8、第一保持架2(主轴单元)和第二保持架3。在台座8邻近其左端的位置处安装有导引件6。第一保持架2以相对于导引件6可滑动的方式安装并通过推力马达(未图示)而沿着导引件6移动。第二保持架3不可移动地安装在台座8上其右端处。第一保持架2具有卡盘2A以便可脱离地保持圆棒形的第一工件W1。在第一保持架2上安装有马达4，该马达4可操作从而使卡盘2A绕其轴线旋转。同样，第二保持架3具有卡盘3A以便可脱离地保持圆棒形的第二工件W2。在第二保持架3上安装有马达5，该马达5可操作从而使卡盘3A绕其轴线旋转。
在第一保持架2上安装有高频感应加热器7以便感应加热工件W。应当指出，工件W是通过将第一工件W1与第二工件W2摩擦焊接在一起而形成的。高频感应加热器7包括线圈7A和移动机构7B。移动机构7B具有安装在第一保持架2上的固定部件7B1和安装为能够相对于固定部件7B1竖直移动的可动部件7B2。线圈7A安装在可动部件7B2上其下端处。如图2所示，线圈7A是马蹄形且具有向下开口的开口7A1。因而，当线圈7A通过移动机构7B而移向工件W时，工件W置于开口7A1中，并且线圈7A环绕工件W的外周的一部分。
如图3所示，为了通过摩擦焊装置1使第一工件W1与第二工件W2结合在一起，首先执行摩擦焊接步骤，然后执行退火处理步骤。在摩擦焊接步骤中，首先，分别由卡盘2A和3A保持第一工件W1与第二工件W2。应当指出，图1示出的是摩擦焊接步骤后工件W脱离卡盘3A的状态。然后，通过马达4使第一工件W1随卡盘2A绕其轴线旋转，而工件W2由卡盘3A保持以致于不绕其轴线旋转。随后，第一保持架2移向第二保持架3，从而使第一工件W1与第二工件W2接触。因此，在第一工件W1与第二工件W2之间产生摩擦热，从而将第一工件W1与第二工件W2以摩擦方式焊接在一起。
参照图8，控制器(未图示)对马达4的运转进行控制，从而使第一工件W1以例如范围为3300至10000转/分(rpm)的转速A1旋转。如果转速A1过低，第一工件W1与第二工件W2的外周处会发生咬合。紧接于发生咬合之后，两个工件W1与W2会因其间的相对旋转所引起的扭转而断裂。在这种情况下，由断裂产生的热可能会迅速增加并有可能形成毛刺。
然后，对推力马达的运转进行控制以向第一保持架2提供轴向压力P0，从而使第一工件W1移向第二工件W2。当第一工件W1与第二工件W2接触而在其间产生摩擦热时，对推力马达的运转进行控制以向第一保持架2提供轴向压力P1。在这种情况下，第一保持架2被保持为可沿离开第二保持架3的方向移动同时不从第一工件W1与第二工件W2彼此接触的位置移向第二保持架3(参见图8中的属于摩擦步骤的时段T1)。例如，将轴向压力P1设定在5至10兆帕(MPa)的范围中。如果轴向压力P1过低，摩擦步骤的摩擦热会不足。在本实施方式中，在形成烧化长度情形前结束摩擦步骤。如果轴向压力P1过高，在摩擦步骤中这种烧化长度的情形会迅速形成，从而形成过量毛刺。如上所述地提供低轴向压力P1和高转速A1，就可以使两个工件W1与W2之间的结合表面在摩擦步骤中得到加热而不会形成这种烧化长度的情形。可以预先确定时段T1。如果两个工件W1与W2是由钢制成的，那么时段T1设定在0.05秒至1秒的范围中。
摩擦步骤结束后，开始限制第一工件W1的旋转。然后，对推力马达的运转进行控制以在两个工件W1与W2之间提供顶锻压力P2。顶锻压力P2优选地设定为比摩擦步骤中的轴向压力P1大二至四倍。例如，顶锻压力P2设定在10至30兆帕的范围中。当开始限制第一工件W1的旋转时，对马达5的运转进行控制以使卡盘3A能够绕其轴线旋转。因此，第二工件W2开始随第一工件W1自由旋转，使得两个工件W1与W2在经过时段T1和T2(参见图8中的属于顶锻步骤的时段T2)之后以相同的速度旋转。接着，两个工件W1与W2停止旋转(参见图8中的同样属于顶锻工序的时段T3)。例如，时段T2和T3都设定在0.5秒至1秒的范围中。在两个工件W1与W2之间的相对旋转为零时的时间点附近的时段T4中，在两个工件W1与W2之间形成了顶锻长度B。例如，顶锻长度B以0.05至0.2毫米(mm)的范围形成。
在摩擦焊接步骤后，如图3所示地执行退火处理步骤。在退火处理步骤中，首先，如图1所示地使工件W脱离卡盘3A。接着，使线圈7A移动成靠近工件W的焊接部W3，并使高频电流流过线圈7A。然后，对马达4的运转进行控制以使工件W绕其轴线旋转。因此，在工件W的邻近焊接部W3的整个外周发生高频感应加热。优选地在摩擦焊接步骤中产生的摩擦热完全冷却之前开始高频感应加热。这样，减少了用于高频感应加热的必要能量。
对流过线圈7A的高频电流进行控制以使焊接部W3的最外周边表面保持于如图7所示的范围为Temp1至Temp1+a的预定温度。例如，对高频电流进行开-关控制，使得Temp1值的范围为300至600摄氏度，a值为50摄氏度。例如，电流频率设定在5至120千赫兹的范围中。例如，预定温度的保持时间t1设定在1至15秒的范围中。在发生高频感应加热后，将工件W搁置一旁并缓慢冷却。
两个工件W1与W2由钢制成，包括诸如S55C的高碳钢和诸如S15C的软钢。两个工件W1与W2的形状是实心或空心的杆或圆棒。两个工件W1与W2可以如图6所示地通过挤出模制而形成，使得工件W1与W2都分别具有轴向延伸的纤维流线W5和W6(金属组织流线)。通过将第一工件W1与第二工件W2焊接在一起，工件W的焊接部W3具有如图4和5所示的径向及周向延伸的纤维流线W7(金属组织流线)。
尽管传统的电炉易于加热工件W的外表面，但是它们几乎不能加热工件W的中心。另一方面，高频感应加热具有感应电流易于沿着纤维流线流动的属性。因此，当高频电流流过邻近工件W的焊接部W3的线圈7A时，在邻近焊接部W3的位置处沿着纤维流线W7在工件W径向方向而不是在其轴向方向上发生高频感应加热。这样，在工件W的邻近在摩擦焊接步骤中受到热影响的焊接部W3的热影响区W4中发生温度上升，使得在热影响区W4中易于执行退火处理。应当指出，在退火处理步骤之前或之后将在摩擦焊接步骤中形成的毛刺W8从工件W上去除。
对退火处理进行了实际测试并对其效果进行了确认。首先，通过低热输入方法对由S55C制成的圆棒进行摩擦焊接以制备编号为1至8的八个样品。然后，在保持时段中使用如表1所示的频率，对每个样品的焊接部W3的最外周边表面的温度进行控制。该步骤包括加热5秒的工序、保持目标温度的工序和冷却工序。
表1
  编号   直径(毫米)   保持时间(秒)   温度(摄氏度)   频率(千赫兹)
  1   12   10   300   10
  2   12   10   400   10
  3   12   10   500   10
  4   12   10   600   10
  5   12   0   600   10
  6   17   10   300   24
  7   17   10   400   24
  8   17   10   400   144
然后，对未经过退火处理步骤的工件和经过退火处理步骤的工件进行抗拉强度测试。结果，未经过退火处理步骤的工件在756兆帕压力下在热影响区处断裂。另一方面，经过退火处理步骤的工件在基部而非在热影响区处断裂，且其抗拉强度也增加。例如，编号为6和7的样品的抗拉强度分别是782兆帕和773兆帕。即使如编号为1的样品的情况那样使最外周边表面保持于300摄氏度达10秒时，编号为1的样品也是在基部处断裂，从而得出焊接部W3的退火处理是充分的。即使如编号为5的样品的情况那样使保持时间为零秒时，编号为5的样品也是在基部处断裂，从而得出焊接部W3的退火处理是充分的。
如上所述，如图3所示，摩擦焊接方法包括摩擦焊接步骤和通过高频感应加热来执行退火处理的退火处理步骤。因而，通过高频感应加热使工件W的抗拉强度增加。经过审慎地考虑后，认为抗拉强度得以增加的原因如下。由于摩擦焊接，邻近焊接部W3的外周部处形成了硬度急剧改变的微小区域，而且其变成抗拉强度测试中发生断裂的起源。然而，其硬度急剧改变的微小区域通过高频感应加热的退火处理而变缓，使得工件W的抗拉强度得以增加。
根据本实施方式的退火处理不是以传统方式执行并且有效地作用于工件W。更具体而言，将第一工件W1与第二工件W2摩擦焊接在一起，经过摩擦焊接的工件W具有通过其它焊接工序无法形成的、径向延伸的纤维流线W7。由于感应电流易于沿着这种纤维流线流动，所以高频感应加热易于在邻近焊接部W3的位置处沿着纤维流线W7在工件W的径向方向而非在其轴向方向上发生。因此，邻近焊接部W3的、硬度急剧改变的微小区域通过高频感应加热而有效变缓。与传统的电炉相比，高频感应加热减少了工件W的氧化区域。所以，经过退火的工件W在外观上得到改善。
如图6所示，第一工件W1与第二工件W2是棒形且具有轴向延伸的纤维流线W5和W6。在摩擦焊接步骤中，如图4所示，通过使第一工件W1与第二工件W2彼此挤压，同时使两个工件W1与W2绕其轴线相对地旋转，在工件W的焊接部W3中形成了径向延伸的纤维流线W7。因此，高频感应加热易于在邻近焊接部W3的位置处沿着纤维流线W5、W6和W7发生。这样，有效增加了工件W的抗拉强度。
在退火处理步骤中，执行高频感应加热以便使焊接部W3的最外周边表面保持于300至650摄氏度的温度达1至15秒。因此，相比传统的电加热，高频感应加热的预设温度低并且处理时间短。
摩擦焊接步骤优选地包括如图8所示的摩擦步骤(T1)和顶锻步骤(T2、T3)。因为顶锻长度不是在摩擦步骤中形成，而是仅仅在顶锻步骤中形成，所以减少了摩擦焊接步骤中的总顶锻长度，从而减少了毛刺的形成。另外，执行摩擦焊接步骤的时间也大为缩短。另一方面，因为产生的热减少并且工件W易于快速冷却，所以邻近焊接部W3的外周表面处有可能会形成硬度急剧改变的微小区域。然而，这个区域通过高频感应加热而逐渐转化。因而，确实地增加了工件W的抗拉强度。因为图8中所示的摩擦焊接步骤形成更少的毛刺，所以高频感应加热甚至在去除毛刺之前就能够有效地作用于工件W。
摩擦焊接装置1设有如图1所示的高频感应加热器7。因此，与摩擦焊接装置和电炉单独设置的现有系统相比，摩擦焊接装置1制成较为紧凑。
如图1和2所示，高频感应加热器7具有能够布置于邻近工件W的焊接部W3的外周表面的一部分的位置处的线圈7A。通过使高频电流流过线圈7A同时使工件W旋转，在焊接部W3的整个外周都会发生高频感应加热。因此，没有必要使线圈环绕工件W的整个外周。这有利于热处理操作。因为摩擦焊接装置1包括用于使第一工件W1与第二工件W2相对旋转的马达4，所以马达4可以用于在高频电流流过线圈7A的同时使工件W旋转。
本发明不局限于上述实施方式，而是可以如以下示例地进行修改。
(1)尽管在上述实施方式中摩擦焊接装置1设有高频感应加热器7，但是高频感应加热器可以与摩擦焊接装置单独设置。
(2)尽管在上述实施方式中线圈7A是马蹄形，但是可以邻近且沿着工件W的外周表面的一部分配置圆形或线形线圈。
(3)在上述实施方式中，马达4不仅可以在摩擦焊接中使第一工件W1旋转，而且可以在摩擦焊接后使经过焊接的工件W旋转。然而，马达5可以在经过焊接的工件W脱离卡盘2A后使工件W旋转。可替代地，可以配置为在工件W没有脱离卡盘的情况下使得两个马达中的一者空闲而另一者旋转。
(4)摩擦焊接步骤不局限于图8中所示的步骤，而是，它可以通过直接驱动摩擦焊接或低热输入的方法来执行。
因此，本示例和实施方式应该当作示例性的而非限制性，并且本发明不局限于本文所给出的细节，而是可以在所附的权利要求书的范围内进行修改。

Claims (11)

1.一种摩擦焊接方法，其特征在于包括：
通过使第一工件(W1)相对地挤压在第二工件(W2)上同时使两个所述工件(W1、W2)相对地旋转而将所述第一工件(W1)与所述第二工件(W2)摩擦焊接在一起的步骤；以及
利用高频感应加热在邻近经过摩擦焊接的工件(W)的焊接部(W3)的位置处对该经过摩擦焊接的工件(W)进行退火的步骤。
2.根据权利要求1所述的摩擦焊接方法，其特征在于包括在摩擦焊接步骤之前制备呈棒形的所述第一工件(W1)与所述第二工件(W2)中的每个的步骤，所述第一工件(W1)与所述第二工件(W2)中的每个都具有沿棒的轴向方向延伸的纤维流线(W5、W6)，其中，摩擦焊接步骤包括通过使所述第一工件(W1)相对地挤压在所述第二工件(W2)上同时使两个所述工件(W1、W2)绕其轴线相对地旋转而在所述焊接部(W3)中形成沿棒的径向方向延伸的纤维流线(W7)的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的摩擦焊接方法，其特征在于，所述第一工件(W1)与所述第二工件(W2)通过挤出模制而形成。
4.根据权利要求1或2所述的摩擦焊接方法，其特征在于，通过使所述焊接部(W3)的最外周边表面的温度保持在300至650摄氏度的范围中达1至15秒来执行高频感应加热。
5.根据权利要求1或2所述的摩擦焊接方法，其特征在于，在使所述经过摩擦焊接的工件(W)旋转的同时执行高频感应加热。
6.根据权利要求1或2所述的摩擦焊接方法，其特征在于，在摩擦焊接步骤中产生的摩擦热冷却之前启动高频感应加热。
7.根据权利要求1或2所述的摩擦焊接方法，其特征在于，摩擦焊接步骤包括：
通过使所述第一工件(W1)相对地挤压在所述第二工件(W2)上同时使两个所述工件(W1、W2)相对地旋转而产生摩擦热的步骤；以及
通过在摩擦焊接步骤中两个所述工件(W1、W2)之间形成烧化长度情形之前限制两个所述工件(W1、W2)之间的相对旋转并在两个所述工件(W1、W2)之间提供顶锻压力(P2)来在两个所述工件(W1、W2)之间形成顶锻长度(B)的步骤。
8.一种摩擦焊接装置(1)，用于通过将第一工件(W1)相对地挤压在第二工件(W2)上同时使两个所述工件(W1、W2)相对地旋转而将所述第一工件(W1)与所述第二工件(W2)摩擦焊接在一起，所述摩擦焊接装置(1)的特征在于
设置有高频感应加热器(7)，所述高频感应加热器(7)用于利用高频感应加热在邻近经过摩擦焊接的工件(W)的焊接部(W3)的位置处对该经过摩擦焊接的工件(W)进行退火。
9.根据权利要求8所述的摩擦焊接装置(1)，其特征在于，所述高频感应加热器(7)具有线圈(7A)，所述线圈(7A)能够布置于邻近所述焊接部(W3)的外周的一部分的位置处，其中，当高频电流在所述经过摩擦焊接的工件(W)旋转的同时流过所述线圈(7A)时，在所述焊接部(W3)的整个外周中产生高频感应热。
10.根据权利要求9所述的摩擦焊接装置(1)，其特征在于，所述高频感应加热器(7)具有移动机构(7B)，所述移动机构(7B)使所述线圈(7A)移动成靠近或远离所述焊接部(W3)。
11.根据权利要求9或10所述的摩擦焊接装置(1)，其中，所述线圈(7A)呈马蹄形并具有开口(7A1)，所述经过摩擦焊接的工件(W)置于所述开口(7A1)中。
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