CN110434449A - 焊接方法及由该焊接方法制成的零件 - Google Patents

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Abstract

一种用于将第一部件焊接到第二部件的方法。该方法包括提供包括第一合金的第一部件、提供包括第二合金的第二部件、加热第一部件以及将第二部件固态焊接到第一部件。

Description

焊接方法及由该焊接方法制成的零件
技术领域
本公开涉及一种焊接方法和由该焊接方法制成的零件。
引言
本引言总体上呈现了本公开的上下文。目前所述发明人的工作，在本说明书中描述的范围，以及在提交时可能不具有其他资格作为现有技术的描述的方面，既不明确也不暗示地被认为是针对本公开的现有技术。
汽车制造商关注的是采用先进的高效基础来制造采用尖端技术的车辆，并以经济有效的方式应用这些技术。混合材料策略在最基本的水平上攻击这些挑战，并且提供多种改进，例如车辆重量减轻、车辆阻力减小、发动机尺寸减小、变速器和发动机效率改进。
追求使车辆比以往更轻便和更坚固的混合材料策略带来了巨大的益处和优势。质量减少约10％，燃料效率提高约5％。除了节约顾客金钱和减少总体排放之外，采用更有效的设计和重量更轻的材料的车辆有助于消除数十亿美元的材料成本。混合材料策略还使得车辆制造商能够为车辆的每个部件或部件的每个部分结合最合适的材料，然后使性能最大化且车辆重量最小化。
在典型的机动车辆中，某些部件焊接在一起。一些焊接涉及由不同合金制成的部件。例如，诸如铝或镁的较轻合金可以与诸如钢的较重合金接合。然而，由于这些合金之间物理和冶金性能的差异，对于某些应用，连接强度可能不够强。特别地，对于车辆推进系统的部件，例如发动机或变速器中的部件，实施这种策略是具有挑战性的，这些部件的性能要求可能比车辆中的其他部件更为严格。
发明内容
在示例性方面是一种用于将第一部件焊接到第二部件的方法。该方法包括提供包括第一合金的第一部件、提供包括第二合金的第二部件、加热第一部件以及将第二部件固态焊接到第一部件。
以这种方式，通过预热第一部件，通过固态焊接工艺(例如摩擦焊接工艺)的第一部件和第二部件之间的结合提供了第一和第二部件之间显著改善的结合。反之，这使得混合材料策略的进一步扩展能够进一步增强诸如用于例如车辆推进系统的其他车辆部件的可靠性、耐用性、性能、效率、重量和成本减少。
在另一示例性方面，第一合金具有比第二合金更高的熔点温度。
在另一示例性方面，加热第一部件包括感应加热第一部件。
在另一示例性方面，加热第一部件包括局部加热第一部件的表面，并且将第二部件固态焊接到第一部件包括将第二部件固态焊接到第一部件的受热表面。
在另一示例性方面，加热第一部件包括在熔炉中加热第一部件、在烘箱中加热第一部件、激光束加热第一部件和火焰加热第一部件中的一种。
在另一示例性方面，加热第一部件包括将第一部件加热至最高至第一合金熔点温度的温度。
在另一示例性方面，加热第一部件包括将第一部件的硬度降低约100HV以上。
在另一示例性方面，加热第一部件包括将第一部件的硬度降低约200HV以上。
在另一示例性方面，第一合金是钢合金、铜合金和镍基合金中的一种。
在另一示例性方面，第二合金是镁合金、铜合金和铝合金中的一种。
在另一示例性方面，该方法制造车辆推进系统部件。
在另一示例性方面，车辆推进系统部件是发动机部件、电动机部件、蓄电部件和变速器部件中的一个。
在另一示例性方面，第一部件的热影响区从第一部件和第二部件之间的界面延伸到大于约0.5毫米的深度。
在另一示例性方面，第一部件的热影响区从第一部件和第二部件之间的界面延伸到大于约1.0毫米的深度。
在另一示例性方面，第一部件的热影响区从第一部件和第二部件之间的界面延伸到大于2.0毫米的深度。
在另一示例性方面，第一部件的热影响区的硬度从第一部件的非热影响区降低约100HV以上。
在另一示例性方面，第一部件的热影响区的硬度从第一部件的非热影响区降低约200HV以上。
通过以下提供的详细描述，本公开的其它适用领域将变得显而易见。应理解的是，详细描述和具体示例仅用于说明的目的，而非旨在限制本公开的范围。
当结合附图考虑时，本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点从包括权利要求和示例性实施例的详细描述中显而易见。
附图说明
通过详细描述和附图，将更全面地理解本公开，其中：
图1A是旋转摩擦焊接系统的示意图；
图1B是与图1A所示系统焊接在一起的两个示例性部件的侧视图；
图2示出了通过摩擦焊接系统形成的钢部件和铝部件之间的示例性界面；
图3示出了在摩擦焊接之前向钢部件的表面施加热量的示例性感应加热线圈；以及
图4是示出通过摩擦焊接接合的部件的硬度图案的曲线图400。
在附图中，可以重复使用附图标记来标识相似和/或相同的元件。
具体实施方式
现参考附图，旋转摩擦焊接系统在图1A中以10示出。系统10包括使旋转卡盘16旋转的马达12。制动器14用于控制旋转卡盘16的旋转速度。系统10还包括联接到液压缸24的非旋转卡盘18。
当使用系统10时，旋转卡盘16夹持第一工件或部件20，非旋转卡盘18夹持第二工件或部件22。第一工件和第二工件由不同的材料制成。例如，在某些布置中，第一工件20可以是钢齿轮，第二工件22可以是铝离合器壳。
马达12以高旋转速率旋转旋转卡盘16并因此旋转第一工件20。当第一工件20以适当的速度旋转时，液压缸24沿箭头26的方向朝向第一工件20移动非旋转卡盘18并因此移动第二工件22。因此，如图1B所示，两个工件20和22在压力作用下被压在一起以形成将两个工件连接在一起的摩擦焊接。停止旋转以允许焊接凝固。在常规的摩擦焊接系统中，由于热分布不良，不同合金之间的物理和冶金性能差异可能导致结合不良。热分布不良可能导致整个接合面的热不平衡，这可能导致例如熔点温度较低的合金过度变形，而熔点温度较高的合金可能受热不充分不能在接合点处提供适当的结合。根据本公开，在摩擦焊接之前对具有较高熔点温度的工件进行预热改善了连接处的结合质量。
图2示出了通过摩擦焊接工艺形成的钢部件202和铝部件204之间的界面200。如图2所示，铝部件204界面处的材料可被推向一侧或向外，同时钢部件202中的材料不变形。这是由于钢合金和铝合金之间的特性差异。
此外，虽然本详细说明描述并示出钢齿轮和铝离合器壳，但应理解，本公开的示例性实施例可适用于组合两种不同的合金以形成单个部件。本公开的示例性实施例可用于为汽车提供部件，诸如在车辆推进系统内。
在示例性方面，为了改善焊接在一起的部件上的温度分布，可以在将两个部件摩擦焊接在一起之前，加热由具有较高熔化温度的合金制成的部件。在没有预热较高熔点材料的情况下，产生热量可能不足以确保部件之间的牢固结合。例如，由钢合金制成的部件的熔点可以为约1450摄氏度，由铝合金制成的部件的熔点可以为约600摄氏度。在摩擦焊接过程中产生的热量分布在两个部件之间，并且由于铝熔点较低，所以铝比钢更容易受到热的影响，结果，如图2所示，铝比钢变形更大，并且结合不如钢那样坚固。
在本公开的示例性方面，在摩擦焊接工艺之前加热钢部件。以这种方式，钢的温度升高，降低了摩擦焊接工艺向钢提供热量的必要性，并且进一步改善了钢与铝结合的能力。
图3示出了示例性实施例，其中感应加热线圈300邻近待结合到铝部件(未示出)的钢部件302的表面定位。感应加热线圈300可以由合适的高频交流电流源(未示出)通电，该高频交流电流源引起高密度交流电流在钢部件302中流动，接下来又在钢部件302内产生热量。以这种方式，通过随后的摩擦焊接工艺引入钢部件302以确保充分结合所需的热量更少。
图4是说明在距钢部件和铝部件间接头不同距离处的硬度分布(维氏硬度)的示例性曲线图400。水平轴402表示距部件间接头406的距离(以毫米为单位)，并且垂直轴404对应于每个距离处的材料的硬度。在曲线图400所示的示例性实施例中，铝部件的硬度由线408表示，通过常规的摩擦焊接到铝部件的钢部件的硬度由线410表示，根据本公开的经预热后摩擦焊接到铝部件的钢部件的硬度由线412表示。
如清楚说明的那样，在没有预热的情况下，钢部件硬度410根本几乎不受影响，并且仅在接近与铝部件的界面406处少量降低。与之形成鲜明对比的是，与未预热钢部件的硬度410相比，钢部件的硬度412显著下降并且硬度影响的深度增加。在该具体示例中，在摩擦焊接到铝部件之前将钢部件预热到约650摄氏度。在摩擦焊接之前预热钢部件减少了为加热钢需要由摩擦产生的热量，并对整个接头接合面产生更均匀的热量分布。结果，摩擦焊接工艺提供结合所需的时间显著减少，同时实现结合加牢固。此外，钢部件和铝部件之间的硬度差异显著减小，接下来，又通过摩擦焊接改善了这些部件之间的结合。
相比先前可实现的硬度降低，根据本公开的钢部件的预热还提供了更大程度的降低。在该具体示例中，实现了高于200HV的维氏硬度降低。这与仅由常规摩擦焊接工艺引入的热量导致的界面处硬度仅降低约70HV形成鲜明对比。
此外，通过将钢部件的较大和较深的硬度图案412与没有根据本公开进行预热的钢部件中的硬度图案410进行比较，可以容易地检测钢部件的预热。换句话说，通过常规摩擦焊接(没有预热)在钢部件中产生的热影响区的深度远小于在根据本公开的摩擦焊接之前经历预热的钢部件的总/有效表面硬度或热影响区的深度。硬度图案410的热影响区的深度仅为大约0.5毫米，而与之形成鲜明对比的是，硬度图案412的热影响区的深度延伸超过0.5毫米，或者在这种情况下，延伸到部件中大约2毫米。在一些示例性实施例中，热影响区深度可以延伸到约3毫米或更深。这是一种可测量的且显著的改进。
虽然本公开描述了使用感应加热线圈对部件进行预热，但是可以使用任何类型的加热，并且仍然可以认为是形成本公开的一部分，而不限于此。例如，感应加热的替代方案可以包括例如激光束加热、熔炉加热、火焰加热等。
在优选的方面，加热可以定位在待连接到另一部件的部件的表面上。以此方式，可以最小化和/或完全避免该加热对该部件的其余部分的材料特性的潜在不利影响。此外，在优选的方面，可以控制加热，使得部件的温度保持低于该部件的熔点温度。
虽然示例性公开描述了将钢部件连接到铝部件，但是本公开不限于连接那些合金。相反，本公开的方法可用于连接具有不同熔化温度的任何两种金属合金。具有较高熔化温度的合金可以在摩擦焊接之前预热。可连接的示例性合金包括，例如，钢或铜或镍基合金与铝或镁、钢与铜、金属的任意组合等，但不限于此。
此外，虽然本详细说明描述并示出钢齿轮和铝离合器壳，但应理解，本公开的示例性实施例可适用于组合两种不同的合金以形成单个部件。本公开的示例性实施例可用于为汽车提供部件，诸如在车辆推进系统内。
本说明书本质上仅是说明性的，并不旨在限制本公开，其应用或用途。本公开的广泛教导可以以多种形式实现。因此，虽然本公开包括特定示例，但是本公开的真实范围不应受此限制，因为在研究附图、说明书和所附权利要求时，其他修改将变得显而易见。

Claims (10)

1.一种用于将第一部件焊接到第二部件的方法，所述方法包括：
提供包含第一合金的第一部件；
提供包含第二合金的第二部件；
加热所述第一部件；以及
将所述第二部件固态焊接到所述第一部件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一合金具有比所述第二合金更高的熔点温度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中加热所述第一部件包括感应加热所述第一部件。
4.根据权利要求1所述的方法，其中加热所述第一部件包括局部加热所述第一部件的表面，并且其中将所述第二部件固态焊接到所述第一部件包括将所述第二部件固态焊接到所述第一部件的所述受热表面。
5.根据权利要求1所述的方法，其中加热所述第一部件包括在熔炉中加热所述第一部件、在烘箱中加热所述第一部件、激光束加热所述第一部件和火焰加热所述第一部件中的一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其中加热所述第一部件包括将所述第一部件加热至高于所述第二合金熔点温度的温度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中加热所述第一部件包括将所述第一部件的硬度降低约100HV以上。
8.根据权利要求1所述的方法，其中加热所述第一部件包括将所述第一部件的硬度降低约200HV以上。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一合金包括钢合金、镁合金、铜合金和铝合金中的一种。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二合金包括钢合金、镁合金、铜合金和铝合金中的一种。
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