CN104185531B - 通过摩擦挤压焊接连结两个基本金属片状工件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于连结两个基本金属片状工件(1，2)的方法。在该方法中，工件的要被连结的边缘区域(3，4)相对于工件(1，2)的平面以90°被弯曲，弯曲的边缘区域(3，4)彼此相靠地放置，并且边缘区域(3，4)随后通过相对于边缘区域(3，4)移动的至少一个第一摩擦元件(5)被加热至预定的连结温度，经受特定接触按压力(6)并且在产生变形的同时被连结。

Description

通过摩擦挤压焊接连结两个基本金属片状工件的方法
技术领域
本发明涉及一种通过摩擦挤压焊接连结两个基本金属片状工件的方法。
背景技术
为了金属片状工件或类似的工件的材料粘合连结，熔焊和压焊两种方法都能被使用。
在熔焊方法中，被连接的两个部件的普通熔池利用可选择的另外的填充材料而产生，该填充材料通常为焊条的形式。随后产生池凝固结构。在连结区域中的组件的热负载相当于要被连结的材料的熔化温度。
在压焊方法中，除了通过各种热源加热，例如电阻加热之外，使材料到达软化温度并且通过按压力被按压在一起，从而产生焊接连接。
在已知的摩擦搅拌焊接中，要被连接的材料通过搅拌处理被加热并且在焊接区域中被混合。然而，这种方法仅限于特定的易形变的材料，以及使材料厚度最小化。
在冷压焊中，同样有较软材料和特定材料厚度的限制。
由于在连结区域中的可用于工件的材料的体积非常小，并且由于金属片状物的相邻区域必须避免损坏，薄壁工件的连结，特别是金属片状物的连结需要特定测量。因此，现已经提出在摩擦焊接方法中，在摩擦焊接之前，将薄壁金属管连结至其他物体以加宽金属管的边缘，从而阻止凹口。这在DE3802300C1中被描述。另一种通过EP1236533A1展示的方法，其中接触区域被制成尽可能的与摩擦工具一样大。
发明内容
本发明基于提供一种用于连结两个基本金属片状工件的方法的目的，其具有简单的结构，并且容易以低成本进行应用，需要少量的设备支出并使片状工件能够被可靠地连结。
根据本发明，这个目的通过权利要求1的特征组合实现，从属权利要求显示本发明的进一步的优势的构造。
根据本发明，片状工件的要被连结的边缘区域从各自的工件的平面分别地具有凸缘或以90°被卷边。这样，窄的边缘区域被卷边，尽管要获得的连结焊缝的完成状态下的形式是：两个片状工件被相互对接地连结，并且具有恒定的厚度。因此，在连结焊缝的完成状态中，根据本发明的方法基本上不会引起两个片状工件(假设它们具有相同的厚度)的任何材料增厚。
凸缘用于理解本发明的目的，指的是金属片状物或管的边缘以90°弯曲。因此，边缘的呈直角弯曲通过在连结焊缝的区域中的金属片状部件的工件边缘的倾斜而产生。根据本发明，连结焊缝可以是直的或弯曲的。在任何情况中，从片状工件的平面抬起的边缘是通过凸缘或卷边形成。
在根据本发明的方法中，要被连结的边缘区域随后彼此相靠地放置，从而被定位。随后，边缘区域通过摩擦元件被加热到预定的连结温度并且因此受到按压压力。摩擦元件设置成相对于边缘区域相对移动。通过摩擦热，边缘区域被加热并因此被塑化。通过摩擦元件施加的垂直于工件的中心平面的按压压力因此按压在卷边或具有凸缘的边缘区域上，从而引起边缘区域的材料的卷边，并因此导致边缘区域被压平。卷边或具有凸缘的边缘区域的材料因此作为连接工件的连结材料。
根据本发明，摩擦元件的端面被按压在卷边或具有凸缘的边缘区域上；与现有技术相反，其不是位于具有凸缘的边缘或卷边的弯曲边缘区域之间的。
在本发明的一种特别有利的构造中，摩擦元件相对于边缘区域的相对移动通过摩擦元件的旋转和/或转动和/或摆动而产生的。这种相对移动产生连结所需要的摩擦热。另外，相对移动可以通过摩擦元件沿着边缘区域的纵向移动而产生，以产生长的连结焊缝。
因此，本发明适合于连结相对长的边缘区域以形成相对长的连结焊缝，并且适合于在特定点处或被限制的空间位置处连接工件。因此，也可以通过根据本发明的摩擦焊接方法产生点焊连接。在这种情况下，要被连结的具有凸缘或卷边的边缘区域相对地变短，不论是在直线方向上或以圆形或部分圆形的区域的形式。
基于连结参数，特别是基于工件的几何形状和材料，有利地，可以根据本发明的方法进行改进：通过外部热源另外加热边缘区域，或者通过另外的摩擦元件加热它们，该另外的摩擦元件在前述的第一摩擦元件的纵向移动期间在第一摩擦元件之前移动。在通过外部热源加热的情况中，电阻加热、感应加热、通过火焰加热(气体火焰)、热气、激光、电弧、电子束、等离子流、或类似闪光对焊的隐燃接触都可被使用。
为了产生具有基本与工件厚度相同的光滑的、没有凸起的连结焊缝，有利地，可以通过光滑处理元件在热的状态下使连结的边缘区域变光滑。光滑处理元件可以同样地相对于边缘区域相对移动，类似于沿着纵向焊缝移动的滚动体或旋转销的方式。
在本发明的优选的构造中，以杆或滚动体或卷状物的形式的元件用作第一摩擦元件和/或另外的摩擦元件和/或光滑处理元件。如果以杆的形式的元件被使用，并且其转动轴线被布置成与工件的中心平面垂直；有利地，以杆的形式的元件的端面被倒角或设置有弧形边。
根据本发明，相对移动也可由第一摩擦元件的摆动移动产生。
为了连结非常薄壁的片状工件或为了连结几何形状不准确或不精确的边缘区域，有利地，例如以线的形式的至少一种填充材料在连结操作之前或期间被导入边缘区域之间。
为了操作厚的工件，有利地，除了第一摩擦元件之外，第二摩擦元件设置在工件的后侧，不但具有支撑的功能，还具有另外的摩擦功能。
根据本发明，已经发现特别地如果摩擦元件被成形为滚动体或轮将是非常有利的，因为这允许给予增强的相对移动，以塑化焊缝的区域。
根据本发明的方法的优点有：
—不需要使用填充材料。
—比熔焊方法更少的热影响。
—平头对接产生具有较小的力波动。
—少的设备支出。
—通过高转速或摩擦元件与工件之间的高相对速度和可选择的另外导入的热源，能够实现高的焊接速率。
—焊缝能够被制成具有光滑表面，结果，焊缝没有凹口；没有必要如其他方法中产生重叠焊接，因此节省了材料。
—能够用于许多材料，甚至那些难于焊接的材料，例如Al或Cu。
—通过卷边操作产生细粒度的焊接结构。
—不需要屏蔽气体。
—呈现的氧化膜通过摩擦处理容易地被去除。
—不需要防止电弧或激光辐射的保护措施。
—因为没有液态熔池，可以有不适当位置的焊接而不产生任何问题。
附图说明
下文将基于示范性的实施例并结合附图描述本发明，其中：
图1是显示具有凸缘并且被定位的两个工件的示意性侧视图；
图2是显示类似于图1的应用第一摩擦元件的侧视图；
图3是显示图1和图2的在连结操作期间的情况的侧视图；
图4是显示类似于图3的以滚动体或盘的形式的摩擦元件的侧视图；
图5是显示根据图3的情况的平面图；
图6是显示类似于图5的具有根据图4的以盘的形式的摩擦元件的平面图；
图7是显示类似于图3的具有另外的热源和光滑处理元件的侧视图；
图8是显示在特定点处的连结的侧视图；
图9是显示具有填充材料的侧视图；
图10是显示类似于图9的具有带轮廓的摩擦元件的示范性的实施例的示意性侧视图；和
图11是显示类似于图10的另一个工作情况的视图。
具体实施方式
图1显示两个片状工件1和2，其被设置成彼此邻近并且其要被连接的边缘区域3、4具有凸缘、被弯曲或被卷边。可以看到，被卷边的边缘区域3、4与工件1、2的各自的中心平面12基本上垂直地延伸。根据本发明，该边缘区域可以具有不明显的凸缘，因此凸缘角度可以是90°以下。
图2显示了方法的下一个步骤，其中第一摩擦元件5放置在边缘区域3、4上。在这种情况下，第一摩擦元件5为杆的形式，其端面被倒圆角并且绕旋转轴线13转动，以产生所需要的摩擦热。另外，通过按压压力或按压力6进行按压。可以看到，按压力6与中心平面12垂直地被施加，因此其在边缘区域3、4的方向上被施加。这样导致对边缘区域3、4的材料的挤压并加热到塑化温度，如图3的侧视图中所示。第一摩擦元件5通过纵向移动在前进方向7上移动，还绕旋转轴线13旋转，以产生延伸的连结焊缝。
图4显示了以盘的形式的摩擦元件5的构造变形，其绕转动轴线14转动，转动轴线14被布置在平行于中心平面12的平面中。按压力6被同样地施加。以盘的形式的摩擦元件在前进方向7上移动。由于绕转动轴线14的适当的高转速，摩擦元件5和边缘区域3、4之间发生相对运动，因此摩擦元件5不是沿着边缘区域3、4滚动，而是旋转地移动。
图5显示了图3的表示完成的连结焊缝10的情况的平面图。显而易见的是，连结焊缝10的厚度等于工件1、2的材料厚度。
在图6中，表示图4的情况被显示在平面图中。
在图7中，另外的热源8被示意性地显示，其在边缘区域3、4与第一摩擦元件5接触之前另外地加热边缘区域3、4。
在前进方向7上，光滑处理元件9布置在第一摩擦元件5的后面，其对使完成的连结焊缝10变光滑。光滑处理元件9同样经历相对移动；它也可形成为滚动的滚动体或相似的形式。按压力6也可施加在光滑处理元件9上。
在上文描述的示范性的实施例的情况中，连结焊缝为纵向焊缝的形式，而图8显示类似图4的基本上在特定点处具有凸缘的视图。这是由于工件1、2的有界限的小区域的适当卷边而产生的。
图9显示了另外的构造变形，其中例如以线的形式的填充材料11放置在工件1和2之间的连结区域中，以增加另外的材料。
为了较厚的片状物1、2的焊接，并且在焊缝的下面获得片状物1、2的好的焊接，可以在焊接位置处从上方和下方利用两个摩擦元件5进行作业。这导致填充材料与片状物1、2的更好的连接。通过两个摩擦元件，材料被塑化，并且该材料在挤压焊缝中被焊接到片状物的边缘。第二摩擦元件同时具有支撑的功能和摩擦给予并卷边的功能。
图10显示了示范性的实施例，其中使用了以滚动体或卷形物的形式的摩擦元件5，并设定绕转动轴线14旋转。摩擦元件5的中间区域凹进地形成，因此具有较小直径的环形区域。在上文描述的连结操作情况中，可以使连结焊缝10变厚，因此实现焊缝加固。这样可以通过增加的凸缘而被加强。图10中显示的视图是与图5类似的截面图，因此图10只显示完成的连结焊缝10。
图11显示了与图10类似的当摩擦元件5放置在卷边或具有凸缘的边缘区域3、4上，为了产生图10所示的连结焊缝10时的情况。
根据本发明，要被焊接的两个片状物因此在它们的连结位置具有凸缘，在凸缘处被对接在一起，并且通过使以盘或杆的形式的摩擦元件旋转或摆动经由摩擦和可选择的另外的热源被软化，并且通过按压力连接以形成挤压焊缝。
优选地，以杆的形式的摩擦元件的端面被倒角或设置有弧形边，从而卷边的材料能够被更容易地连结。
优选地，以盘的形式的摩擦元件在前进方向上以同向旋转的方式移动，但也能以反向旋转的方式移动。
优选地，连结位置的凸缘和凸缘的角度使得在随后的摩擦给予和挤压过程中变形的材料填充连结间隙，用这种方式来产生平面。
通过摩擦元件相对于工件的相对速度能够影响加热。
为了增加焊接速度并且焊接较厚的材料，有利地，焊接位置前方的材料通过另一个外部热源被另外地预热。
为此，下面的热源获得考虑：另外使用的前摩擦元件和/或电阻加热、感应加热、气体火焰、热气、激光、电弧、电子束、等离子流、闪光对焊中的隐燃接触等等。
有利地，焊缝随后通过第二摩擦元件或滚动操作优选地在仍然温和的状态中变光滑。这是通过以杆的形式的第二摩擦元件在与第一摩擦元件相反的方向上旋转来执行的。
在第二摩擦元件为盘的形式的情况中，光滑处理操作可以相对于前进方向同向旋转和反向旋转。
参考数字列表
1、2 工件
3、4 边缘区域
5 第一摩擦元件
6 按压压力/按压力
7 纵向移动/前进方向
8 热源
9 光滑处理元件
10 连结焊缝
11 填充材料/线
12 中心平面
13 旋转轴线
14 转动轴线

Claims (12)

1.一种用于连结两个基本金属片状工件(1，2)的方法，其特征在于，所述工件的要被连结的边缘区域(3，4)从各自的工件(1，2)的平面以90°被卷边，卷边的所述边缘区域(3，4)彼此相靠地放置，并且所述边缘区域(3，4)随后至少通过第一摩擦元件(5)相对于所述边缘区域(3，4)的相对移动被加热到预定的连结温度，并且经受按压压力(6)并在产生变形的同时被连结，所述第一摩擦元件的端面被按压在卷边的所述边缘区域(3，4)上，并且从上方看时，所述第一摩擦元件的端面尺寸至少是所述边缘区域(3，4)的宽度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一摩擦元件(5)的所述相对移动通过沿着所述边缘区域(3，4)的旋转和/或转动和/或摆动和/或纵向移动而被应用。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了将要被连结的所述边缘区域(3，4)加热到所述连结温度，另外的摩擦元件被应用到所述边缘区域并且在所述第一摩擦元件(5)之前相对于所述边缘区域移动，其中，以杆的形式的元件，或者以滚动体或卷状物的形式的元件被用作所述另外的摩擦元件。
4.如权利要求1至2中任意一项所述的方法，其特征在于，为了将要被连结的所述边缘区域(3，4)加热到所述连结温度，所述边缘区域(3，4)通过外部热源(8)被加热。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述边缘区域(3，4)通过电阻加热、感应加热、气体火焰、热气、激光、电弧、电子束、等离子流和/或隐燃接触被加热。
6.如权利要求1至2中任意一项所述的方法，其特征在于，连结的所述边缘区域(3，4)通过光滑处理元件(9)在热的状态下变光滑，所述光滑处理元件相对于所述边缘区域(3，4)进行相对移动，其中，以杆的形式的元件，或者以滚动体或卷状物的形式的元件被用作所述光滑处理元件。
7.如权利要求1至2中任意一项所述的方法，其特征在于，以杆的形式的元件，或者以滚动体或卷状物的形式的元件被用作所述第一摩擦元件(5)。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述以杆的形式的元件具有端面，所述端面被倒角或设置有弧形边，并且与所述边缘区域(3，4)相靠地放置。
9.如权利要求1至2中任意一项所述的方法，其特征在于，所述第一摩擦元件(5)以相对于所述边缘区域(3，4)旋转或摆动的相对移动和沿着所述边缘区域(3，4)的纵向移动(7)而移动。
10.如权利要求1至2中任意一项所述的方法，其特征在于，所述边缘区域(3，4)形成为直的或弯曲的。
11.如权利要求1至2中任意一项所述的方法，其特征在于，以线的形式的至少一个填充材料(11)在连结操作之前或期间被布置在所述边缘区域(3，4)的区域中。
12.如权利要求1至2中任意一项所述的方法，其特征在于，所述摩擦元件通过另一个摩擦元件被支撑在所述工件(1，2)的后侧。
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