CN1206078C - 加工金属构件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种处理金属构件的方法，其中第一和第二金属构件的搭接部分借助以下步骤被局部地连接：彼此搭接至少两个金属构件；将一转动体的平面末端压在所述第一金属构件的搭接部分的表面上，所述转动体绕其中心轴线转动，在所述平面末端中央形成一凹部；借助转动体转动引起的摩擦在转动体转动的方向上搅动所述金属构件的连接部分，同时将所述连接部分保持在非熔化状态，在非熔化状态中温度低于第一和第二金属构件的熔点，以便借助摩擦热量软化第一和第二金属构件并形成一个非熔化的搅动层，也借助所述转动体的转动和压力在转动体转动的方向及在所述金属构件的厚度的方向上，在所述凹部中搅动所述第一和第二金属构件。

Description

加工金属构件的方法

技术领域

本发明涉及加工金属构件如铝合金铸件及板材的方法。

背景技术

在目前的连接技术中，金属构件如板材或那些已压制形成三维形状的构件彼此搭接，并使用电阻焊接或电弧焊接、连接材料、螺栓紧固、铆接等连接起来。

如果金属构件呈现复杂的三维形状，则使用点焊方法，其中散布在金属构件上待焊接的多个部分可以局部地焊接起来。

作为另一种连接技术，日本专利第2712838号公开了一种连接方法，其中金属构件在保持在非熔化状态中时利于摩擦进行搅动。这种连接技术按照下述步骤将两个金属构件连接起来：在两个金属构件对接起来的部位，将称为探针的伸出部分插入接受焊接的金属构件表面并使其平动，同时转动探针；利用上述探针转动产生的摩擦热使上述表面附近的金属结构增塑。

但是，在上述专利所述的连接技术中，由于探针插入金属构件表面并移动，因而在探针运动轨迹的起、止点会留有焊接痕迹(孔)。这会引起与金属构件外观相关的问题，即，金属构件在焊接痕迹可以被看到的部分不能使用；需要事先形成过量的金属部分，并将探针起、止点置于这个部分中，以便在附加的加工中除去焊接痕迹；如果仍留有焊接痕迹，则会降低金属构件的疲劳强度。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而做出的，因而本发明的目的是提供一种加工金属构件的方法，该方法能够形成很强的构件与构件的连接而不致引起热变形和焊接痕迹。

为了克服上述问题，实现上述目的，按照本发明提供一种处理金属构件的方法，其中第一和第二金属构件的搭接部分借助以下步骤被局部地连接：彼此搭接至少两个金属构件；将一转动体的平面末端压在所述第一金属构件的搭接部分的表面上，所述转动体绕其中心轴线转动，在所述平面末端中央形成一凹部；借助转动体转动引起的摩擦在转动体转动的方向上搅动所述金属构件的连接部分，同时将所述连接部分保持在非熔化状态，在非熔化状态中温度低于第一和第二金属构件的熔点，以便借助摩擦热量软化第一和第二金属构件并形成一个非熔化的搅动层，也借助所述转动体的转动和压力在转动体转动的方向及在所述金属构件的厚度的方向上，在所述凹部中搅动所述第一和第二金属构件。

按照这种结构，金属构件可以牢固连接起来而不致引起热变形和焊接痕迹。

在上述转动体的末端最好形成一个凹部。按照这种结构，可以改善第一和第二金属构件的搅动特性。

在上述转动体末端上最好形成在周向上高度不同的凹部和凸部。按照这种结构，金属构件可以牢固地连接而不致引起热变形和焊接痕迹。

最好设置一个接受构件，通过第一和第二金属构件面对上述转动体的末端部分，并且在上述接受构件的末端部分中形成一凹部。按照这种结构，可以缩短连接时间，另外，即使金属构件的总厚度或搭接的金属构件的数目大，也可以进行令人满意的连接。

最好设置另一个转动体，使其通过第一和第二金属构件面对上述转动体的末端部分，这两个转动体反向转动，第一和第二金属构件夹在其间。

按照这种结构，连接时间可以缩短，另外，即使金属构件的总厚度或搭接的金属构件的数目大，也可以进行令人满意的连接。

第一和第二金属构件最好在移动上述转动体时被连续地连接。这能够形成牢固的金属构件对金属构件的接合部而不致引起热变形和焊接痕迹。

上述转动体的末端部分最好从厚度比另一个较小的金属构件的那侧受压。这能够使非熔化搅动层从第一金属构件至第二金属构件的扩展加速。

上述第一和第二金属构件最好按照下述步骤被连接：在承受连接的部位，使一种能够与上述第一和第二金属构件相互扩散的合金材料介入上述第一和第二金属构件之间；将上述转动体压在上述第一和第二金属构件的承受连接的部分上并使其转动，利用上述转动体的转动引起的摩擦搅动该部分同时保持其处于非熔化状态中，从而形成非熔化的搅动层，同时使非熔化的搅动层向所述第二金属构件扩展。

按照这种结构，由于使用了合金材料，因而可以得到高的连接强度，另外，也可以使不同种类的金属构件被连接。

在上述第一和第二金属构件被连接时最好同时清除由于所述转动体的转动和压迫而在上述转动体附近在上述第一金属构件上产生的毛棘。

这能够简化在完成金属构件的连接以后清除毛棘的方法。

本发明的加工金属构件的方法是按照下述方式改善金属构件的表面：将一个转动体的平面末端压在上述金属构件上；转动上述转动体，并利用所述转动体转动引起的摩擦搅动上述金属构件，同时保持其处于非熔化状态。

这能够精制金属结构并减少铸造缺陷，从而可以改善材料特性如热疲劳(低循环疲劳)寿命、延伸率及耐冲击性能。

附图说明

图1是一个转动工具及邻近部分的放大视图，说明按照本发明的一个实施例的搭接方法；

图2A，2B，3A，3B，4A和4B的视图用于说明各种可能类型的转动工具1的末端部分3的形状，图2A，3A和4A是转动工具的侧视图，图2B，3B和4B是末端部分的前视图；

图5是固定和驱动转动工具的铰接式机器人的示意图；

图6是用于说明连接金属构件的方法的视图；

图7是用于说明连接三个或更多金属构件的方法的视图；

图8A，8B和8C是表示当转动工具的末端部分是平的时候金属构件内的塑性流动状态的视图；

图9A，9B和9C是表示当一个凹部在转动工具的末端部分中形成时金属构件内的塑性流动状态；

图10是表示当转动工具的末端部分内形成凸起或槽时金属构件内的塑性流动状态的视图；

图11的示意图表示测试本实施例的非熔化摩擦搅动连接强度的方法；

图12的曲线图表示按照图11所示方法进行的连接强度测试的结果；

图13的视图表示汽车底架作为事先已压制成三维形状的金属构件被连接的情形；

图14是转动工具和附近部位的放大视图，表示在使转动工具能够前进时连续进行连接的情形；

图15的视图表示连接金属构件的方法，其中在使转动工具能够前进时连续进行连接；

图16是作为本发明实施例的转动工具的变型的一种转动工具的视图，该转动工具带有在其圆周上形成的径向延伸部分；

图17是按照本发明的实施例连接的金属构件的横剖图，表示连接部分的金属结构；

图18的视图表示在连接强度测试中按钮破裂时金属构件的状态；

图19的视图表示在连接强度测试中分离破裂时金属构件的状态；

图20是按照本发明连接的金属构件的横剖面的摄影图，表示相应于图17的连接部分的金属结构；

图21是图20的部分I的放大的摄影图；

图22是金属构件的横剖面的摄影图，表示图21的部分II的金属结构；

图23是图22的放大摄影图；

图24A，24B和24C的视图表示在第一和第二金属构件间介入合金材料将其连接的方法；

图25A，25B和25C的视图表示在第一和第二金属构件进行连接的部分P合金材料正在扩散的状态；

图26至29的曲线图表示在连接金属构件中控制转动工具的转数和压迫力的实例；

图30A，30B，30C和30D的视图表示下述状态：一个Zn-5Al层和一个铝合金板相互扩散形成一个由Al，Al-Zn，Zn-Al，Fe-Zn和Fe构成的扩散层，其后形成一个Al-Zn-Fe合金层，从而使金属构件连接起来；

图31是设有切削刀片的转动工具的末端部分的视图；

图32是设有毛刺抑制凸缘的转动工具的末端部分的视图；

图33的视图表示转动工具上安置切削刀片或毛刺抑制凸缘的位置；

图34A，34B和34C的视图表示当转动工具设有切削刀片时除毛刺的方法；

图35A，35B和35C的视图表示当转动工具设有毛刺抑制凸缘时除毛刺的方法；

图36A，36B，36C和36D的视图表示设有切削刀片或毛刺抑制凸缘，使其相对于转动工具上、上移动的情形，并用于说明除毛刺的方法；

图37的表格表示用于表面处理的铝合金铸件中含有的成分的百分比；以及

图38的视图表示本发明的用于表面处理的实例，即，在汽车的缸盖上形成的相邻孔道之间的部分(气门间的部分)上进行表面改善处理的方法。

具体实施方式

下面对照附图详述本发明的实施例。

现在参阅图1，图中表示转动工具和附近部位的放大视图，说明按照本发明的一个实施例的搭接连接方法。

本发明的连接方法用于连接金属构件如铝合金板材及那些已压制成三维形状的金属构件，是按照下述步骤连接第一和第二金属构件W1，W2：相互搭接至少两个金属构件；将一个转动工具1压在搭接的构件，即，第一金属构件W1的最外表面上；并利用转动工具1转动产生的摩擦热搅动第一和第二金属构件W1和W2之间的金属结构，同时将其保持在非熔化状态中。

采用这种方法，由于金属结构被搅动，同时被保持在非熔化状态，因而可以避免例如电阻焊接引起的问题如热变形。

在本文中使用的术语“搅动金属结构，同时保持其处于非熔化状态”的意思是，在低于金属材料中含有的、被搅动的成分或易熔质的最低熔点的温度下，金属结构被转动体转动产生的摩擦热软化。

如图1所示，这种涉及利用摩擦搅动的连接方法是按照下述步骤连接第一和第二金属构件W1，W2的：相互搭接至少两个金属构件W1，W2；将一个圆柱形转动工具1的平面末端3压在搭接的金属构件，即，第一金属构件W1的最外表面上，同时使其围绕其轴线转动；利用所述转动体的转动产生的摩擦热搅动上述第一和第二金属构件W1，W2的待连接的部分，同时将其保持在非熔化状态中，以便形成非熔化搅动层，同时使非熔化搅动层向所述第二金属构件W2扩展。

设置一个接受构件4，隔着第一和第二金属构件W1，W2面对转动工具1的末端3。接受构件4设计得具有大于转动工具1外径的外径。

转动工具1的直径φ1约为10至15mm。虽然转动工具1和接受构件4都是钢(超硬合金等)构成的不磨损型工具，硬度高于金属构件的硬度，但是，金属构件的材料并不局限于铝合金，只要其软于转动工具1的材料即可。

也如图6所示，几乎在转动工具1的末端部分3的中心形成一个凹部3a，并且几乎在接受构件4的中心形成一个凹部5a。

各凹部3a和5a可以设置在转动工具1上或接受构件4上，也可以设置在两者上。

图2A，2B，3A，3B，4A和4B的视图表示各种形式的转动工具1的末端部分3的不同形状，图2A，3A和4A是转动工具1的侧视图，图2B，3B和3C是末端部分的前视图。

在图2A和2B所示的转动工具1中，末端部分3形成有一个相对于与金属构件接触的接触表面的斜坡，且从接触表面的高度可以改变。在图3A和3B所示的转动工具1中，平面的末端部分3设有从其中心至圆周的多个凸起(或槽)3b。在图4A和4B所示的转动工具1中，平面的末端部分3设有从其中心至圆周的至少一条槽(或凸起)3c，因而末端部分的高度在周向上是变化的。

转动工具1只需在末端部分的周向上具有不匀度或波状加工面即可，这可以通过综合图1所示的凹部3a和图2A，2B，3A，3B，4A和4B所示的末端部分3的形状之一而形成。或者，具有图3A，3B，4A和4B所示的形状中的任一种的转动工具1可以通过综合凸起和槽而形成。太高的凸起及太深的槽是不适宜的，这是由于转动工具1对金属构件的搅动特性会变劣的缘故。

转动工具1以可转动的方式安装在下面将描述的铰接式机器人10的臂上，转动工具1的形状在待连接的金属构件具有复杂的三维形状时可使待焊接的金属构件在其上分布的多个部分上局部地被连接。

图5是安装和驱动转动工具的铰接式机器人的示意图。

如图5所示，铰接式机器人10连接在一个设在底座11上的接头12上，并围绕y轴线摆动，它包括一个在接头13处围绕z轴线转动的第一臂14、一个通过接头15连接于第一臂14且围绕y轴线摆动，同时在接头16处围绕x轴线转动的第二臂17，以及一个通过接头18连接于第二臂17且围绕y轴线摆动的第三臂19。

第三臂19上应以可转动的方式装有一个转动工具1，包括一个用于可转动地驱动转动工具1的电机20和一个布置得面对转动工具1的末端部分的接受构件4。转动工具1的末端部分3和接受构件4的末端部分之间的间距借助致动器22可以改变，并且设计得可以处置在连接操作中作用在金属构件上的压制力，并且可以处置彼此叠置的三个或更多金属构件。

铰接式机器人10的臂、电机和致动器的操作事先教授给机器人，并由一个控制部分30控制。

准备由转动工具1作用在金属构件上的压制力是根据总的板厚和搭接的金属构件的数目为每个连接部分设定的，这适用于构件间板厚彼此不同的情形。

当连接三个或更多金属构件时，例如，连接第一金属构件W1至第三金属构件W3时，如图7所示，采用一对外径相同的转动工具1A，1B，使金属构件夹置在其间进行连接工作。在这种情形中，转动工具1B而不是接受构件4以可以转动的方式安装在铰接式机器10上，转动工具1A，1B彼此反向转动，使第一金属构件W1至第三金属构件W3夹置在彼此面对的其末端部分3A，3B之间。

即使第一和第二金属构件W1，W2厚度不同，它们也可以被连接；当从厚度较薄的金属构件侧压迫转动工具1时，搅动尤其更为容易，从而可实现均匀连接加工。

[在连接中金属结构的塑性流动]

图8A，8B和8C的视图表示转动工具的末端部分是平的时候，金属构件内的塑性流动状态。图9A，9B和9C的视图表示当在转动工具的末端部分中形成凹部时在金属构件内的塑性流动状态。

如图8A，8B和8C所示，在使用平的末端部分3的转动工具1(为了描述简单，接受构件4的末端部分5是平的)的情形中，当在几乎垂直于第一金属构件W1的方向上继续将以一定的rpm转动的转动工具1压在第一金属构件W1上时，在转动工具1和第一金属构件W1之间引起摩擦，因而使第一金属构件的表面软化，第一和第二金属构件W1，W2之间的金属结构在转动工具1转动的方向上被搅动，同时保持在未熔化状态中。增加转动工具1压在第一和第二金属构件W1，W2上的压制力使其连接起来同时保持在非熔化状态中。

在转动工具1中形成凹部3a，这可促进凹部内的塑性流动，在那里被搅动的金属结构的圆周速度几乎为零，在接受部分4内形成凹部5a可促进不与转动工具1接触的金属构件的塑性流动。

如图10所示，在采用末端部分3中形成凸起(或槽)3b的转动工具1的情形中(为便于描述，接受构件4的末端部分是平的)，由在末端部分3中形成的径向不均匀性，金属结构在转动工具1转动的方向上被搅动，同时第一和第二金属构件W1，W2之间的界面根据转动工具1的转动承受的塑性流动在其上、下方向(垂直于待连接金属构件的表面的方向)上周期性变化。这种周期性上、下塑性流动促进了两金属构件间界面的扩散，最后使彼此搭起的第一和第二金属构件W1，W2连接在一起，同时保持非熔化状态。

如上所述，在转动工具1的末端部分3设有凹部3a的情形中，待连接的整个金属结构完全被搅动，使金属构件的连接强度增加。另一方面，在转动工具1的末端部分3不设置凹部3a且是平的情形中，金属结构在垂直于待连接的金属构件的表面的方向上未被充分搅动；因而连接强度变低。

在转动工具1中形成径向不匀度的情形中，转动工具1的末端部分与金属结构接触的状态与在转动工具1的末端部分中形成凹部的情形中的状态不同，承受搅动的金属结构在中心部分的角度可设定得低于圆周部分的角速度；因此，末端部分中形成径向不匀度的转动工具1优于在末端部分中形成凹部3a的转动工具之处在于它具有极好的搅动特性，并且易于引起三维塑性流动，即，在其转动及在其末端部分的较宽范围内的上、下方向上的塑性流动。

[测试结果]

虽然该实施例的连接加工使用按照JIS标准的JIS6000钢板(Al-Mg-Si钢板)作为金属构件，但是，钢板JIS5000(Al-Mg钢板)及某些其它金属材料也是适用的。

图11的示意图说明测试该实施例的非熔化摩擦搅动连接强度的方法。图12的曲线图表示按照图11所示方法进行的连接强度测试的结果。

在图11所示的连接强度测试方法中，连接强度是用在彼此相反方向上拉动第一和第二金属构件W1，W2时分开连接表面的拉力来指示的。

连接条件为：转动工具1的转数为2000rpm，转动工具1的末端部分3的直径φ为10mm，压制持续时间是指在在将转动工具1压在金属构件上深度为0.2mm后的持续时间，所使用的金属构件为厚度1mm的JIS6000。

如图12所示，当使用末端部分3中形成凹部3a的转动工具1时，连接强度比使用带有平的末端部分3的转动工具1时高，而且强度要求得到满足。

另外，在使用带有平的末端部分3的转动工具的情形中，当试图分开连接的金属构件时，首先的分裂出现在金属构件的连接表面处，在那里使金属构件彼此分离，如图19所示，另一方面，在使用末端部分3中形成凹部3a的转动工具的情形中，当试图分裂连接的金属构件时，金属构件并不在连接面分裂，而是首先出现按钮破裂(button ruture)，其中相应于转动工具1的圆周的部分Wa破裂，如图17和18所示。因此，显然在使用末端部分3中形成凹部3a的转动工具时可以获得较高的连接强度。

另外，如图20至23所示，在使用末端部分3中形成凹部3a的转动工具进行连接的情形中，由于被连接的金属构件之间的界面被充分搅动而实现均匀一致，因而获得了较高的连接强度。

转动工具1压在金属构件上的压制持续时间越长，连接强度越高；但是，当压制持续时间为大约10秒或更长时，在使用末端部分带有凹部3a的转动工具1及使用带有平的末端部分的转动工具1的两种情形中可以获得相同的连接强度。

[带有合金介入的连接]

第一和第二金属构件可以在其间介入合金材料的情形中进行连接。

图24A，24B和24C的视图表示第一和第二金属构件间介入合金材料进行连接的方法，图25A，25B和25C的视图表示合金材料在第一和第二金属构件进行连接的部分P处正在扩散的状态。

如图24A，24B，24C，25A，25B和25C所示，例如，第一金属构件W1是铝合金板，第二金属构件W2是Fe钢板，其上带有通过一个Zn-Fe-Al或Zn-Fe合金层Wd形成作为合金材料的一个Zn-5Al或Zn热镀层。Zn-5Al层包括重量大约95％的Zn成分和重量大约5％的Al成分。Zn-5Al层最好包括铝合金和其上镀有的Zn-5Al合金材料。Zn热镀层是可以买到的，其形成为在金属构件上镀有防锈层。

当通过作为合金材料的Zn-5Al或Zn热镀层彼此搭接第一和第二金属构件W1，W2，并且将转动工具1压在第一金属构件W1的相应于与第二金属构件W2连接的部分P的表面部分上时，铝合金被转动工具1的转动引起的摩擦搅动，并开始塑性流动。当增进塑性流动时，铝合金表面上的氧化物膜破裂，Zn-5Al或Zn热镀层Wc和铝合金开始相互扩散而形成由Al，Al-Zn，Zn-Al，Fe-Zn和Fe构成的扩散层。当进一步增进塑性流动时，扩散层变成Al-Zn-Fe合金层We，铝合金板W1和钢板W2通过Al-Zn-Fe合金层We连接在一起。

当将没有Zn-5Al或Zn热镀层Wc的钢板和铝合金板连接在一起时，可以将铝合金材料如Zn-5Al层或Zn合金箔只在连接部分P处特别地介入两构件之间。另外，作为合金材料，在第二金属构件W2不仅可形成Zn-Al层，也可以形成Mg-Al层。

作为转动工具1，不仅可以使用带有平的末端部分的转动工具，也可以使用带有各种形状的末端部分的转动工具。也可以使用在末端部分上设有称为探针的凸起2的转动工具。

转动工具1压在第一和第二金属构件W1，W2中任何一个具有比另一个较低熔点的金属构件上，借助转动工具的转动引起的摩擦搅动金属构件的金属结构。

从铝合金构件那侧压迫转动工具，由于铝合金构件与钢板构件相比借助较少的加热就可软化，而钢板构件具有较高熔点，而且在高温下比铝合金有较高的强度，因而使金属构件可在短时间内被连接起来，从而可减小施加在转动工具上的热及机械负载，因此，优点在于可以提高转动工具的寿命。

如图26至29所示，压在金属构件上的转动工具1的转板可保持大约1000rpm不变(图26，27)，或者也可以周期性变化以促进铝合金构件上的氧化物膜的破裂(图28，29)。降低转数使连接需要较长时间，因而不是推荐的作法。

转动工具1压在金属构件上的压制力保持不变(图26，28)或逐渐增加(图27，29)。降低压制力会引起不令人满意的塑性流动，因而不能取得令人满意的连接强度。

关于转数和压制力之间的关系，当金属结构软化时，压制力必须被增加。

[合金材料的扩散连接]

图30A，30B，30C和30D的视图表示下述状态；Zn-5Al层和铝合金板相互扩散以形成Al，Al-Zn，Zn-Al，Fe-Zn和Fe构成的扩散层，然后，塑性流动进一步被增进而形成Al-Zn-Fe合金层We，最后，铝合金板W1和钢板W2通过Al-Zn-Fe合金层We连接在一起。

当如图30A所示彼此搭接铝合金板和Fe钢板，其间介入Zn-5Al层，而且借助转动工具1引起的摩擦搅动搭接板的金属结构，同时保持其非熔化状态时，如图30B所示，在铝合金板底部形成一个由Al和Zn-5Al层构成的扩散层，并且在Fe钢板顶部形成一个由Fe和Zn-5Al层构成的扩散层。

当通过进一步搅动金属结构而使塑性流动增进时，Zn-5Al层的Zn成分进一步扩散在铝合金板和Fe钢板中，这种扩散反应逐渐减小Zn成分在Zn-5Al层中的比率(增加Al成分的比率)，如图30C所示。

当使图30C所示状态中的塑性流动进一步进展时，扩散反应出现在铝合金板侧和Fe钢板侧的扩散层之间；因此，形成一个Al-Zn-Fe合金层，如图30D所示。

如上所述，第一和第二金属构件W1，W2通过Al-Zn-Fe三成分系统的合金层连接在一起。这可以防止在第一金属构件W1和第二金属构件W2的接合面上形成脆的金属互化物，即，Fe-Al；这样，Al-Zn-Fe三成分系统的合金层保证了很高的连接强度。

[金属构件的形状]

本发明的实施例适于连接已事先压制成三维形状的金属构件，具体来说，在金属构件已压制成复杂的三维形状，且多个待连接的部分P使转动工具1不能连续移动的情形中，象如图13所示的汽车车身框架W1及其加强构件W2被连的情形，如果使用按照本实施例的连接方法，那么，这种压制成复杂三维形状的金属构件可以局部地焊接并连接在一起。

[去毛刺结构]

图31的视图表示设有切削刀片的转动工具。图32是设有毛刺抑制凸缘的转动工具的末端部分的视图。

为了去除在连接操作中在金属构件上产生的毛刺Wb(参阅图17)，如图31和32所示，在转动工具1的末端部分附近的周面上可整体形成或单独形成作为径向延伸部分的切削刀片1b或毛刺抑制凸缘1c。

切削刀片1b是平的，且与末端部分3平行，转动工具1的末端部分附近的周面设有四个90°间隔的切削刀片。切削刀片1b不必一定是平的，例如，也可构成螺旋切削刀片。按照金属构件的成分及转动工具1的压制深度，刀片的数目可任意设定。

毛刺抑制凸缘1c是平的，且平行于末端部分3，在转动工具1的末端部分3附近的整个周面上形成。

图34A，34B和34C的视图表示当转动工具设有切削刀片时去除毛刺的方法。图35A，35B和35G的视图表示当转动工具设有毛刺抑制凸缘时去除毛刺的方法。

在使用切削刀片1b去除毛刺的情形中，在转动工具1附近，在金属构件W1上产生的毛刺Wb被转动工具1在金属构件W1上的转动和压制而切除，如图34A，34B和34C所示。

在使用毛刺抑制凸缘1c去除毛刺Wb的情形中，在转动工具1附近，在金属构件W1上产生的毛刺Wb被转动工具1在金属构件W1上的转动和压制而被压碎，如图35A，35B和35C所示。

切削刀片1b或毛刺抑制凸缘1c在转动工具1的下述位置上形成，即，在该位置上其从末端部分3轴向离开t，t为转动工具1的末端部分压制的深度，如图33所示。

采用切削刀片1b可以完成去除毛刺的工作，但是，也形成碎片Wb，另外，由于必须使用硬质切削刀片1b，因而提高了转动工具1的成本。另一方面，采用毛刺抑制凸缘1c会使连接表面外观稍差，这是由于压碎的毛刺Wb仍在连接表面上；但是，其优点在于成本低且不形成碎片。

切削刀片1b或毛刺抑制凸缘1c并非必须固定在转动工具1上，它也可以按照下述方式形成；即，可以相对于转动工具1的转动轴线共轴地上、下移动。

图36A，36B，36C和36D的视图表示切削刀片1b或毛刺抑制凸缘1c设置得可相对于转动工具上、下移动的情形，并表示在这种情形中去除毛刺的方法。

图36A，36B，36C和36D所示，切削刀片1b或毛刺抑制凸缘1c设置在一根中空轴41的末端部分上，所述中空轴可沿相对于转动工具1的转动轴线共轴地在转动工具1的周面上、下移动(或围绕该周面转动)。

在图36A和36B所示的连接工作中，在使用这种上、下移动式切削刀片1b或毛刺抑制凸缘1c清除毛刺Wb的情形中，可向上移离被连接的部分，在完成连接以后，可向下移动，以便通过切削或压碎毛刺Wb而去除毛刺，如图36c和36D。

与切削刀片1b或毛刺抑制凸缘1c固定的情形相比较，使切削刀片1b或毛刺抑制凸缘1c可移动则需要复杂而昂贵的设备；但是，其优点在于，当按照金属构件改变转动工具的压制深度时，可以用同一个转动工具进行。

[连续连接]

在上述实施例中，描述了一个点连接的实例，其中，转动工具1压在金属构件待连接的部分上并不移动；但是，当使转动工具1前进或摆动时连接可以连续地进行，如图14所示。

当使转动工具1可前进，如图14所示时，如果使转动工具1如图15所示向后倾斜大约1°角时移动，那么，与垂直将其压在金属构件上的情形相比，其搅动特性可得到改进。

[变型]

作为本发明实施例的变型，为抑制金属构件的变形，连接工作可以在冷却金属构件被连接部分时进行。作为一种冷却方法，连接可以在冷却水中进行，或者也可将冷却水送至连接部分。

另外，为了除去在连接操作中在金属构件上产生的毛刺Wb(见图17)，在转动工具1的邻近其末端部分的侧面上可以形成径向延伸部分1a。径向延伸部分1a在转动工具1上形成的位置，使其与末端部分3轴向偏离一定距离，该距离是转动工具1的末端部分压制的深度，径向延伸部分1a也可以用于向下保持金属构件。

[表面处理]

按照本发明实施例的连接技术适用于金属构件的表面处理。

这种表面处理用在铝合金铸件上，这种技术用于表面改善处理，特别是在汽车的缸盖、活塞和制动盘上形成的相邻孔之间的部分(气门间的部分)的表面改善处理。按照这种技术，通过铝合金铸件承受表面改善处理的区域的搅动可实现金属结构的细化、共晶硅(Si)颗粒的均匀弥散和铸件缺陷的减少，上述搅动是利用摩擦，同时保持非熔化状态，从而使材料的特性如热疲劳(低循环疲劳)寿命、延展率和耐冲击性能比目前再熔化处理所能够取得的特性更好。

在按照本发明实施例的表面处理中，按照JIS标准化的一种铝合金，AC4D，用作一个实施，如图37所示；但是，铝合金铸件的成分比率可以在下述范围内变化：Mg的重量含量0.2至1.5％；硅(Si)的重量含量1至24％，最好为4至13％。也可以使用在活塞中使用的AC4B、AC2B和AC8A。硅含量的上限设定为24％的原因在于，即使硅含量增加至大于24％，材料特性和铸造特性也被饱和，而且搅动特性变劣。

在含有镁的铝合金铸件中，当通过热处理使Mg₂Si析出时，其强度增加。但是，象再熔化处理的情形那样，在铝合金铸件的金属结构借助使其熔化而被细化的情形中，熔点低(650℃)的镁有时可蒸发，使其含量降低。镁含量的减少，即使铝合金铸件承受热处理，也会降低铝合金铸件的硬度和强度，这样就不能获得需要的材料特性。

另一方面，在采取利用摩擦的搅动的表面处理中，金属结构决不会熔化，镁成分不会蒸发；因此，当Mg₂Si通过热处理析出时，铝合金的强度可被提高。

在铝合金中添加硅可改善其可铸性(熔融金属的流动性、收缩特性和耐热裂性能)；但是，共晶硅是一种缺陷，使其机械性能(延伸率)变劣。

共晶硅使伸展率下降，这是由于它硬而脆，是裂缝的起点和延展路径。它也使疲劳寿命下降，特别是在反复承受热应力的气门之间的部分上。在金属结构中，这种共晶硅形成树枝晶；但是，如果共晶硅被细化及均匀弥散，则可以抑制由于应力集中引起的裂缝及其扩展。

图38的视图表示本发明实施例应用于表面处理的实例，即，表示在汽车缸盖上形成的相邻孔之间的部分(气门间的部分)上进行表面改善处理的方法。

如图38所示，表面改善处理是按照下述方式进行的：沿着处理轨迹F1-F3。横过相邻孔的气门之间的部分移动转动工具1，同时借助转动工具转动引起的摩擦搅动该部分。

虽然结合推荐实施例对本发明进行了描述，但是，显然可对其进行各种修改和变化而并不背离本发明的精神及超出本发明的范围。

本发明适用于除汽车中所使用的钢板以外的任何材料的连接。

Claims (7)

1.处理金属构件的方法，其中第一和第二金属构件的搭接部分借助以下步骤被局部地连接：

彼此搭接至少两个金属构件；

将一转动体的平面末端压在所述第一金属构件的搭接部分的表面上，所述转动体绕其中心轴线转动，在所述平面末端中央形成一凹部；

借助转动体转动引起的摩擦在转动体转动的方向上搅动所述金属构件的连接部分，同时将所述连接部分保持在非熔化状态，在非熔化状态中温度低于第一和第二金属构件的熔点，以便借助摩擦热量软化第一和第二金属构件并形成一个非熔化的搅动层，也借助所述转动体的转动和压力在转动体转动的方向及在所述金属构件的厚度的方向上，在所述凹部中搅动所述第一和第二金属构件。

2.如权利要求1所述的处理金属构件的方法，其特征在于：在所述转动体的末端部分上形成在周向上高度不同的凹部和凸部。

3.如权利要求1所述的处理金属构件的方法，其特征在于：设置一个接受构件，使其相隔第一和第二金属构件面对所述转动体的末端部分，并且在所述接受构件的末端部分上形成一个凹部。

4.如权利要求1所述的处理金属构件的方法，其特征在于：设置另一个转动体，使其相隔第一和第二金属构件面对所述转动体的末端部分，在所述另一个转动体的末端部分中形成一个凹部，所述两个转动体彼此反向转动，使第一和第二金属构件夹在其间，从而使所述第一和第二金属构件的搭接部分被局部地连接。

5.如权利要求1所述的处理金属构件的方法，其特征在于：所述转动体的末端部分是从所述两金属构件的较薄侧加压的。

6.如权利要求1所述的处理金属构件的方法，其特征在于：进一步通过以下步骤局部地连接所述第一和第二金属构件：

使能够与所述第一和第二金属构件相互扩散的合金材料在被连接的部分介入所述第一和第二金属构件之间；以及

借助所述转动体的转动和压力，使所述合金材料与所述第一和第二金属构件的所述非熔化的搅动层发生扩散。

7.如权利要求1所述的处理金属构件的方法，其特征在于：所述第一和第二金属构件被局部地连接，同时除去由于所述转动体的转动和加压在所述转动体附近在所述第一金属构件上产生的毛刺。

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