CN101605626B - 用于片的磁脉冲焊接的方法和设备，具有相对于片平面以一定角度倾斜的至少一个附着区域的片；具有如此附着区域的车辆部分的部件 - Google Patents

Abstract

第一片(2)包括相对于片平面(15)倾斜一定角度的至少一个附着区域(4)。第一片(2)安置在第二片(3)上以使得第一片(2)的附着区域(4)与第二片(3)间隔一定距离。施加磁场脉冲以在附着区域(4)上在大致垂直于第一片平面(15)和第二片平面(16)的方向产生一力，以通过足够的力驱使第一片(2)的附着区域(4)朝向第二片(3)移动，从而在第一片(2)的附着区域(4)和第二片(3)之间产生冷焊接接头(1)。

Description

用于片的磁脉冲焊接的方法和设备,具有相对于片平面以一定角度倾斜的至少一个附着区域的片;具有如此附着区域的车辆部分的部件

技术领域

本发明涉及一种用于片、特别是金属片的磁脉冲焊接的方法和设备。

背景技术

一些焊接技术包括施加热到两个金属件的局部区域，其导致该两个金属件与焊接接头的结合。压力和/或进一步的填充金属可以额外地使用。但是，使用这些焊接技术存在一些缺点。热的施加会导致给金属件带来不期望的变形和薄弱。此外，焊接区域的表面光洁度通常不期望地粗糙。而且，在不相类似金属材料的部件之间难以产生可靠的焊接接头。

为了消除这些缺点的一些，从US6,234,375知道，使用磁脉冲焊接来结合管状件。尽管磁脉冲焊接可以用于结合不相类似的材料例如钢和铝，现有技术的磁脉冲焊接方法不便于用于结合片形式的金属件。因此，已知的用于磁脉冲焊接的方法和设备在其可以使用的程度上受到限制，因为复合结构例如车辆框架和车辆车身面板通常包括具有各种形式例如片和管状部件的部件。

发明内容

因此，期望一种更适于结合金属片的磁脉冲焊接的方法和设备。

这个目的通过独立权利要求的主题解决。进一步的有利的发展是从属权利要求的主题。

一种用于片的磁脉冲焊接的方法，包括提供待焊接在一起的第一金属片和第二金属片。每个片具有片平面。第一金属片包括至少一个附着区域，其相对于第一金属片的片平面以一定角度倾斜。第一金属片安置在第二金属片上以使得第一金属片的附着区域与第二金属片间隔开一定距离。施加磁场脉冲以使得在第一金属片的附着区域上在大致垂直于第一片平面和第二片平面的方向产生一力，以通过足够的力驱使第一金属片的附着区域向着第二金属片移动，以在第一金属片的附着区域和第二金属片之间产生冷焊接接头。

第一金属片和第二金属片具有大致平面的形状。但是，该形状可以从理论上的平面偏离，特别是在待接合的片区域例如边缘缝之外的区域。

片平面限定为平行于片的总体上表面的平面，至少在期望接合的区域中。在第一片的情形中，总体的上表面在除了相对于片平面以一定角度倾斜的至少一个附着区域之外是大致平的。

此处所述“一定角度”是指相对于片平面倾斜一个大于0°小于等于90°的角度。应当理解，附着区域可包括多个相对于片平面分别以不同角度倾斜的各部分并可以包括大致平行于片平面的部分。附着区域可具有例如大致U形形式、半球形或者锥形或者凹槽形式。

至少一个附着区域定位在待接合在期望接合的区域的至少一个片中。为了在第一片的附着区域和第二片之间形成冷焊接接头，第一片安置在第二片上。更具体地，第一片的一部分可以与第二片的一部分重叠以提供重叠接合区域。

第一片可与第二片在附着区域之外的区域物理接触。换句话说，仅第一片的附着区域从第二片以一定距离间隔开，以提供在第一片和第二片的邻接表面之间的局部间隔。仅附着区域通过由磁场脉冲产生的力朝向第二片高速驱动以产生局部爆炸焊接或者冲击焊接。结果，局部冷焊接或者点焊接在第一片和第二片之间形成在附着区域上。

这不同于其它磁脉冲焊接技术，在后一情形中，第一筒形构件与第二筒形构件同心地定位并与第二筒形构件间隔开一定距离。力在重叠件周围均匀施加以形成连续的环形的在几乎所有重叠部分上延伸的接合。

通过由磁脉冲提供的力焊接局部的附着区域的方法使用起来简单，因为没有必要将整个第一片和整个第二片彼此间隔开一定距离并通过施加磁脉冲对着第二片高速移动整个第一片以产生冷焊接接头。

第一片在附着区域之外的区域和第二片可以保持基本不动，而附着区域通过由磁场施加的脉冲引起的力移动。

第一片的附着区域可以以各种形式设置。附着区域可以设置为第一片的弯曲边缘或者以在第一片的表面中的塑性变形的凹陷或者突起的形式。可以设置多个附着区域，典型地，在待接合的区域中以一定间隔间隔开。冷焊接接头通过在此所述的磁脉冲焊接方法形成在第一片的多个附着区域的每一个和第二片之间以提供多个局部冷焊接接头。

塑性变形凹陷可以包括凹坑，其可以具有大致半球或者截头圆锥体形式，或者凹陷可以包括凹槽。因为凹陷通过片的塑性变形形成，凹陷还可以描述为在相反表面上的突起。当两个片在冷焊接形成之前安置在一起时，第一片的附着区域可以从第二片以2-3毫米的距离间隔开。塑性变形凹陷可以具有2-15毫米的直径和0.5-10毫米的深度，或者10-200毫米的长度、2-20毫米的宽度和0.5-10毫米的深度。待接合的每个片可以具有例如0.5-10毫米的厚度。

附着区域的尺度可以取决于期望的冷焊接接头的横向程度进行选取。可以选取通过附着区域提供的间隔距离，以便在第一片的附着区域和第二片之间提供期望的冲击速度。

在一实施例中，附着区域延伸到第一片的边缘。一个例子，凹槽可以从第一片的边缘向内延伸。该安置具有如下优点：随着塑性变形的附着区域通过由磁脉冲引起的力对着第二片驱动时，在第一片的附着区域和第二片之间的间隙中存在的空气和任何其它颗粒可以从附着区域的开口端逃出。

通过磁场脉冲引起的力可以足以驱动第一片的附着区域对着第二片以高达500米/秒的速度驱动。该速度选取的以使得在第一片的附着区域和第二片之间产生可靠的冷焊接接头。产生可靠冷焊接合需要的速度取决于待接合的片的材料并相应地选取。

磁场可以仅从重叠的金属片的一侧施加。或者，磁场可以从待接合的两个金属片的两相对侧面施加。

磁场可以在大致平行于第一片平面的方向施加，以使得在大致垂直于第一片平面的方向在附着区域中产生力。磁场可以通过电磁体提供，该电磁体例如通过高达500kA或者高达100kA的电流脉冲被激励。电流脉冲可以通过切换打开带电电容器组而提供并可以具有例如20-100微秒的脉冲长度。

该方法和设备可以用于接合任何金属或者合金片。因此，该片是金属的。高导电性是有利的，因为在片中感应的电流越大，导致的力越大，接合焊接处理越有效。

在一实施例中，第一片和第二片可以包括选自包括钢、铝和镁的金属组的金属或者金属合金，特别地铝和铝以及钢和钢。第一片和第二片可包括相同金属或者合金或者可以包括选自这些金属组的不同金属或者金属合金。更特别地，钢片可以通过根据在此描述的一个实施例的局部磁脉冲焊接方法接合到铝片。

该方法可以方便地用于接合片形式的金属部件，所述部件是车辆车身面板组件、车辆底盘、车辆框架组件或者车辆排气系统的部件。这些部件设置有至少一个附着区域，其局部地定位在期望局部接合的地方。该方法可以用于接合汽车车身的钢和铝部件。

在这种情形下，第一金属片和第二金属片可以涉及在待接合的区域或者缝中的部件。该部件可以具有三维形式，其通过使得具有总体片或者面板平面的片或者面板变形而形成，其在垂直于总体片平面例如车身面板的方向延伸。待接合的第一和第二片的区域，例如边缘缝可以大致为平的。

一种用于在第一金属片和第二金属片之间产生冷焊接接头的设备，包括支承台。支承台包括用于支承定位在其上的第一片和第二片的部分的支承表面，在冷焊接接头的生产过程中第一片定位在第二片上。该设备还包括用于产生磁场脉冲的装置，其与支承台的支承表面相邻地定位并适于在大致平行于支承台的支承表面的方向产生磁场并且适于在大致垂直于支承表面的方向产生力，以驱使第一片的与第二片间隔开一定距离的附着区域朝向第二片移动，以在第一片的附着区域和第二片之间产生冷焊接接头。

该设备包括支承台，在冷焊接接头的产生过程中第一片和第二片支承在该支承台上。该设备是简单的，因为不需要额外的装置来将第一片和第二片彼此间隔开，以使得第一片和第二片可以高速地受力到一起以形成冷焊接接头，因为局部间隔区域通过设置在第一片上的附着区域提供。结果，第一片可以简单地布置得与第二片在支承台的支承表面上接触并且施加磁脉冲以对着第二片驱动第一片的附着区域并在第一片的附着区域和第二片之间产生冷焊接接头。附着区域之外的第一片和第二片的区域并不冷焊接，而是在磁脉冲的施加过程中基本保持不动。这些区域可以临时地夹紧到支承台，以防止在焊接接头的产生过程中第一片和第二片相对于彼此不期望地侧向移动。

用于产生磁场脉冲的装置可以在大致垂直于支承表面的方向移动。这具有如下优点：用于产生磁场的装置可以从支承表面处后退离开，以使得第一和第二片能够定位在支承表面上，然后向着支承表面移动用于施加磁场脉冲。为产生足够力来产生冷焊接接头所需要的磁场可以通过定位用于产生磁场脉冲的装置靠近附着区域的上表面而减小。

磁场脉冲可以通过电磁体方便地提供。该设备还可以包括用于电磁体的电流供应源并可以进一步包括用于提供电流脉冲到电磁体的电容器。此处意义上的电容器并不有意受限于单个电容器，而是也可以以电容器组的形式方便地提供。如果使用可移动电磁体，产生特定磁场需要的电流可以通过将电磁体定位在非常靠近附着区域而减小。

附图说明

现将参照下面的附图描述本发明的实施例。

图1示出根据第一实施例的用于片的磁脉冲焊接的安置，

图2示出根据第一实施例的在产生冷焊接接头之后的安置，

图3示出根据第二实施例的用于片的磁脉冲焊接的安置，

图4示出根据第二实施例的在产生冷焊接接头之后的安置，以及

图5示出用于片的磁脉冲焊接的设备。

具体实施方式

图1和图2示出根据本发明的第一实施例通过磁脉冲焊接在第一金属片2和第二金属片3之间产生局部冷焊接头1。第一金属片2是铝片，其包括多个附着区域4，在图中示出一个附着区域，所述多个附着区域在边缘区域以一定间隔间隔开。每个附着区域4具有半球状凹坑5的形式，该凹坑5具有5毫米直径和2毫米深度，其通过第一片2的塑性变形产生。凹坑5可以通过压下表面9以在第一片2的下表面9中形成凹陷而在上表面11中形成相应的突起而产生。第二片3是钢片。铝片2和钢片3是车辆底盘的部件。

第二钢片3布置在支承台7的支承表面6上。第一铝片2布置在第二片3的上表面8上以使得第一片2的下表面9在凹坑或者附着区域4之外的区域中与第二片3的上表面8物理接触。第一金属片2和第二金属片3每个具有一个片平面15，16，其大致平行于支承台7的上表面6。凹坑5给第一片2提供从第二片3的上表面8间隔开一定距离的局部区域。凹坑5提供附着区域4，其至少一部分相对于第一片平面15以及第二片平面16倾斜一定角度θ。

用于施加磁场脉冲的装置10相邻于第一金属片2定位，特别是与第一金属片的附着区域4的突起表面的上表面11相邻地定位。

为了增大通过施加的磁场和第一片2和第二片3中感应的磁场的相互作用产生的力，具有最高导电性的片直接与磁体10相邻地定位。因此，在该实施例中，钢片3布置在支承台7上而铝片2布置在钢片3上，以使得其与磁体10直接相邻。

用于产生磁场脉冲的装置10以电磁体的形式提供，其还包括电源，该电源包括电容器组、高速开关系统以及导电线圈，这些在附图中均未示出。磁场脉冲发生装置适于提供在大致平行于第一金属片的第一片平面15和第二金属片3的第二片平面16的方向的磁场脉冲。线圈可以是E形平面线圈。

为了在第一金属片2的附着区域4和第二金属片3之间产生冷焊接接头，电容器组被充电，高速开关被促动，并且电流脉冲施加到线圈。作为一个例子，电流脉冲可以为100kA，持续50微秒。高密度磁通量通过线圈产生，在附图中通过B表示，位于第一片2和第二片3的平面中。结果，涡流在第一片2中产生，并以更小的程度在第二片3中产生，因为第一片2遮蔽着第二片3。这些感应涡流引起磁场，该磁场与线圈的磁场相互作用从而产生一力，该力在附图中用F表示，该力以大致垂直于片平面和第一片2的上表面11的方向作用在第一片2的附着区域4中。该力F驱使第一片2的附着区域4以高达500米/秒的速度朝向第二片的上表面8移动，并且在附着区域4内，在第一片的下表面9和第二片3的上表面8之间的界面上产生爆炸焊接或者冲击焊接。由此，在附着区域4处形成在第一片2和第二片3之间的局部焊接头或者点冷焊接接头1，其在附图2中示出为黑色矩形。

图3和4示出根据本发明的第二实施例在第一铝片2和第二钢片3之间的冷焊接接头的产生。在整个描述中，相同的附图标记用于表示具有类似功能的相同部件。

根据第二实施例，附着区域4以第一片2的弯曲边缘区域12的形式提供。因此，第一片2的边缘区域12相对于第一片平面15和第二片平面16以一定倾斜角度θ定位。倾斜的边缘区域12具有30毫米长度并且远端定位在第二片3的上表面8上大约3毫米高度处。如图3和4所示，第一片2和第二片3的形状可以在接头区域17之外的区域从片平面15，16偏离。在接头区域17中，第一片平面15和第二片平面16彼此平行地定位并且第一片的下表面9与第二片的上表面8在附着区域4之外物理接触。

类似于第一实施例，磁场脉冲被施加，其在大致垂直于支承台7的支承表面6的方向在第一片2上产生一力F，从而以足够的速度对着第二片3驱动附着区域4以在第一片和第二片之间在附着区域4的区域产生冷焊接1。提供附着区域4的边缘段12的远端在第一片2的边缘上是开口的以使得存在于第一片2和第二片3之间的间隙中在附着区域4中的空气以及其它颗粒可以在冷焊接区域的产生过程中从该界面逃出。

图5示出用于在两个片2和3之间通过磁脉冲焊接产生冷焊接接头的设备13的侧视图。设备13具有大致C形状并包括支承台7和与支承台7的支承表面6相邻地定位的电磁体10。在焊接处理过程中，第一金属片2和第二金属片3支承在支承台7上。第二片3是大致平面的，它定位在支承台7的上表面6上，第一片2定位在第二片3上，并且第一片的附着区域4与第二片3的上表面8间隔一定距离。在该实施例中，多个附着区域4(图中仅示出其中一个)以凹槽14的形式设置，该凹槽14延伸到第一片2的边缘并因此开口于该末端。每个凹槽具有例如50毫米长度、2.5毫米深度和4毫米宽度。

电磁体10可以在大致垂直于支承台7的上表面6的方向相对于支承台7的上表面6如箭头所示地移动。电磁体10适于在大致平行于支承台7的上表面6和大致平行于第一金属片2和第二金属片3的片平面的方向产生磁场B。磁场脉冲在第一金属片2和第二金属片3中引起涡流从而产生磁场，该磁场与施加的磁场相互作用从而在大致垂直于支承表面6和大致垂直于第一片平面和第二片平面的方向产生力F。该力驱使附着区域4朝向第二片3的上表面8高速移动，以在第一片2的附着区域4的下表面9和第二金属片3的上表面8之间在附着区域4处产生局部冷焊接接头。

电磁体10可以远离支承表面6向上移动，以方便将第一片2和第二片3定位在支承台7上。当要产生磁场脉冲时，电磁体10可以然后在向着支承台7的支承表面的方向下降并定位在与第一金属片2相距很近的位置处，例如相距1毫米处。由于电磁体10非常接近待焊接在一起的第一片2和第二片3，这使得能够通过使用较低电流就能施加原本需要通过采用较大的给定电流才能实现的较大的磁场到第一金属片2和第二金属片3。磁场越大，导致的力越大，冲击速度越高。电磁体有利地定位为尽可能靠近第一片2的上表面11，以使得第一片2最大可能地被施加磁场脉冲。

第一金属片2和第二金属片3可通过根据在此所述的实施例之一的磁场脉冲焊接方法产生的许多局部或者点焊接而接合在一起。根据所述实施例之一，第一片2可以设置有多个附着区域4，其沿着例如接缝的区域以一定间隔定位，第一片2以重叠的方式接合到第二金属片3。磁场脉冲可以顺次施加到每个附着区域4以对着第二片3驱动附着区域4，从而在第一金属片2和第二金属片3之间产生多个局部冷焊接接头1。

设备13可以不动或者可以移动，例如通过利用机器人或者机器人承载的焊接固定装置。静止或者机械分度工具可以执行定位在静止的固定装置中的片的焊接。或者，静止的工具执行定位在机器人承载固定装置中的片的焊接。在另一替代方式中，机器人承载C形焊接单元定位到位于静止固定装置中的片。在每种情形中，电流脉冲释放，从而在线圈中产生磁场，局部凹陷被变平并被驱使朝向第二片移动。第一片的材料高能量地局部地击打第二片从而产生局部焊接。该工具然后移动到另一附着区域位置并重复焊接处理。

在另一实施例中，其在附图中未示出，第二金属片3也设置有根据在此描述的实施例之一的至少一个附着区域。第二片3的附着区域可以定位成与第一片的附着区域对齐。这可以用于产生较大的局部间隙或者空间以及更高的冲击速度。

通过本发明的实施例产生的接头的表面光洁度非常高并可以优于通过点焊产生的接头，因为由高温以及采用额外的填充金属所引起的变形得以避免。此外，高表面光洁度可以提供用于钢和铝之间的接头，其显然好于常用的通过咬合和自穿透铆接来接合钢部件到铝部件提供的表面光洁度。

该方法还是快速和方便的，因为其中待接合的片彼此间隔开的步骤得以避免。该方法可以用于大批量制造，例如汽车车身的大批量制造。因为混合材料，特别地，钢和铝可以方便地接合，该方法还适于混合汽车车身的大批量制造，在混合汽车车身中，传统地由钢制造的部件由铝替换以节省重量从而改善燃油效率。

附图标记列表

1     焊接接头

2     第一片

3     第二片

4     附着区域

5     凹坑

6     支承表面

7     支承台

8     第二片的上表面

9     第一片的下表面

10    电磁体

11    第一片的上表面

12    弯曲边缘

13    设备

14    凹槽

15    第一片平面

16    第二片平面

17    接合区域

Claims (25)

1.一种用于片(2，3)的磁脉冲焊接的方法，包括：

提供待焊接在一起的第一金属片(2)和第二金属片(3)，第一金属片(2)具有第一片平面(15)，第二金属片(3)具有第二片平面(16)，其中，所述第一金属片(2)包括相对于所述第一片平面(15)以一定角度倾斜的至少一个附着区域(4)，

在所述第二金属片(3)上安置所述第一金属片(2)，使得所述第一金属片(2)的所述附着区域(4)与所述第二金属片(3)间隔一定距离，

施加磁场脉冲以使得在所述附着区域(4)上在大致垂直于所述第一片平面(15)和所述第二片平面(16)的方向产生一力，以借助足够的力驱使所述第一金属片(2)的所述附着区域(4)向着所述第二金属片(3)移动，以在所述第一金属片(2)的所述附着区域(4)和所述第二金属片(3)之间产生冷焊接接头(1)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一金属片(2)在所述附着区域(4)之外的区域和所述第二金属片(3)基本保持不动，而所述附着区域(4)通过由施加的磁场脉冲引起的力移动。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二金属片(3)包括相对于所述第二片平面(16)以一定角度倾斜的至少一个附着区域(4)。

4.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述第一金属片(2)的所述附着区域(4)设置为弯曲边缘(12)。

5.如权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，提供多个附着区域(4)，每个附着区域为在所述第一金属片(2)的表面(9)中塑性变形的凹陷(5，14)。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述凹陷(5，14)包括凹坑(5)或者凹槽(14)。

7.如权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，所述第一金属片(2)的所述附着区域(4)与所述第二金属片(3)间隔0.5-10毫米的距离。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述凹陷(5)具有2-15毫米的直径和0.5-10毫米的深度。

9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述凹陷(14)具有10-200毫米的长度、2-20毫米的宽度和0.5-10毫米的深度。

10.如权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，所述第一金属片(2)的所述附着区域(12，14)延伸到所述第一金属片(2)的一边缘。

11.如权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，所述力足以驱使所述第一金属片(2)的所述附着区域(4)以高达500米/秒的速度向所述第二金属片(3)移动。

12.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述磁场从所述第一金属片(2)的一侧施加。

13.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述磁场从所述第一金属片(2)的两相对侧施加。

14.如权利要求2、12和13之一所述的方法，其特征在于，所述磁场是在大致平行于所述第一片平面(15)的方向施加。

15.如权利要求2、12和13之一所述的方法，其特征在于，所述磁场通过电磁体(10)提供，所述电磁体通过高达500kA的电流脉冲被激励。

16.如权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，所述第一金属片(2)和所述第二金属片(3)包括选自包括钢、铝和镁的金属组的金属或者金属合金。

17.如权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，所述第一金属片(2)和所述第二金属片(13)包括选自包括钢、铝和镁的金属组的不同的金属或者金属合金。

18.一种用于磁脉冲焊接的方法，其特征在于，重复实施前述权利要求之一所述方法，以在所述第一金属片(2)和所述第二金属片(3)之间产生多个冷焊接接头。

19.如权利要求1-3和18之一所述的方法，其特征在于，所述第一金属片(2)和所述第二金属片(3)是车身面板组件、车辆底盘、车辆框架组件或者车辆排气系统的部件。

20.应用如权利要求1-19之一所述的方法来制造车身面板组件、车辆底盘、车辆框架组件或者车辆排气系统的用途。

21.一种用于在第一金属片(2)和第二金属片(3)之间产生冷焊接接头(1)的设备(13)，包括：

支承台(7)，其具有用于支承定位在其上的所述第一金属片(2)和所述第二金属片(3)的部分的支承表面(6)，在所述冷焊接接头(1)的产生过程中所述第一金属片(2)定位在所述第二金属片(3)上，

用于产生磁场脉冲的装置(10)，其与所述支承台(7)的所述支承表面(6)相邻地定位，并适于在大致平行于所述支承台(7)的所述支承表面(6)的方向产生磁场以及适于在大致垂直于所述支承表面(6)的方向产生力，以驱使所述第一金属片(2)的与所述第二金属片(3)间隔开一定距离的附着区域(4)向所述第二金属片(3)移动，以在所述第一金属片(2)的所述附着区域(4)和所述第二金属片(3)之间产生冷焊接接头(1)。

22.如权利要求21所述的设备(13)，其特征在于，所述用于产生磁场脉冲的装置(10)可以在大致垂直于所述支承表面(6)的方向移动。

23.如权利要求21或22所述的设备(13)，其特征在于，所述用于产生磁场脉冲的装置(10)是电磁体。

24.如权利要求23所述的设备(13)，还包括用于所述电磁体的电流供应源。

25.如权利要求23所述的设备(13)，还包括用于提供电流脉冲到所述电磁体的电容器。

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