CN106715020A - 接合单元、磁性旋转电弧接合方法以及制造接合单元的方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种能够以简单的配置抑制接合缺陷产生的磁性旋转电弧接合方法以及抑制接合缺陷的接合单元。接合单元(10)包括第一金属管(21)、第二金属管(22)以及接合部分(包括接合界面(11)的区域)，在该接合部分处第一金属管和第二金属管的端面彼此接合。在接合部分处形成朝向外周侧突出的外周焊珠部分和朝向内周侧突出的内周焊珠部分(13)。在从第一金属管(21)朝向第二金属管(22)的方向上外周焊珠部分的宽度(磨削部分(12)的宽度(L1))与内周焊珠部分(13)的宽度(L2)之间的距离等于或小于外周焊珠部分的宽度(L1)和内周焊珠部分(13)的宽度(L2)的平均值的40％。
Description
技术领域
本发明涉及一种接合单元、磁性旋转电弧接合方法以及制造接合单元的方法，更具体地，涉及金属管的接合单元、磁性旋转电弧接合方法以及制造接合单元的方法。
背景技术
磁性旋转电弧接合方法通常是已知的(例如，参见日本专利公开第6-55267号)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开第6-55267号
发明内容
技术问题
在上述磁性旋转电弧接合方法中，压焊的必要条件是钢管端面应该通过电弧均匀地熔融。遗憾的是，在常规的磁性旋转电弧接合方法中，特别是当管具有大直径、或是管具有厚壁时，钢管端面的熔融状态可能会不均匀，有时会引起接合缺陷。
为了防止这种接合缺陷，上述日本专利特开平第6-55267号公开了一种方法，其中彼此相对设置的管的端面(接合部分)的外周边被诸如气体燃烧器这样的加热装置所围绕，并且在电弧开始之前，预先用加热装置加热接合部分。但是，这种加热装置的设置使得接合装置的结构复杂化，并且增加了接合方法的成本。
本发明是为了解决上述问题而作。本发明的目的是提供一种能够以简单的配置来抑制接合缺陷的产生的磁性旋转电弧接合方法、接合缺陷的产生得到抑制的接合单元以及制造接合单元的方法。
在上述磁性旋转电弧接合方法中，要通过电弧接合的两根钢管的端面被均匀地使用，在该时刻，钢管中的一个被压焊到另一根钢管上，由此使得钢管被彼此接合以获得接合单元。在这种情况下，待接合的端面中的熔融层被过冷却，以在接合界面处产生树枝状结构。该树枝状结构具有比钢管的接合界面附近以外的区域(例如，钢管的基底金属和热影响区)弱的强度，并且可引起诸如裂纹的缺陷。因此，接合单元中的包括接合界面在内的接合部分的强度不足。
本发明为了解决上述问题而作。本发明的目的是获得一种磁性旋转电弧接合方法、接合单元以及制造该接合单元的方法，通过上述磁性旋转电弧接合方法，可在接合单元中形成具有足够强度的接合部分，上述接合单元具有足够强度的接合部分。
解决技术问题所采用的技术手段
根据本发明的实施例的接合单元包括第一金属管、第二金属管以及接合部分，在该接合部分处第一金属管和第二金属管的端面彼此接合。在接合部分处形成朝向外周侧突出的外周焊珠部分和朝向内周侧突出的内周焊珠部分。在从第一金属管朝向第二金属管的方向上的外周焊珠部分的宽度与内周焊珠部分的宽度之间的差值等于或小于外周焊珠的宽度和内周焊珠部分的宽度的平均值的40％。
根据本发明实施例的磁性旋转电弧接合方法包括制备第一金属管和第二金属管的步骤、预热步骤、主加热步骤以及接合步骤。在预热步骤中，通过在端面被设置成相对于彼此的状态下在第一金属管和第二金属管的端面之间产生电弧放电，以及在端面之间施加磁场以在端面之间使电弧放电的位置移动，来进行预热，直到在距第一金属管和第二金属管的端面2mm的位置处的温度达到预热温度。在主加热步骤中，通过在第一金属管和第二金属管的端面之间产生电弧放电，以及在端面之间施加磁场以在端面之间使电弧放电的位置移动，来进行主加热，直到在距第一金属管和第二金属管的端面2mm的位置处的温度达到接合温度。在接合步骤中，在主加热步骤之后，将端面彼此对接并彼此接合。
根据本发明的实施例的接合单元包括第一金属管、第二金属管以及接合部分，在该接合部分处第一金属管和第二金属管的端面彼此接合。在接合部分中的第一金属管和第二金属管之间的接合界面中的、位于第一金属管和第二金属管的外周表面的内侧且位于第一金属管和第二金属管的内周表面的外侧的区域内，不存在枝晶层。
根据本发明实施例的磁性旋转电弧接合方法包括制备第一金属管21和第二金属管22的步骤(S10)、主加热步骤(S30)以及接合步骤(S40)。在主加热步骤(S30)中，在第一金属管21和第二金属管22的端面之间产生电弧放电，并且在端面之间施加磁场，以在端面之间使电弧放电的位置移动，由此进行主加热，直到在距第一金属管21和第二金属管22的端面2mm的位置处的温度达到接合温度(图8的(D)中的温度T3)。在接合步骤(S40)中，在主加热步骤(S30)之后，将端面彼此对接并彼此接合。在接合步骤(S40)中，在将端面彼此对接时的第一金属管21相对于第二金属管22的相对压焊速度为20mm/s以上。
根据本发明的实施例的制造接合单元的方法使用上述磁性旋转电弧接合方法。通过这样，可获得包括具有足够强度的接合部分的接合单元10。
发明效果
根据前述内容，可获得其中抑制接合缺陷的发生的接合单元。另外，根据前述内容，可获得包括具有足够强度的接合部分的接合单元。
附图说明
图1是本实施例的接合单元的透视图。
图2是沿图1中的线II-II截取的剖视图。
图3是示出本实施例的磁性旋转电弧接合方法的图。
图4是比较例的接合单元的剖视图。
图5是根据本实施例的接合单元的剖视图。
图6是示出根据本实施例的磁性旋转电弧接合方法的流程图。
图7是示出用于执行根据本实施例的磁性旋转电弧接合方法的接合装置的实例的图。
图8是示出根据本实施例的磁性旋转电弧接合方法的时序图。
图9示出根据本实施例的磁性旋转电弧接合方法所应用的接合单元的样品的照片。
图10示出图9中所示的样品的结构照片。
图11示出比较例的接合单元的样品的照片。
图12示出图11中所示的样品的结构照片。
具体实施方式
下面将结合附图描述本发明的实施例。需注意，在下面描述的附图中，相同或对应的部分用相同的附图标记表示，并且将不重复其描述。
<接合单元的配置>
参考图1和图2,将描述根据本实施例的接合单元。参考图1，通过利用磁性旋转电弧接合方法将第一金属管21和第二金属管22接合，来形成接合单元10。也就是说，接合单元10包括第一金属管21、第二金属管22以及包括接合界面11的接合部分，第一金属管21和第二金属管22的端面在上述接合界面11处彼此接合。在接合部分处形成朝向外周侧突出的外周焊珠部分(未示出)和朝向内周侧突出的内周焊珠部分。通过磨削除去外周焊珠部分。通过磨削除去外周焊珠部分后的部分用磨削部分12示出。在接合部分的接合界面11处，在第一金属管21和第二金属管22的外周表面的内侧以及第一金属管21和第二金属管22的内周表面的外侧的区域内不存在枝晶层15。这样，由于在第一金属管21和第二金属管22的厚度方向上的中心部分附近不存在枝晶层15，因此，能够充分地增加接合部分的强度。
如图2中所示，在接合单元10中，在从第一金属管21朝向第二金属管22的方向上，外周焊珠部分的宽度(即，磨削部分12的宽度L1)与内周焊珠部分13的宽度L2之间的差值(L1-L2的绝对值)等于或小于外周焊珠部分的宽度(磨削部分12的宽度L1)和内周焊珠部分的宽度L2的平均值((L1+L2)/2)的40％。通过这样，在位于接合部分处的第一金属管21和第二金属管22的内周侧和外周侧之间的焊珠部分的宽度差足够小，并且内周侧和外周侧之间的接合部分的接合状态没有显著差异。因此，在接合单元10中确保接合部分的坚固性。
在这里，在图2所示的截面中，内周焊珠部分13的宽度L2是内周焊珠部分13开始从位于接合单元10处的第一金属管21和第二金属管22的内周表面突出的位置(边界点14a与边界点14b)之间的距离。类似地，外周侧上的磨削部分12的宽度L1对应于外周焊珠部分开始从第一金属管21和第二金属管22的外周表面突出的位置之间的距离。
在上述接合单元10中，接合单元10的材料可以是任何金属材料。例如，可使用用于机械结构的碳钢。在上述接合单元10中，第一金属管21和第二金属管22各自具有10mm以上、250mm以下的外径。外径的下限例如为20mm以上，优选地为50mm以上，更优选地为100mm以上。第一金属管21和第二金属管22各自具有1mm以上、16mm以下的壁厚。壁厚的下限例如为2mm以上，优选地为5mm以上，更优选地为10mm以上。
<本实施例的磁性旋转电弧接合方法的概要>
参考图3至图5，将描述用于形成图1和图2所示的接合单元的磁性旋转电弧接合方法的概要。
在磁性旋转电弧接合方法中，使用弗莱明的左手法则。在根据本实施例的磁性旋转电弧接合方法中，如图3所示，环形永磁体7设置成部分地围绕第一金属管21和第二金属管22的外周表面且第一金属管21和第二金属管22的端面彼此面对以施加磁场，并且从电源34向第一金属管21和第二金属管22同时供给大直流电流。然后，在第一金属管21和第二金属管22的相对端面之间的距离保持恒定值的情况下，在端面之间开始1.5mm至2.0mm的电弧31。在图3中，箭头33示出电流的方向，并且箭头32示出作用在电弧31上的力的方向。更具体地，所产生的电弧31接收由永磁体7产生的旋转磁场，以在端面的圆周方向上快速旋转，如图3中的箭头35所示。因此，第一金属管21和第二金属管22的端面被加热。
在这里，在电弧开始之后的早期阶段，电弧31在第一金属管21和第二金属管22的内径侧上旋转，以加热端面的内径侧。这是由于因第一金属管21和第二金属管22中的内侧与外侧间的磁通密度差引起的磁吹现象，使得电弧31在内径侧方向上接收力。在本实施例中，如后面所述，借助电弧的加热用来执行预热步骤和主加热步骤。在预热步骤中，将预热温度设定为等于或低于磁性转变点，并且将主加热步骤中的加热温度设定为例如1100℃左右。
在主加热步骤中，在开始通过电弧31加热之后，磁化率随着金属管21和金属管22的端面处的温度升高而减小，并且在磁性转变点(770℃)处，铁磁性消失。因此，内径侧上的磁通密度比金属管21和金属管22的外径侧上的磁通密度高，并且因磁吹现象，而使得电弧31移向金属管21和金属管22的外径侧并进行加热。
在本实施例中，由于在预热步骤中预先充分地加热第一金属管21和第二金属管22的端面，因此，端面通过主加热步骤几乎均匀地达到熔融状态。这抑制了在金属管21和金属管22的外径端面的加热期间，内径端面的温度超过熔点，并且尽管外径端面的加热仍然不足但电弧31却消失这样的问题。然后，当第一金属管21和第二金属管21的端面几乎均匀地熔融时，在该时刻将金属管中的一个(例如，第一金属管21)快速地压焊到另一个金属管(例如，第二金属管22)，由此第一金属管21和第二金属管22的端面被接合。这里，由于熔融状态从端面的外周侧向内周侧几乎均匀，因此，内周侧上的焊珠部分的宽度与外周侧的焊珠部分的宽度几乎相等，从而引起均匀且良好的接合部分。
本发明人已经成功地通过将移动速度(其可称为压制速度或压焊速度)和压焊力设定为等于或大于在上述压焊期间将一个金属管压焊到另一个金属管的一定值的值，来形成没有枝晶层的接合界面，从而从接合界面的中心部分(从要形成的接合单元的轴向观察，与不因第一金属管21和第二金属管22的接合而发生变形的部分重叠的接合界面的区域)推出枝晶结构。为了形成这种接合界面，端面的熔融状态、移动速度和压焊力是重要的控制参数。移动速度为例如为20mm/s以上，并且压焊力为例如为5MPa以上。
在这里，如图4所示，根据常规的压焊方法，在接合界面11中形成枝晶层15。这种枝晶层15的存在会导致接合界面11的强度降低。形成这样的枝晶层15的原因在于，将第一金属管21和第二金属管22的端面在由箭头16所示的方向上彼此压靠的移动速度和/或压焊力不足以将枝晶层15去除到外侧。
然后，如图5所示，本发明的发明人已经成功地通过如上所述将移动速度和/或压焊力设定为高的值，将接合期间形成的枝晶层15推出到如箭头18所示的接合界面11的外侧(内周侧和外周侧)。因此，接合界面11的包括中心部分的区域17没有枝晶层15。因此，在图5所示的根据本实施例的接合单元10中，能够充分地增加接合部分的强度。
在执行如上所述的过程之后，通过磨削去除被定位在外周侧上的焊珠部分13(参见图5)，以获得如图1和图2所示的接合单元10。
<本实施例中的磁性旋转电弧接合方法和制造接合单元的方法的描述>
现在参考图6至图8，下面将详细描述根据本实施例的磁性旋转电弧接合方法，以及使用磁性旋转电弧接合方法制造接合单元的方法。图8的(A)中的纵轴表示端面之间的通电电流。图8的(B)中的纵轴示出端面之间的电弧电压。图8的(C)中的纵轴示出端面之间的距离(间隙)。图8的(D)中的纵轴示出距端面2mm的位置处的温度。图8的(E)中的纵轴示出端面之间的压制压力。图8的(A)至图8的(E)中的横轴示出时间。
参考图6，在根据本实施例的磁性旋转电弧接合方法(制造接合单元的方法)中，首先执行制备步骤(S10)。在该步骤(S10)中，制备第一金属管21和第二金属管22。将制备好的第一金属管21和第二金属管22设置在图7所示的接合装置中。在图7所示的接合装置中，第一金属管21固定到与正极端子8连接的卡盘9。第二金属管22固定到与负极端子6连接的卡盘9。在两个卡盘9之间，安装环状的永磁体7，以便围绕第一金属管21和第二金属管22的周边。测力传感器5连接到与第一表面相对的第二表面侧，上述第一表面在与负极端子6连接的卡盘9中设置有永磁体7。在从测力传感器5观察的与卡盘9相对的侧面上，安装滚珠螺杆3。马达1借助插置在中间的减速器2连接到滚珠螺杆3。用于测量与负极端子6连接的卡盘9的位移的位移传感器4设置在邻近测力传感器5的位置处。第一金属管21和第二金属管22被设置成使得它们的端面彼此相对。
接下来，如图6所示，执行预热步骤(S20)。在步骤(S20)中，在第一金属管21和第二金属管22的端面彼此相对设置的情况下，在端面之间产生电弧放电，并且在端面之间施加磁场以在两个端面之间，以移动电弧放电的位置，由此进行预热，直到距第一金属管21和第二金属管22的端面2mm的位置处的温度达到预热温度(图8的(D)中的温度T1)。
具体地，在图8的时间t1，第一金属管21和第二金属管22的端面之间的距离(间隙)被设定为由图8的(C)中的间隙D1所示的预定尺寸。同时，在第一金属管21和第二金属管22之间施加电弧电压V1(参见图8的(B))，以引发如图3所示的电弧，并且电弧电流I1(参见图8的(A))在端面之间流动。由永磁体7(参见图7)产生的磁场允许电弧在如图3所示的端面处旋转。因此，端面被加热，并且在距端面预定距离的位置(距端面2mm的位置)处的第一金属管21和第二金属管22的温度达到图8的(D)所示的温度T1(预热温度)，以引起磁性降低的状态。在该位置处的温度达到温度T1时的时间t2，电弧电压和电弧电流被设定为零(参见图8的(A)、图8的(B))。前述预热步骤(S20)可执行多次。
然后，从时间t2到时间t3，借助电弧放电停止来保持第一金属管21和第二金属管22。由于这个保持时间，如图8的(D)所示，尽管距端面2mm的位置处的温度降低到温度T2，但是由于端面处的热扩散，端面处的温度变得更均匀。这里，如图8的(C)所示，端面之间的间隙被设定为零，并且被再次设定为预定间隙D1。这是为了调整间隙，以便确保在后述的主加热步骤中引发电弧。
接下来，如图6所示，执行主加热步骤(S30)。在主加热步骤(S30)中，在第一金属管21和第二金属管22的端面之间产生电弧放电，并且在端面之间施加磁场，以在端面之间移动电弧放电的位置，由此执行主加热，直到在距第一金属管21和第二金属管22的端面2mm的位置处的温度达到接合温度(图8的(D)中的温度T3)。
具体地，在图8中的时间t3，第一金属管21和第二金属管22的端面之间的距离(间隙)被设定为由图8的(C)中的间隙D1所示的预定尺寸。同时，在第一金属管21和第二金属管22之间施加电弧电压V1(参见图8的(B))，以引发如图3所示的电弧，并且电弧电流I2(参见图8的(A))在端面之间流动。特别是在外周侧的端面处，在该时间点的电弧的稳定性得到提高。另外，由永磁体7(参见图7)产生的磁场允许电弧在如图3所示的端面处旋转。因此，端面被加热，并且在距端面预定距离的位置(距端面2mm的位置)处的第一金属管21和第二金属管22的温度达到图8的(D)所示的温度T3(接合温度)。
在该步骤(S30)之后，如图8所示，从前述位置处的温度上升到温度T3时的时间t4，直到时间t5，执行在端面之间馈送顶锻电流(图8的(A)中的电流I3)的步骤，其中顶锻电流具有大于主加热步骤(S30)中的通电电流值(电流I2)的值。因此，如图8的(D)所示，距端面2mm的位置处的温度(以及端面的温度)上升。在图8的时间t5，电弧电压和顶锻电流被设置为零。即使在以这种方式将电弧电压设置为零的时间t5之后，距端面2mm的位置处的温度也保持上升以达到最大温度、即温度T4(参见图8的(D))。
接下来，执行图6所示的接合步骤(S40)。在接合步骤(S40)中，在主加热步骤(S30)之后，将金属管21和金属管22的端面彼此对接并接合。在接合步骤(S40)中，对端面彼此对接并接合的接合部分进行通电和加热。
具体地，在图8所示的时间t5之后的预定时间点，使第二金属管22靠近第一金属管21，以减小端面之间的距离(图8的(C)中的间隙)。在该时间点的第二金属管22的移动速度被设定为20mm/s以上。然后，在时间t6，即使在间隙变为零(即，其中端面彼此接触的状态)之后，进一步驱动马达1(参见图7)，以将金属管22朝向金属管21按压。因此，如图8的(C)中所示，间隙变为负的(即，端面彼此接合，而熔融端面朝向外周侧和内周侧被部分地推出以形成焊珠部分)。在该时间点，如图8的(E)所示，在时间t6在端面之间产生压力，并且在时间t7变为预定压力P1。该压力P1(压焊力)为例如5MPa以上。这是由于至少约5MPa的压焊力被认为是将熔融端面彼此接合所必需的。
这样，在由测力传感器5(参见图5)检测的端面之间的压力变为预定压力P1时的时间点，停止借助马达1进行的金属管22的移动。因此，间隙(参见图8的(C))自时间t7起几乎恒定。然后，从时间t7到时间t8，保持其中端面之间的压力为预定压力P1的状态，并且，如图8的(A)所示，在第一金属管21和第二金属管22之间馈送电流I4，以对接合部分通电和加热。然后，在时间t8，停止通电和加热。因此，执行接合步骤(S40)以接合第一金属管21和第二金属管22。在金属管21和金属管22之间的接合界面处，如图5所示，枝晶层15从接合界面11的中心部分被推出，使得中心部分没有枝晶层。
因此，执行接合步骤(S40)以接合第一金属管21和第二金属管22，并获得接合单元。在制造接合单元10的方法中，在该接合步骤(S40)之后，可执行后处理步骤(S50)，其包括以下步骤：在所获得的接合单元10的接合部分处磨削外周表面；以及除去外周侧上的焊珠部分。这样，可获得图1中所示的接合单元10。
第一金属管21和第二金属管22的材料是诸如用于机械结构的碳钢的钢。预热步骤(S20)中的预热温度(温度T1)优选为比前述材料(例如，钢)的磁性转变点低的温度。例如，预热步骤(S20)中的预热温度(温度T1)可为100℃以上、1000℃以下。其原因在于，在一些厚壁的金属管21和22中，即使内径的温度升高时，测量预热温度T1的距金属管21和22的端面2mm的位置处的外周表面的温度也不是这么高。优选地，预热温度为200℃以上、900℃以下，更优选地为300℃以上、800℃以下。主加热步骤(S30)中的接合温度(温度T3)可为1050℃以上、1150℃以下(例如1100℃)。
在预热步骤(S20)和主加热步骤(S30)中的端面之间的通电电流值(图8的(A)中的电流I1或电流I2)也可为10A以上、10000A以下。在预热步骤(S20)和主加热步骤(S30)中的磁场的磁通密度可为1mT以上、1000mT以下。
接合步骤(S40)中的金属管22的移动速度(压制速度)可为20mm/s以上、1100mm/s以下。移动速度的下限被设定为20mm/s，因为如果移动速度太慢，则端面的温度在端面彼此接触之前降低，并且接合条件劣化。移动速度的上限被设定为1100mm/s，因为考虑到诸如马达1和液压驱动装置的设备的性能，该值被确定为是可实现的。移动速度优选为30mm/s以上、1000mm/s以下，更优选为50mm/s以上、900mm/s以下。
上述接合方法中的各步骤(S20至S40)的条件可根据金属管21和22的材料、尺寸等适当地选择。在本方法中，由于使用温度历史执行加热时间控制，所以即使当电流值、电弧电压值、磁通密度、材料尺寸等变化时，加热时间控制也是容易的。
尽管它们中的一些与前面的描述重复，将列出本发明的实施例的特征配置。
(1)根据本发明的实施例的接合单元10包括第一金属管21、第二金属管22以及接合部分(包括接合界面11的区域)，在该接合部分处将第一金属管和第二金属管的端面彼此接合。在接合部分处形成朝向外周侧突出的外周焊珠部分和朝向内周侧突出的内周焊珠部分13。在从第一金属管21朝向第二金属管22的方向上的外周焊珠部分的宽度(磨削部分12的宽度L1)与内周焊珠部分13的宽度L2之间的距离等于或小于外周焊珠部分的宽度L1和内周焊珠部分13的宽度L2的平均值的40％。通过这样，在接合部分处金属管21和金属管22的内周侧和外周侧之间的接合状态几乎没有差异，并且在接合单元中确保接合部分的坚固性。
(2)根据本发明的实施例的接合单元10包括第一金属管21、第二金属管22以及接合部分，在该接合部分处将第一金属管和第二金属管的端面彼此接合。在接合部分处的第一金属管21和第二金属管22的接合界面11中的、第一金属管21和第二金属管22的外周表面的内侧且第一金属管21和第二金属管22的内周表面的外侧的区域内，不存在枝晶层15。
这样，由于在接合单元中的接合界面11的中心部分处，不存在具有相对较低的强度的枝晶层15，因此，能降低包括接合界面的接合部分的强度因枝晶层15的存在而有可能在合部分处产生例如裂纹等缺陷的可能性。因此，可获得具有足够强度的接合部分的接合单元10。
(3)在上述接合单元10中，接合单元10的材料可以是用于机械结构的碳钢。在这种情况下，根据本实施例的接合单元可应用于例如机械部件。
(4)在上述接合单元10中，第一金属管21和第二金属管22可具有10mm以上、250mm以下的外径。在这种情况下，可获得在从相对小的直径到大直径的范围中的接合单元10。
(5)在上述接合单元10中，第一金属管21和第二金属管22可具有1mm以上、16mm以下的壁厚。在这种情况下，可制备具有各种厚度的接合单元10，以增加选择根据本实施例的接合单元10所应用的机械装置的自由度。
在上述接合单元10中，在接合部分处，可通过磨削除去外周焊珠部分。外周焊珠部分的宽度L1可以是通过磨削除去外周焊珠部分而形成的磨削部的宽度L1。在这种情况下，通过磨削从接合单元10的外周表面去除外周焊珠部分，以光滑地完成外周，从而使得上述接合单元10的外观可形成为类似圆柱体。
(6)根据本发明实施例的磁性旋转电弧接合方法包括制备第一金属管21和第二金属管22的步骤(S10)、预热步骤(S20)、主加热步骤(S30)以及接合步骤(S40)。在预热步骤(S20)中，在第一金属管21和第二金属管22的端面彼此相对设置的情况下，在端面之间产生电弧放电，并且在端面之间施加磁场以在两个端面之间，使电弧放电的位置移动，由此进行预热，直到距第一金属管和第二金属管的端面2mm的位置处的温度达到预热温度(图6(D)中的温度T1)。在主加热步骤(S30)中，在第一金属管21和第二金属管22的端面之间产生电弧放电，并且在端面之间施加磁场，以在端面之间使电弧放电的位置移动，由此进行主加热，直到在距第一金属管和第二金属管的端面2mm的位置处的温度达到接合温度(图6(D)中的温度T3)。在接合步骤(S40)中，在主加热步骤(S30)之后，将端面彼此对接并彼此接合。
通过这种方式，可使用与在主加热步骤(S30)中使用的方法相同的设备来执行预热步骤(S20)。因此，不需要如在常规方法中那样准备用于预热的独立的加热装置，并且能以简单的配置执行预热。因此，通过预热能够预先充分地加热接合部分(包括第一金属管21和第二金属管22的相对端面的端部部分)，使得在主加热(S30)步骤中电弧放电的稳定性能够得到提高，另外，可抑制诸如接合部分的加热不充分或不均匀这样的问题。因此抑制了接合缺陷的发生。在接合步骤(S40)中，用于将端面彼此接合的压力(图6(E)中的压力P1)为例如5MPa以上、950MPa以下。压力的下限被设定为5MPa，因为用于压焊的最小可能的压力被认为是大约5MPa。压力的上限被设定为950MPa，因为这是当具有高屈服应力的材料用作金属管的材料时所估计的压力。压力优选地为10MPa以上、900MPa以下，更优选地为20MPa以上、800MPa以下。
(7)在上述磁性旋转电弧接合方法中，第一金属管21和第二金属管22的材料可由钢构成。预热步骤(S20)中的预热温度(温度T1)可以是低于材料的磁性转变点的温度，并且主加热步骤(S30)中的接合温度(温度T3)可以是1050℃以上、1150℃以下。接合温度(温度T3)优选地为1070℃以上、1130℃以下，更优选地为1080℃以上、1120℃以下。
在这种情况下，使用钢作为材料形成的第一金属管21和第二金属管22可以可靠地接合以获得接合单元。
(8)根据本发明实施例的磁性旋转电弧接合方法包括制备第一金属管21和第二金属管22的步骤(S10)、主加热步骤(S30)以及接合步骤(S40)。在主加热步骤(S30)中，在第一金属管21和第二金属管22的端面之间产生电弧放电，并且在端面之间施加磁场，以在端面之间使电弧放电的位置移动，由此进行主加热，直到在距第一金属管21和第二金属管22的端面2mm的位置处的温度达到接合温度(图8的(D)中的温度T3)。在接合步骤(S40)中，在主加热步骤(S30)之后，将端面彼此对接并彼此接合。在接合步骤(S40)中，将端面彼此对接时的第一金属管21相对于第二金属管22的相对压焊速度为20mm/s以上。
这样，可获得在接合界面11的中心部分不存在包含树枝状结构的层、即枝晶层15，且具有足够强度的接合部分的接合单元10。相对焊接速度的下限被设定为20mm/s，因为第一金属管21和第二金属管22的相对移动速度需要为20mm/s以上，以便使熔融端面彼此接触。例如，当端面之间的距离为大约2mm(电弧长度为大约2mm)时，小于20mm/s的相对移动速度使得难以在熔融的状态下使端面彼此接触。相对移动速度的上限可为1100mm/s以下，更优选地为1000mm/s以下。
距端面2mm的位置被用作用于测量温度的位置，因为本发明人通过模拟和实验已经发现，由于实验和模拟之间的对应关系是稳定的，因此，该位置处的温度作为用于控制的测量值是足够可靠的。
(9)在上述磁性旋转电弧接合方法中，在接合(S40)步骤中，将端面彼此对接的压焊力(在图8的(E)中的压力P1)可以是5MPa以上。压焊力的上限可为950MPa以下。压力的下限被设定为5MPa，因为用于压焊的最小可能的压力被认为是大约5MPa。压力的上限被设定为950MPa，因为这是当具有高屈服应力的材料用作金属管的材料时所估计的压力。压力优选地为10MPa以上、900MPa以下，更优选地为20MPa以上、800MPa以下。
(10)在上述磁性旋转电弧接合方法中，优选地，在接合步骤(S40)之后，在第一金属管21和第二金属管22之间的接合表面中的、位于第一金属管21和第二金属管22的外周表面的内侧且位于第一金属管21和第二金属管22的内周表面的外侧的区域内，不存在枝晶层15。在这种情况下，能够充分地增加接合单元中的接合部分的强度。
(11)上述磁性旋转电弧接合方法还可包括在制备步骤(S10)之后、在主加热步骤(S30)之前的预热步骤(S20)。在预热步骤中，在第一金属管21和第二金属管22的端面彼此相对设置的情况下，在端面之间产生电弧放电，并且在端面之间施加磁场以在两个端面之间使电弧放电的位置移动，由此进行预热，直到距第一金属管21和第二金属管22的端面2mm的位置处的温度达到预热温度(图8的(D)中的温度T1)。在上述磁性旋转电弧接合方法中，预热步骤(S20)中的预热温度(温度T1)可以是低于材料的磁性转变点的温度。
通过这样，可使用与在主加热步骤(S30)中使用的方法相同的设备来执行预热步骤(S20)。因此，不需要准备用于预热的独立的加热装置，并且能以简单的配置进行预热。因此，通过预热预先充分地加热接合部分(包括第一金属管21和第二金属管22的相对端面的端部部分)，使得在主加热(S30)步骤中电弧放电的稳定性得到提高，并且，可抑制诸如接合部分的加热不充分或不均匀这样的问题。因此，能够抑制接合缺陷的发生。
(12)在上述磁性旋转电弧接合方法中，第一金属管21和第二金属管22的材料可由钢构成。主加热步骤(S30)中的接合温度(温度T3)可为1050℃以上、1150℃以下。接合温度(温度T3)优选地为1070℃以上、1130℃以下，更优选地为1080℃以上、1120℃以下。在这种情况下，使用钢作为材料形成的第一金属管21和第二金属管22可以可靠地接合以获得接合单元。
(13)在上述磁性旋转电弧接合方法中，材料可以是用于机械结构的碳钢。在这种情况下，上述磁性旋转电弧接合方法应用于使用用于机械结构的碳钢作为材料形成的金属管的接合，由此，根据本实施例的接合方法可用于例如制造机械部件。这里，用于机械结构的碳钢是指由JIS标准G4051规定的用于机械结构的碳钢(例如，S10C、S45C、S55C等)，以及在由JIS标准G4051规定的碳钢中含有硼(B)的碳钢(例如，SAE标准10B38、SBM40等)。
(14)在上述磁性旋转电弧接合方法中，第一金属管21和第二金属管22可具有10mm以上、250mm以下的外径。这样，根据本实施例的接合方法可应用于在从相对较小的直径到大直径的范围中的金属管21和金属管22。
(15)在上述磁性旋转电弧接合方法中，第一金属管21和第二金属管22可具有1mm以上、16mm以下的壁厚。这样，根据本实施例的接合方法可应用于从相对薄壁的金属管21、22到厚壁的金属管21和22。
上述磁性旋转电弧接合方法还可包括在主加热步骤(S30)之后且在接合步骤(S40)之前，在端面之间馈送顶锻电流(图8的(A)中的电流I3)的步骤。顶锻电流具有大于主加热步骤(S30)中的通电电流值的值。
在这种情况下，在执行接合步骤(S40)之前，接合部分(包括第一金属管21和第二金属管22的端面的区域)的熔融区域可通过顶锻电流均匀化。因此，能够可靠地抑制接合缺陷的发生。
在上述磁性旋转电弧接合方法中，在接合步骤(S40)中，可对端面彼此对接并接合的接合部分进行通电和加热。在这种情况下，能够抑制接合步骤(S40)中的接合部分处的过度的温度下降，并且因此能够防止接合条件的劣化。因此，能够更可靠地抑制接合缺陷的发生。
在上述磁性旋转电弧接合方法中，在主加热步骤(S30)之前，可执行多次预热步骤(S20)。在这种情况下，当第一金属管21和第二金属管22具有大直径，或者金属管21、22厚时，多次预热可充分地增加接合部分的温度。因此能够抑制接合缺陷的发生。
上述磁性旋转电弧接合方法还可包括在预热步骤(S20)之后且在主加热步骤(S30)之前(图8中的时间t2和时间t3之间的时间段)，将第一金属管和第二金属管保持在停止电弧放电的状态的步骤。
在这种情况下，特别是当第一金属管21和第二金属管22厚时，如上所述的保持步骤在端面处引起热扩散，从而减小端面的内周侧和外周侧之间的温度差。因此，可抑制接合缺陷的发生。保持步骤的持续时间可为例如超过0秒、等于或短于10秒。这是因为即使对于厚壁的金属管，保证大约10秒的保持时间也能充分均匀化端面处的温度。当金属管21和金属管22足够薄时，不需要执行保持步骤，并且在预热步骤(S20)之后可立即执行主加热步骤(S30)。
在上述磁性旋转电弧接合方法中，预热步骤(S20)和主加热步骤(S30)中的端面之间的通电电流值可为10A以上、10000A以下。在这种情况下，可根据要接合的金属管21和金属管22的尺寸、材料等来选择通电电流值，并且可抑制接合缺陷的发生。通电电流值可被控制以便落入相对于目标值的±150A的范围内。
在上述磁性旋转电弧接合方法中，预热步骤(S20)和主加热步骤(S30)中的磁场的磁通密度可为1mT以上、1000mT以下。在这种情况下，可根据要接合的金属管的尺寸和材料、通电条件等来选择磁通密度。磁通密度优选地为10mT以上、900mT以下，更优选地为20mT以上、800mT以下。
(16)根据本发明的实施例的制造接合单元的方法使用上述磁性旋转电弧接合方法。通过这样，可获得包括具有足够强度的接合部分的接合单元10。
(实验实例1)
进行了下面的实验，以便确认根据本实施例的磁性旋转电弧接合方法的效果。
<样品>
在该实验中，由JIS标准S45C形成的具有φ40mm的外径和3mm的壁厚的圆柱形材料用作第一金属管和第二金属管。每个圆柱形材料的轴向长度为300mm。用于接合的接合装置是具有图7所示的配置的装置。
<实验方法>
1)实例中的样品
制备好的金属管被设置在图7所示的接合装置中，并且通过图6所示的根据本实施例的磁性旋转电弧接合方法进行接合。预热步骤(S20)中的电流值的设定值为115A，并且金属管(钢管)端面外径侧上的磁通密度为40mT。主加热步骤(S30)中的电流值的设定值也如预热步骤(S20)中一样为115A。由于电流值与电弧的转速成比例，因此，通过以较低的电流值长时间加热来使整体的金属管的温度上升，以便扩大熔融区域。金属管外径侧上的磁通密度为40mT。在预热步骤(S20)中，进行加热，直至距金属管的外径端面2mm的位置处的温度(图8的(D)中的温度T1)达到550℃。预热步骤(S20)结束3秒后(在时间t2后3秒的时间t3)，开始主加热步骤(S30)。在该步骤中，当距金属管的外径端面2mm的位置处的温度达到1100℃时，进行接合。在快要接合之前，以2kA的电流值馈送顶锻电流(图8的(A)中的电流I3)，以便使端面处的熔融区域均匀化。
对于本发明中的实例，压焊速度为43mm/s，当图8的(E)所示的压力(压焊力)达到60kN(170MPa)时、或者当压制的量达到11mm时的时间点，完成接合步骤(S40)。为了抑制金属管端面的温度下降，在接合步骤(S40)期间也执行以电流值2kA的通电和加热。
2)比较例中的样品
基本上在与实例中的样品相同的条件下执行接合。但是，对于比较例中的样品的顶锻，比较例中的条件与实例中的条件不同。具体地，压焊速度为10mm/s，在当图8的(E)中所示的压力(压焊力)达到60kN(或170MPa)时，或者当压制的量(图8的(c)中的间隙的负值)达到10mm时的时间点，完成接合。
<结果>
1)实例中的样品
图9示出通过接合金属管而获得的实例中的接合单元的外观。在图9中，接合单元沿着轴向方向被切割，并且被布置成暴露切割半部的截面。图10示出图9中所示的接合单元中的接合部分的中心部分的横截面显微照片。图10示出从接合界面按顺序的(a)接合部分、(b)热影响区1、(c)热影响区2和(d)基底金属的横截面显微照片。另外，图10中的接合部分在距接合界面0mm的位置。热影响区1在距接合界面0.1mm的位置。热影响区2在距接合界面0至2mm的位置。基底金属在距接合界面0.4mm的位置。
从图9和图10中可理解，在根据本实施例的接合单元中，在接合部分的接合界面中的中心部分处不存在枝晶层，并且接合部分具有从内周侧到外周侧几乎均匀的结构。可理解，形成了令人满意的接合部分。
2)比较例中的样品
图11示出通过接合金属管而形成的比较例的接合单元的外观。在图11中，类似于图9，接合单元沿着轴向方向被切割，并且被布置成暴露切割半部的截面。图12示出图11中所示的接合单元中的接合部分的中心部分的横截面显微照片。类似于图10，图12从接合界面按顺序的(a)接合部分、(b)热影响区1、(c)热影响区2和(d)基底金属的横截面显微照片。
从图11和图12中可理解，在比较例中，在接合界面处存在枝晶层，并且认为接合部分的强度比图9中所示的实例中的接合单元的接合部分的强度低。
(实验实例2)
进行了下面的实验，以便确认根据本实施例的磁性旋转电弧接合方法的效果。
<样品>
在该实验中，由JIS标准S45C形成的具有φ40mm的外径和3mm的壁厚的圆柱形材料用作第一金属管和第二金属管。圆柱形材料的轴向长度为300mm。用于接合的接合装置是具有图7所示的配置的装置。
<实验方法>
制备好的金属管被设置在图7所示的接合装置中，并且通过图6所示的根据本实施例的磁性旋转电弧接合方法进行接合。预热步骤(S20)中的电流值的设定值为340A(±150A)，并且金属管(钢管)端面外径侧上的磁通密度为40mT。主加热步骤(S30)中的电流值的设定值为270A(±150A)。金属管外径侧上的磁通密度为40mT。在预热步骤(S20)中，进行加热，直至距金属管的外径端面2mm的位置处的温度(图8的(D)中的温度T1)达到550℃。预热步骤(S20)结束3秒后(在时间t2后3秒的时间t3)，开始主加热步骤(S30)。在该步骤中，当距金属管的外径端面2mm的位置处的温度达到1100℃时，进行接合。在快要接合之前，为了使端面的熔融区域均匀化，以620A的电流值馈送顶锻电流(图8的(A)中的电流I3)。当图8的(E)中的压力达到90KN(160MPa)时，完成接合步骤(S40)中的顶锻。为了抑制金属管端面的温度下降，在接合步骤(S40)期间也执行以电流值2kA的通电和加热。
<结果>
在根据本实施例的接合单元中，接合部分具有从内周侧到外周侧几乎均匀的结构，并且以与实例1中相同的方式形成良好的接合部分。
尽管上面已经描述了本发明的实施例和实例，但是可以各种方式修改前述实施例。本发明的范围不限于前述实施例。本发明的范围由权利要求示出，并且旨在在权利要求的范围内的所有等同物和修改应被涵盖在本文中。
工业适用性
本发明特别有利地应用于用于钢管的磁性旋转电弧焊接。
附图标记列表
1马达，2减速器，3滚珠螺杆，4位移传感器，5测力传感器，6负极端子，7永磁体，8正极端子，9卡盘，10接合单元，11接合界面，12磨削部分，13焊珠部分，14a、14b焊珠与内周表面之间的边界点，15枝晶层，16、18、32、33、35箭头，17区域，21、22金属管，31电弧，34电源。
Claims (12)
1.一种接合单元，包括：
第一金属管；
第二金属管；以及
接合部分，所述第一金属管和所述第二金属管的端面在所述接合部分处彼此接合，其中，
在所述接合部分处形成朝向外周侧突出的外周焊珠部分和朝向内周侧突出的内周焊珠部分，
在从所述第一金属管朝向所述第二金属管的方向上的所述外周焊珠部分的宽度与所述内周焊珠部分的宽度之间的差值等于或小于所述外周焊珠的宽度和所述内周焊珠部分的宽度的平均值的40％。
2.根据权利要求1所述的接合单元，其特征在于，
在所述接合部分中，通过磨削除去所述外周焊珠部分，
所述外周焊珠部分的宽度是通过磨削除去所述外周焊珠部分而形成的磨削部分的宽度。
3.一种接合单元，包括：
第一金属管；
第二金属管；以及
接合部分，所述第一金属管和所述第二金属管的端面在所述接合部分处彼此接合，其中，
在所述接合部分处的所述第一金属管和所述第二金属管之间的接合界面中的、位于所述第一金属管和所述第二金属管的外周表面的内侧且位于所述第一金属管和所述第二金属管的内周表面的外侧的区域内，不存在枝晶层。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的接合单元，其特征在于，所述接合单元的材料是用于机械结构的碳钢。
5.一种磁性旋转电弧接合方法，包括以下步骤：
制备第一金属管和第二金属管；
通过在所述端面被设置成相对于彼此的状态下在所述第一金属管和所述第二金属管的端面之间产生电弧放电，以及在所述端面之间施加磁场以在所述端面之间使电弧放电的位置移动，来进行预热，直到在距所述第一金属管和所述第二金属管的端面2mm的位置处的温度达到预热温度；
通过在所述第一金属管和所述第二金属管的所述端面之间产生电弧放电，以及在所述端面之间施加磁场以在所述端面之间使电弧放电的位置移动，来进行主加热，直到在距所述第一金属管和所述第二金属管的所述端面2mm的所述位置处的温度达到接合温度；以及
在主加热的步骤之后通过使所述端面彼此对接来将所述端面接合的步骤。
6.根据权利要求5所述的磁性旋转电弧接合方法，其特征在于，还包括在主加热的步骤之后，并且在接合的步骤之前，在所述端面之间馈送顶锻电流的步骤，所述顶锻电流具有大于在主加热的步骤中的通电电流值的值。
7.根据权利要求5或6所述的磁性旋转电弧接合方法，其特征在于，在接合的步骤中，对彼此对接并接合的所述端面的接合部分进行通电和加热。
8.一种磁性旋转电弧接合方法，包括以下步骤：
制备第一金属管和第二金属管；
通过在所述第一金属管和所述第二金属管的所述端面之间产生电弧放电，以及在所述端面之间施加磁场以在所述端面之间使电弧放电的位置移动，来进行主加热，直到在距所述第一金属管和所述第二金属管的所述端面2mm的位置处的温度达到接合温度；以及
在主加热的步骤之后，通过使所述端面彼此对接来将所述端面接合，
其中，在接合的步骤中，在将所述端面彼此对接时的所述第一金属管相对于所述第二金属管的相对压焊速度为20mm/s或更大。
9.根据权利要求8所述的旋转电弧接合方法，其特征在于，在所述接合步骤中，使所述端面彼此对接的压焊力为5MPa或更大。
10.根据权利要求8或9所述的旋转电弧接合方法，其特征在于，在接合的步骤之后，在所述第一金属管和所述第二金属管的接合表面中的、位于所述第一金属管和所述第二金属管的外周表面的内侧且位于所述第一金属管和所述第二金属管的内周表面的外侧的区域内，不存在枝晶层。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的磁性旋转电弧接合方法，其特征在于，在所述制备步骤之后且在所述主加热步骤之前，还包括以下步骤：通过在所述端面被设置成相对于彼此的状态下在所述第一金属管和所述第二金属管的端面之间产生电弧放电，以及在所述端面之间施加磁场以在所述端面之间使电弧放电的位置移动，来进行预热，直到在距所述第一金属管和所述第二金属管的所述端面2mm的所述位置处的温度达到预热温度。
12.一种制造接合单元的方法，使用权利要求5至11中任一项所述的磁性旋转电弧接合方法。
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