CN106256472A - 摩擦焊接 - Google Patents

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Abstract

一种包括第一部件和第二部件的摩擦焊接。第一部件包括具有一个或多个凹槽的接合表面。第二部件包括配置成与第一部件的接合表面配合的表面。当两个表面配合在一起并且第一部件和第二部件之间的相对运动通过两个部件之间的机械摩擦产生热量时，第一部件的接合表面和第二部件的表面形成摩擦焊接。

Description

摩擦焊接
相关申请
本申请要求2015年6月22日提交的美国临时专利申请序号62/182983的权益，其全部内容作为参考并入本文。
技术领域
本公开内容涉及焊接。更具体地，本公开涉及一种摩擦焊接。
背景技术
这部分的说明仅提供涉及本公开的背景信息，并且可构成或不构成现有技术。
在一种典型的机动车辆中，特定部件被焊接到一起。一些焊接包括由不同合金制成的部件。例如，较轻合金(如铝或镁)可与较重合金(如钢)结合。由于这些合金之间的物理和冶金性能差异，所以接头强度可能不够强硬以用于特定应用。特别地，由于使用具有不同性能合金产生的焊接接头中的易碎金属间化合物的形成和高残留应力会限制接头强度。
因此，需要一种焊接，其在较高接头强度的情况下将具有不同冶金和物理性能的合金结合。
发明内容
在一个方面中，焊接包括第一部件和第二部件。第一部件包括具有一个或多个凹槽的接合表面。第二部件包括配置成与第一部件的接合表面配合的表面。当两个表面配合在一起并且第一部件和第二部件之间的相对运动通过两个部件之间的机械摩擦产生热量时，第一部件的接合表面和第二部件的表面形成摩擦焊接。
在另一方面中，具有第一部件和第二部件的组件包括在第一部件上的具有一个或多个凹槽的接合表面，和在第二部件上的与第一部件的接合表面配合的表面。当两个表面配合到一起并且第一部件和第二部件之间的相对运动通过两个部件之间的机械摩擦产生热量时，第一部件的接合表面和第二部件的表面形成摩擦焊接。
上述方面中的任一方面还包括一个或多个下列特征：一个或多个凹槽具有深度d；一个或多个凹槽是复数个凹槽；复数个凹槽中的每一个具有相同深度d；复数个凹槽中的每一个具有不同深度d；复数个凹槽中的每一个具有相同宽度w；复数个凹槽中的每一个具有不同宽度w；接合表面的特征在于内角α和外角β；内角α在0°至约45°之间，并且外角β在0°至约45°之间；以及接合表面包括一个或多个径向槽口。
在又一方面中，具有通过摩擦焊接结合在一起的第一部件和第二部件的组件包括在第一部件上的具有复数个凹槽的接合表面，以及在第二部件上的与第一部件的接合表面配合的具有复数个凹槽的接合表面。当两个表面配合到一起并且第一部件和第二部件之间的相对运动通过两个部件之间的机械摩擦产生热量时，第一部件的接合表面和第二部件的接合表面形成摩擦焊接。这个方面的特征还可以在于以下特征：第一表面上和第二表面上的复数个凹槽中的每一个具有相同深度d，并且第一表面上和第二表面上的复数个凹槽中的每一个具有相同宽度d。
本发明包括下列方案：
1.一种摩擦焊接界面设备包括：
具有接合表面的第一部件，接合表面具有一个或多个凹槽；和
具有与第一部件的接合表面配合的表面的第二部件，
其中当两个表面配合到一起并且第一部件和第二部件之间的相对运动通过两个部件之间的机械摩擦产生热量时，第一部件的接合表面和第二部件的表面形成摩擦焊接。
2.如方案1所述的摩擦焊接界面设备，其中所述一个或多个凹槽具有深度d。
3.如方案2所述的摩擦焊接界面，其中所述一个或多个凹槽是复数个凹槽。
4.如方案3所述的摩擦焊接界面，其中所述复数个凹槽中的每一个具有相同深度d。
5.如方案3所述的摩擦焊接界面，其中所述复数个凹槽中的每一个具有不同深度d。
6.如方案3所述的摩擦焊接界面，其中所述复数个凹槽中的每一个具有相同宽度w。
7.如方案3所述的摩擦焊接界面，其中所述复数个凹槽中的每一个具有不同宽度w。
8.如方案1所述的摩擦焊界面，其中所述接合表面的特征在于内角α和外角β。
9.如方案8所述的摩擦焊接界面，其中所述内角α在0°至约45°之间，并且所述外角β在0°至约45°之间。
10.如方案1所述的摩擦焊接界面，其中所述接合表面包括一个或多个径向槽口。
11.具有第一部件和第二部件的组件，包括：
在第一部件上的具有一个或多个凹槽的接合表面；和
在第二部件上的与第一部件上的接合表面配合的表面，
其中当两个表面配合到一起并且第一部件和第二部件之间的相对运动通过两个部件之间的机械摩擦产生热量时，第一部件的接合表面和第二部件的表面形成摩擦焊接。
12.如方案11所述的组件，其中所述一个或多个凹槽是复数个凹槽。
13.如方案12所述的组件，其中所述复数个凹槽中的每一个具有相同深度d。
14.如方案12所述的组件，其中所述复数个凹槽中的每一个具有不同深度d。
15.如方案12所述的组件，其中所述复数个凹槽中的每一个具有相同宽度w。
16.如方案12所述的组件，其中所述复数个凹槽中的每一个具有不同宽度w。
17.如方案11所述的组件，其中所述接合表面的特征在于内角α和外角β。
18.如方案11所述的组件，其中所述接合表面包括一个或多个径向槽口。
19.具有通过摩擦焊接结合到一起的第一部件和第二部件的组件，所述组件包括：
在第一部件上的具有复数个凹槽的接合表面；和
在第二部件上的具有复数个凹槽的接合表面，第二部件的接合表面与第一部件的接合表面配合，
其中当两个表面配合到一起并且第一部件和第二部件之间的相对运动通过两个部件之间的机械摩擦产生热量时，第一部件的接合表面和第二部件的接合表面形成摩擦焊接。
20.如方案19所述的组件，其中第一表面上和第二表面上的复数个凹槽中的每一个具有相同深度d，并且第一表面上和第二表面上的复数个凹槽中的每一个具有相同宽度d。
进一步的特征、优点和应用领域从本文提供的描述将变得明显。应当理解，描述和特定实例仅意图用于说明目的，而不意图限定本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅用于说明目的，而不意图用来以任何方式限制本公开的范围。图中的部件不必按比例，相反重点置于说明本发明的原理。而且，在图中，贯穿全部视图相同的附图标记指代相应部件。在图中：
图1A是转动的摩擦焊接系统的示意图；
图1B是用图1A所示的系统焊接到一起的两个部件的侧视图；
图2A是利用根据本发明原理的转动的摩擦焊接结合在一起的两个部件的侧视图；
图2B是根据本发明原理的图2A中所示的两个部件之间焊接的特写视图；
图2C是根据本发明原理的图2A中所示的部件之一的透视图；
图2D是根据本发明原理的图2C中所示的部件的接合表面的特写视图；
图2E是根据本发明原理的图2D中所示的接合表面的截面图；
图3A是利用根据本发明原理的另一转动的摩擦焊接结合在一起的两个部件的侧视图；
图3B是根据本发明原理的图3A中所示的两个部件之间的焊接的特写视图；
图3C是根据本发明原理的图3A中所示的部件之一的透视图；
图3D是根据本发明原理的图3C中所示的部件的接合表面的特写视图；
图3E是根据本发明原理的图3D中所示的接合表面的截面图；
图4A是根据本发明原理的具有接合表面的部件透视图；以及
图4B是根据本发明原理的图4A中所示的接合表面的特写视图。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的并且并不意图限制本公开、应用或用途。
现在参考附图，在图1A中用10示出转动的摩擦焊接系统。系统10包括转动回转卡盘16的电机12。制动器14被用来控制回转卡盘16的转动速度。系统10还包括联接到液压缸24的非转动卡盘18。
系统10在使用时，回转卡盘16保持第一工件或部件20，并且非回转卡盘18保持第二工件或部件22。第一和第二工件由不同材料制造。例如，在某些设置中，第一工件20为钢齿轮以及第二工件22为铝离合器壳。
电机12旋转回转卡盘16，并因此以高转动速率旋转第一工件20。当第一工件20以适当速度旋转时，液压缸24移动非回转卡盘18，并因此使第二工件22沿箭头26方向朝向第一工件20移动。因此，两个工件20和22在压力下被推动在一起以形成如图1B所示的将两个工件结合在一起的摩擦焊接。旋转被停止以允许焊接建立。传统摩擦焊接系统中，不同合金间物理和冶金性能差异导致弱化的焊接。尤其是，易碎的金属间化合物的生成(例如像Al5Fe2、Al2Fe、FeAl、Fe3Al和Al6Fe)和高残留应力限制了两个工件间的结合强度。
现在转向图2A和2B，显示了根据本发明原理的第一工件120和第二工件122之间形成的摩擦焊接124。两个工件通常由不同材料制造。例如，第一工件120可由钢制造，而第二工件122可由铝或镁制造。而且，第一工件120可以是如图2C所示的具有一组轮齿126的齿轮。
进一步参考图2D和2E，第一工件120包括与第二工件122的对应表面配合的接合表面128，接合表面128具有一组凹槽130。该组凹槽130可以仅仅是一个凹槽或者是复数个凹槽。在图2C、2D和2E显示的例子中，该组凹槽130包括4个凹槽。每个凹槽都具有深度d和宽度w。每个凹槽的深度可以是相同的或者它们可以都不相同。每个凹槽的宽度可以是相同的或者它们都不相同。在不同的设置中，凹槽深度d可在0至约3mm之间，并且宽度w可是在约0.2至2mm之间。接合表面128的特征在于内角α和外角β。内角α可在0°至约45°之间变化，并且外角β也可在0°至约45°之间变化。
在第一工件120和第二工件122通过旋转摩擦焊接工艺结合在一起时，第二工件122的较软的合金被推入第一工件120的凹槽130内。通过增加结合面积、通过更好的应力分布减少残留应力以及除两种合金的冶金接合以外增加工件间的机械接合，凹槽130的使用提高了工件120、122之间界面处的焊接124的接头强度。注意的是，第二工件122还可包括带有凹槽的接合表面，其与第一工件120的接合表面128配合。第二工件122的接合表面可以是带角度的或不带角度的。
现在参考图3A和3B，显示了根据本发明原理的第一工件220和第二工件222之间形成的摩擦焊接224。这两个工件通常由不同材料制造。例如，第一工件220可由钢制造，而第二工件222可由铝或镁制造。而且，第一工件220可以是如图3C所示的具有一组轮齿226的齿轮。
进一步参考图3D和3E，第一工件220包括与第二工件222的对应表面配合的接合表面228，接合表面228具有一组凹槽230。该组凹槽230可以仅仅是一个凹槽或者是复数个凹槽。在图3C、3D和3E显示的例子中，该组凹槽230包括4个凹槽。每个凹槽都具有深度d和宽度w。每个凹槽的深度可以是相同或者它们可以都不相同。每个凹槽的宽度可以是相同或者它们可以都不相同。不同设置中，凹槽深度d可是在0至约3mm之间，而宽度w可是在约0.2至2mm之间。接合表面128的特征在于平坦表面。
在第一工件220和第二工件222通过旋转摩擦焊接工艺结合在一起时，第二工件222的较软的合金被推入第一工件220的凹槽230内。通过增加结合面积、通过更好的应力分布减少残留应力以及除两种合金的冶金接合以外增加工件间的机械接合，凹槽230的使用提高了工件220、222之间界面处的焊接224的接头强度。注意的是，第二工件222还可包括带有凹槽的接合表面，其与第一工件220的接合表面228配合。
现在参考图4A和4B，显示了根据本发明原理的具有接合表面328的另一个工件320。工件320可以是具有一组轮齿326的齿轮。
工件320包括具有一组凹槽330的接合表面328，其与第二工件(类似于前述任一个第二工件)的对应表面配合。该组凹槽330可以仅仅是一个凹槽或者是复数个凹槽。该组凹槽330的每个凹槽都具有如前所述的深度d和宽度w。每个凹槽的深度可以是相同或者它们可以都不相同。每个凹槽的宽度可以是相同的或者它们可以都不相同。接合表面328还包括径向槽口332，这能增强工件320与对应的第二工件的结合。
当工件320和第二工件通过旋转摩擦焊接工艺结合在一起时，第二工件较软的合金被推入工件320的凹槽330和径向槽口332内。通过增加结合面积、通过更好的应力分布减少残留应力以及除两种合金的冶金接合以外增加工件间的机械接合，凹槽330和径向槽口332的使用提高了两个工件之间界面处的焊接的接头强度。注意的是，接合表面320可具有带角度的表面，如上述接合表面120或接合表面220的那些表面。
本发明的描述实质上仅是示例性的，并且不脱离本发明主旨的变型意图在本发明的范围内。这些变型并不被认为脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种摩擦焊接界面设备包括：
具有接合表面的第一部件，接合表面具有一个或多个凹槽；和
具有与第一部件的接合表面配合的表面的第二部件，
其中当两个表面配合到一起并且第一部件和第二部件之间的相对运动通过两个部件之间的机械摩擦产生热量时，第一部件的接合表面和第二部件的表面形成摩擦焊接。
2.如权利要求1所述的摩擦焊接界面设备，其中所述一个或多个凹槽具有深度d。
3.如权利要求2所述的摩擦焊接界面，其中所述一个或多个凹槽是复数个凹槽。
4.如权利要求3所述的摩擦焊接界面，其中所述复数个凹槽中的每一个具有相同深度d。
5.如权利要求3所述的摩擦焊接界面，其中所述复数个凹槽中的每一个具有不同深度d。
6.如权利要求3所述的摩擦焊接界面，其中所述复数个凹槽中的每一个具有相同宽度w。
7.如权利要求3所述的摩擦焊接界面，其中所述复数个凹槽中的每一个具有不同宽度w。
8.如权利要求1所述的摩擦焊界面，其中所述接合表面的特征在于内角α和外角β。
9.具有第一部件和第二部件的组件，包括：
在第一部件上的具有一个或多个凹槽的接合表面；和
在第二部件上的与第一部件上的接合表面配合的表面，
其中当两个表面配合到一起并且第一部件和第二部件之间的相对运动通过两个部件之间的机械摩擦产生热量时，第一部件的接合表面和第二部件的表面形成摩擦焊接。
10.具有通过摩擦焊接结合到一起的第一部件和第二部件的组件，所述组件包括：
在第一部件上的具有复数个凹槽的接合表面；和
在第二部件上的具有复数个凹槽的接合表面，第二部件的接合表面与第一部件的接合表面配合，
其中当两个表面配合到一起并且第一部件和第二部件之间的相对运动通过两个部件之间的机械摩擦产生热量时，第一部件的接合表面和第二部件的接合表面形成摩擦焊接。
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