CN104105567B - 用于固态连接轻质金属的设备 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于固态连接例如铝的轻质金属的设备。该设备采用连续挤出的原理以将金属填料条添加到将待被连接的构件分离的槽内，并剪切变形以在槽内去除表面氧化物。该设备包括终止在驱动心轴头(14)的旋转驱动心轴(13)。形状为圆弧且组成挤出室(16)的槽被机加工形成在驱动心轴头(14)的外表面上，挤出室(16)被包围驱动心轴头(14)的固定的环状金属瓦(17)从外部径向地限制，挤出室(16)被一体式的或可更换的抵接部件(18)所终止以使铝偏离挤出室中的圆形运动而通过模孔(19)。

Description

用于固态连接轻质金属的设备
技术领域
本发明涉及一种用于连接轻质金属构件和合金的设备，尤其是铝构件，包括铝合金以及含有轻质金属(尤其是铝)的混合物/复合材料。该设备采用连续挤出的原理，以向与要被连接的构件分离的槽内添加填料金属条，并且剪切变形以在槽中移除表面氧化物。
背景技术
通常，作为最初为了黑色金属的连接而开发的自适应技术，出现了用于连接金属构件的技术。
金属的连接大量采用熔焊而连接，在熔焊中基体金属和合适的焊料都由电弧、电子束或激光束熔化，以使在结晶过程中在焊池的痕迹部分处实现金属与金属的结合。在熔焊中，施加的能量中仅一部分促使焊接，并且从而促使结合。大部分施加的能量导致基体金属的局部加热及形成围绕焊缝的所谓热影响区(在文献中通常被称作HAZ)。该区域存在一个问题，因为所得到的微观结构的改变导致母材永久的机械降解。因此，焊缝区的该特性将会是工程设计中的限制因素，实际上该特性会决定构件的承载能力。此外，过量施加的能量(即热量)导致在焊缝区中高的残余应力以及整体变形和畸变。这些问题在铝的焊接中比在钢的焊接中更显著，因为在铝的情况中采取必要的预防措施的可能性是更困难的，例如通过调节基体金属的化学成分来改变HAZ的微观结构。
通常，采用更有效的焊接方法(例如激光焊接和电子束焊接)来提供狭窄得多的HAZ，就这一点来说这代表显著的改善。然而，这些技术在熔合区中引入了其他问题，涉及抗热裂纹性和气孔形成。此外，这些技术具有设备更昂贵和较不通用的缺点。而且，由于通常不添加焊料因此公差要求更严格。
在过去，进行了多次尝试以开发用于连接轻质金属的替代技术，其中摩擦焊或已知为搅拌摩擦焊(FSW)的变型可能是最出名的。在FSW中，在旋转的工具沿板材之间的界面(边缘)移动的同时，两个要连接在一起的板材坚固地压在彼此上，以去除氧化层，至少对于铝而言该氧化层通常存在于表面上。即使在旋转工具和基体铝板之间的界面处出现相当大的摩擦加热，但是所施加的能量及从而所产生的热量也少于熔焊中的，因而接头附近的基体金属不会熔化并达到液态。因此，搅拌摩擦焊是固态连接技术的一个示例，其与熔焊相比存在改善，因为减少了若干常见的问题，即高的残余应力和热裂纹的形成、孔的形成以及低的耐腐蚀性。另一方面，这种新技术也被一些缺点所妨害，一个缺点是因为不存在采用焊料的可能性，所以要被连接的表面需要彼此精确地匹配的要求。另一个缺点是要被连接的构件必须要用相当大的力来压在彼此上，这意味着本方法需要重而刚硬的设备。最后，甚至这类的摩擦焊也会造成宽的HAZ的形成，其中所造成的微观组织的改变会导致析出的强化金属的永久软化。
在硬钎焊连接的其他方法中，应该提到铆接和粘接。这些方法中的一个或多个对于一些应用领域而言可能是方便的，但是，通常这些方法具有低的防范失效的安全性，因此在承载或负重结构中它们不是实际可行的替代方案。
在WO03/043773中，描述了一种用于连接例如铝的轻质金属的构件的特殊方法。这种方法基于连续挤出的原理，目标是减少或消除涉及FSW方法和其他现有技术方法的过热的缺点。在WO03/043775中，也主要描述了一种满足要求的设备。尽管这种方法看起来有前景，但是这种方法没有发展到允许其工业使用的水平。
因此，仍然需要一种设备，该设备对基于挤出的铝构件及其他轻质金属构件的工业规模的连接是有用的。
发明内容
发明目标
本发明的目标是提供一种设备，该设备用于基于挤出原理的轻质金属构件的工业规模的连接，因而消除了过热的缺点，使得高的残余应力、变形、热裂纹或腐蚀的特别问题将不是主要的关注点。
最后，目标是提供一种用于轻质金属构件的工业规模的连接的设备，该设备是简单、便宜、可靠和坚固的，并可容易地按比例放大或缩小且可以是自动化的。
本发明涉及特征是权利要求1所述的特点的设备。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。
本设备包括特殊设计的挤出头，该挤出头组成本发明的核心。此外，本设备包括用于轴的驱动设备和马达，本发明还包括用于要被挤出的填料金属条的保持器和给送装置。这些构件可具有任何在现有技术中已知的形式，因此在本文档中不作进一步的描述。
此处所用的术语“轻质金属”应当解释为包括所述轻质金属的合金，尤其是铝及其合金。
所需的结合温度通过利用由变形和摩擦所放出的热量而获得，并且可选择性地结合局部加热，例如电阻加热、感应加热或利用激光束加热的形式。
通过利用根据本发明的设备，填料金属条被添加至要被连接的构件之间的接头(槽)。不需要对构件施加大的力，这使得设备可制成为紧凑且简单的，并且如果需要的话，设备适于便携或自动化的使用。
填料金属条(例如铝)被挤出工艺而增塑，并能容易地穿过模具并填充焊料被引导进入的槽。当尺寸被模孔所固定的焊料进入略较窄的槽时，会发生剪切变形并去除要被连接的构件的氧化层，因此允许要被连接的构件和填料金属条的原子之间形成紧密接触及金属键。因此，在不存在构件的过热及由此产生的缺点的情况下，形成焊接状的结合。即使当对离开模孔的焊料施加局部加热时，对要被连接的构件的加热也是适度的。
附图说明
现将参考附图，以非限制性实施例的形式对本发明进行进一步的描述。其中：
图1是根据本发明的挤出头的实施例的侧截面视图。
图2a和2b分别是在挤出前和挤出过程中挤出室和填料金属条的示意性图示。
图3是图1的挤出头的端截面视图。
图4是根据本发明的挤出头的透视图。
具体实施方式
图1示出了挤出头12，其中可旋转的驱动心轴13是核心元件。在挤出头的下端，驱动心轴13延伸至具有光滑外表15的驱动心轴头14，该表面15通常是截头锥形的，但也可以是柱形的。在驱动心轴头的圆周上机加工有360度的槽，以形成挤出室16的一部分(以下将更加详细地描述)。根据用于填料金属条的入口点16a的位置，实际的挤出室通常可围绕驱动心轴头14的表面15的圆周延伸180度或更多，更通常地大致270度，挤出室16开始于入口点16a并终止于模孔19。因此，挤出室16的形状通常是圆弧而非整个圆，如图3所更好地示出的。
通过如下可有效地形成挤出室16的终点：将分离的抵接部件18布置在与模孔19相邻的槽内，并且优选地以下面将进一步描述的方法在操作过程中牢固地保持在适当的位置处。抵接部件18的功能是使拉过挤出室的增塑化的填料金属条从圆形运动偏离并从模孔19出来。不可避免的是在抵接部件的前部会增加压力，这有利于填料金属条的增塑化，并使填料金属条更容易从模孔19离开挤出头。
从挤出室16从外部径向地布置有固定的金属瓦17，以径向在外部地限制挤出室。金属瓦17面向驱动心轴头14的表面15的表面在围绕挤出室16的区域中以相当于表面15的倾斜度的角度倾斜，以形成总体上紧密的配合。然而，在上述的区域中，优选的是金属瓦17的倾斜度偏离驱动心轴头14的倾斜度，从而避免在金属瓦17和驱动心轴头14之间的接触表面比所需的要大，这将不期望地增加二者之间的摩擦力。因此，优选的是围绕驱动心轴头14的固定环状金属瓦17的内表面与驱动心轴头14的截头圆锥表面或柱形表面如此相适配，使得在挤出室16的两侧处的有限的区域中，金属瓦17的内表面与驱动心轴头14的表面紧密接触。
金属瓦可形成为使抵接部件作为金属瓦的一体化部件，但是抵接部件的磨损会很显著，因此更方便的是将抵接部件18作为分离的、可更换的部件。固定的金属瓦17的金属优选是硬化的合金钢。
非常优选的是(尽管不是必须的)，挤出头设置有用于局部加热模孔19从而减少系统压力进而减少构件磨损的装置。所述用于局部加热的装置可以是电阻加热的形式，优选的是布置成使离开模孔的金属是电路的一部分。其他用于局部加热的装置可以是感应加热的形式，或甚至是局部激光加热的形式。
现在将描述挤出头的功能部件。出于实用目的和安全目的，挤出头由壳体保护，该壳体部分地用于将部件保持在一起，部分地使主要部件不受污物和破损之害，部分地使人员免受伤害。该壳体可包括围绕该可旋转的驱动心轴的环状心轴壳21以及围绕该驱动心轴头14和金属瓦17的环状轴头壳22，心轴壳21和轴头壳22通过螺母23而紧固地附接。优选地，在驱动心轴13和心轴壳21之间设置轴承24(例如黄铜轴承)，以确保挤出头的高刚度和低摩擦。
需要指出的是，文本中所用的术语“上部”和“下部”仅涉及附图，因为挤出头的定向可以是变化的，尽管为了使用挤出头通常会布置成使其基本上竖直地定位，但是出于实用的目的，有利的是挤出头从竖直位置倾斜几度，使得仅模孔口与要被连接的构件接触，要被连接的构件通常布置在挤出头下方的水平面上。
图2a示出了挤出室16的典型且大体上正方形的截面，其中三个壁由驱动心轴头14组成，而第四个壁由金属瓦17组成。同样在图2a中所示的填料金属条26具有大体上圆形的截面，并且直径稍大于挤出室的线性尺寸。图2a描述了在填料金属条进入挤出室之前的截面。
当进入挤出室时，填料金属条被挤出室16的壁挤出，使得填料金属条获得近似方形(如图2b所示)的截面形状。填料金属条的直径选定成使填料金属条26的截面面积稍小于挤出室16的整个面积，因而在挤出室16的角部处会存在小的开口空隙。使填料金属条的直径适应于挤出室的尺寸是重要的实际因素，这需要通过累试法获得。一方面，重要的是填料金属条的直径足够大以提供良好的挤出性，另一方面填料金属条的直径必须不大至使得填料金属条不能进入挤出室。作为尺寸的指示，如果填料金属条26的直径比方形的挤出室的线性尺寸要大7％，则挤出室的截面面积比填料金属条26的截面面积要大10％。
当填料金属条被挤出室16的壁所产生的摩擦力而保持并拉动时，填料金属条被沿移动方向拉动的三个壁包围，同时也被一个固定壁即金属瓦17挤出，该金属瓦施加试图阻碍或对抗该运动的摩擦力。在金属瓦施加的摩擦力不足以使填料金属条的运动停止时，会导致填料金属条的加热及增塑化。因此，从填料金属条26入口16a进入挤出室至模孔19，或多或少会导致填料金属条26的塑性增加。
实际上，金属瓦17在驱动心轴头14的外侧面的配合使得增塑的轻质金属被允许从挤出室稍微“漏出”，该增塑的轻质金属充当互相移动的轴头14和金属瓦17之间的润滑剂。
焊料和合金构件通常选择成使得焊料的性能与要被连接的金属构件的性能相匹配。
图3是图1的挤出头的端部截面视图。在图3中，驱动心轴头14的下部端是可见的，抵接挤出室16、金属瓦17、抵接部件18、模孔19以及轴头壳22也是可见的。
图4是驱动心轴头的透视图，主要的可见元件还是驱动心轴头14、入口16a至挤出室、金属瓦17、心轴壳的上部21和下部22、螺母23以及要被增塑化并用作连接的焊料的填料金属条26。如图4所示，固定的金属瓦17布置在驱动心轴头14的自由、圆形且基本平面侧上。
焊料也可选择性地包括不同的金属和元件以改善机械或电学性能。通常，要用的焊料必须要与基体相容，并且可根据基体金属调节以在连接操作中或在连接操作之后优化性能，例如可挤出性、屈服强度、抗拉强度、韧性、塑性、疲劳强度以及耐腐蚀性。因此，焊料可最初含有不同的要素或相，所已知的是该要素或相能抑制例如由于挤出实践和热处理导致的再结晶并能增强析出，从而在自然时效或人工时效之后恢复额外的强度。除了上述微小的偏差外，化学成分应当与基体金属的化学成分尽可能地接近，以获得所期望的腐蚀性能。
根据本发明的方法主要适于在所有位置处连接能用传统的焊接工艺和方法连接的各类片材、管材以及型材。根据本发明的方法原则上还可作为电阻焊、铆接或其他形式的机械连接的替代方式而应用于片材的点焊(可以与粘接结合)。另一个方面是本方法可借助紧凑、轻质及便宜的设备实行。

Claims (14)

1.一种用于固态连接轻质金属的设备，该设备采用连续挤出原理将填料金属条添加到使待被连接的轻质金属构件分离的槽中，该设备包括终止于驱动心轴头(14)的旋转驱动心轴(13)，其特征在于，形状为圆弧状并且构成挤出室(16)的槽被机加工形成在驱动心轴头(14)的外表面(15)上，挤出室(16)被包围驱动心轴头(14)的固定环状金属瓦(17)从外部径向地限制，挤出室(16)被一体式的或可更换的抵接部件(18)所终止以使填料金属条(26)在挤出室中从其圆形运动转向而从模孔(19)出来。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，固定环状金属瓦(17)中的所述模孔(19)被布置在驱动心轴头(14)的自由、圆形且基本平面侧上。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，驱动心轴头(14)为截头圆锥形或柱形。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在挤出室(16)的两侧上的有限区域中，包围驱动心轴头(14)的固定环状金属瓦(17)的内表面适配于驱动心轴头(14)的截头圆锥形或柱形表面，使得固定环状金属瓦(17)的内表面与驱动心轴头(14)的截头圆锥形或柱形表面紧密接触。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，该设备具有用于将离开模孔(19)的填料金属条(26)和待被连接的构件局部加热的装置(20)。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，该用于局部加热的装置(20)包括用于电阻加热、感应加热的装置或其他焦耳加热的装置，这些装置布置成使要被连接的构件和离开模孔(19)的填料金属条(26)会被加热至给定的温度。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，旋转驱动心轴(13)由布置成在一端附接至固定环状金属瓦(17)的环状心轴壳(21)保护。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括位于旋转驱动心轴(13)和环状心轴壳(21)之间的轴承(24)。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，构成挤出室(16)的槽的宽度精确地适配于要被挤出的填料金属条(26)的直径。
10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，构成挤出室(16)的槽的宽度和深度小于填料金属条(26)的直径，而槽的截面面积略大于填料金属条的截面面积。
11.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，固定环状金属瓦(17)的金属是硬化的合金钢。
12.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，抵接部件(18)被保持在固定环状金属瓦(17)的切口中，该切口使得抵接部件的自由端可容易地修复和更换。
13.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，抵接部件(18)是固定环状金属瓦(17)一体化的部件。
14.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述轻质金属是铝。
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