CN1226114C - 连接技术与连接装置 - Google Patents

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Abstract

至少两种材料被叠合且转动工具1被压在第一材料W1的最外层表面上，从而，被叠合的第一与第二材料W1、W2之间的金属结构在非熔化条件下被摩擦热搅动而使材料连接。

Description

连接技术与连接装置
技术领域
本发明涉及把铝合金或模压材料所制的板材连接起来的方法与装置。
背景技术
在常规的连接技术中，板材或预先模压成三维形状的材料由于用电阻焊、电弧焊、粘合、螺栓拧紧或铆接而被连接得叠合起来。
当这些材料是复杂的三维形状时，就采用能把多个分散的连接部分局部连接的点焊。
另一种连接技术公开在日本专利第2712838号中，该技术是一种在非熔化条件下的摩擦搅动连接方法。这种连接技术是把一个称为探头的突出部可转动地插入并转移到两个毗连构件的连接表面上，以便通过摩擦生热而使连接表面附近的金属结构可塑，从而实现连接。
在上述点焊中，当材料是复杂的三维形状或者具有不同的厚度或质量时，最佳焊接条件要选择得依每个焊接部分而定。这就要求大的变压器和电压源以便对焊接电极施加高电压，并要求有冷却介质的循环系统以便冷却变压器，因而牵涉到对设备的巨大投资。
在上述专利所公开的连接技术中，探头被插入金属构件的表面而被移动，从而使探头从其中拉出来的那些焊接痕迹(孔)留在探头移动轨迹的起始点与结尾点处。这会在外表上出现问题，即该技术不能用在焊接痕迹看得见的区域，且要求预先形成一个衬垫以便在后期处理中去除焊接痕迹，并确定探头在衬垫上的起始点与结尾点。
发明内容
本发明考虑到了上述问题，其目的是提供一种用于连接的方法与装置，它所要求的设备投资小，且能够不留下连接痕迹地把材料牢牢连接起来。
按照本发明的第一方面，提供一种用于把多种材料以叠合方式连接起来的装置，包括：一个转动工具，它具有在其末端处的一个突出部，并绕自身轴线转动；以及用于转动所述转动工具的驱动装置；其特征在于它还包括：一个接纳构件，它与所述转动工具相对设置以便与所述转动工具一起夹紧所述材料；以及一个可三维活动的多关节结合机器人，所述转动工具、所述接纳构件和所述驱动装置安装在所述多关节结合机器人的一个臂的端部上，以便将所述转动工具和所述接纳构件移至所述材料的多个分散的连接部分而不使所述转动工具和所述接纳构件接触所述材料，并在每个连接部分上沿所述转动工具和所述接纳构件的轴线方向移动所述转动工具和所述接纳构件将正在转动的所述转动工具的所述突出部在叠合的材料的最外表面上压靠在所述连接部分上，使所述突出部插入所述材料内而不使所述突出部从材料凸起，并通过摩擦搅动所述材料以点的方式连接所述材料。
按照本发明的第二方面，提供一种用于以叠合状态连接多种材料的连接方法，该方法使用一个在末端处有一突出部且绕自身轴线转动的转动工具和用于转动所述转动工具的驱动装置，其特征在于：该方法包括以下步骤：借助一个可三维活动的多关节结合机器人将所述转动工具和一个接纳构件移至所述材料的多个分散的连接部分而不使所述转动工具和所述接纳工具接触所述材料，并在每个连接部分上沿所述转动工具和所述接纳构件的轴线方向移动所述转动工具和所述接纳构件，所述接纳构件相对于所述转动工具设置以便与所述转动工具一起夹紧所述材料；以及通过将正在转动的所述转动工具的所述突出部在叠合的材料的最外表面上压靠在所述连接部分上，使所述突出部插入所述材料内，并借助摩擦搅动所述材料，从而点连接所述材料。
在上述方法中，所述多种材料各自具有不同的厚度，所述转动工具的所述突出部从所述材料的较薄侧压靠。
在上述方法中，所述多种材料事先形成三维形状。
附图说明
图1是一件转动工具的周边放大视图，它显示符合本发明一个实施例的连接方法；
图2是图1所示连接部分的金属结构的剖视图；
图3是一个用于把持并驱动转动工具的多关节结合机器人的略视图；
图4是当有3件以上材料被连接时的连接部分的金属结构剖视图；
图5是当有不同厚度的材料被连接时的连接部分的金属结构剖视图；
图6的视图，显示用转动工具使材料可塑流动的条件；
图7的视图，显示用不同的材料所作连接强度测试得出的结果；
图8的视图，显示测试转动工具的转速与连接强度之间的关系得出的结果；
图9的视图，显示把汽车的车体框架作为预先模压成三维形状的材料而连接的情况；
图10的视图，显示把一个车蓬及加强构件，作为预先模压成三维形状的材料而连接的情况；
图11的视图，显示把汽车的一个具有带闭合部分和支架的空心结构的管状车体框架，作为预先模压成三维形状的材料而连接的情况；
图12是当转动工具被向前移动以进行持续连接时的连接部分的金属结构剖视图；
图13的视图，显示按照这个实施例对转动工具作了大修改后的该转动工具的一个突出部；
图14的视图，显示按照这个实施例对转动工具作了微小修改后的该转动工具的一个突出部。
专业人员从以下对本发明的一个推荐实施例所作的说明中，就可明白除上文讨论过之外的其他一些目的和优点。在以下说明中，要参看附图，这些附图是说明的一部分，且它们显示本发明的一个例子。然而，该例子并不排斥本发明的各种实施例，因此，还要参看附在说明后面用以确定本发明范围的权利要求书。
具体实施方式
下面，参照附图，详细说明本发明的各个实施例。
图1是一件转动工具的周边放大视图，它显示符合本发明一个实施例的连接方法；图2是图1所示连接部分的金属结构剖视图。
此实施例的连接方法，应用于对铝合金或预先模压成的三维形状材料所制板材的连接，因而使至少两种材料被叠合，且转动工具1被压在第一材料W1的最外层表面上，以便在非熔化条件下以摩擦热搅动在所叠合的第一与第二种材料W1、W2之间的金属结构，从而进行连接。
这种非熔化的搅动，能解决电阻焊或类似连接方法中出现的热变形问题。
上文提到的非熔化搅动条件，指的是金属结构被以摩擦热软化而搅动，该摩擦热的温度，低于基本材料中所含相应成分或低共熔成分的熔点中的最低熔点。
如图1所示，采用摩擦搅动的连接方法，包括下列步骤：把至少两种材料W1、W2叠合，围着其轴线转动末端部分3处具有突出部2的筒形转动工具1以便把末端部分3压在第一材料W1的最外层表面上，把突出部2插入该材料中，并在非熔化条件下以摩擦而搅动被叠合的第一与第二种材料W1、W2以便把这些材料连接起来。
在与转动工具1的末端3背反之处，配置了接纳构件4，以便抓住第一与第二种材料W1、W2。接纳构件4的外径被设计得大于转动工具1的外径。
转动工具1的直径φ1约为10至15毫米，突出部2的直径φ2约为5至7.5毫米，而连接部分的直径φ3约为8至9毫米。
转动工具1和接纳构件4都是非摩擦型的工具，它们是由比连接材料更硬的钢产品(例如硬金属)制成的，而连接材料如果比转动工具1软，则不限于铝合金。
突出部X1的长度被定位成连接部分X2深度的80％至90％，该深度为突出部X1长度的1.1至1.2倍。连接部分X2的深度按照与突出部X1长度的比例而增大(一根针的长度的1.1至1.2倍)。
转动工具1被可转动地安装在下文提到的一个多关节结合机器人的手臂上，且被构制得在材料是复杂的三维形状的情况下以(局部的)点焊方式使多个分散的连接部分连接在一起。
图3是一个用于把持并驱动转动工具的多关节结合机器人的略视图。
如图3所示，多关节结合机器人10包括第一臂14、第二臂17及第三臂19，第一臂连接着一个配置在底座上围着y轴摆动且在接头13处围着z轴转动的接头12，第二臂经由接头15而连接着第一臂14以便于围着y轴摆动且在接头16处围着x轴转动，第三臂19则经由接头18连接着第二臂17而围着y轴摆动。
第三臂19上配置了电机20，转动工具1安装在该电机上，且该电机转动地驱动转动工具1及安置在与转动工具1的末端3背反处的接纳构件4。转动工具1的末端部分3与接纳构件4的末端部分之间的空间，可由一个调节器22调节而变化，该调节器是设计来对付与被连接的材料或多于三种以上的叠合材料相阻抗的压力的。
每只臂、电机和调节器这几者中每一者的移动，均由控制器30所控制，该控制器预先发出指令。
与材料相阻抗的转动工具1的压力，依根据总厚度的每个连接部分或依各种材料的叠合数量而定，且在各种材料具有分别不同的厚度的情况下该压力可被应用。
如图4所示，当材料多于第一至第三材料W1至W3这三种材料时，这些材料就被一对转动工具1A、1B抓住而被连接，这对工具的外径相等。在此情况下，转动工具1B而不是图3中的接纳构件4，就被可转动地安装在多关节结合机器人10上，第一至第三材料W1至W3被彼此相反的转动工具1A、1B的尖端3A、3B抓住而将突出部2A、2B插入材料中，且顺着相反方向使转动工具1A、1B均转动。
如图5所示，具有不同厚度的第一与第二材料能被连接。具体说，从较薄的材料一侧压迫转动工具1，有助于搅动，从而达到均匀的连接。
图6的视图，显示用转动工具使材料可塑流动的条件。
如图6所示，基本上垂直于第一金属构件W1而压迫以预定转动速度转动的转动工具1，就会在转动工具1与第一金属构件W1之间产生摩擦，从而把第一金属构件W1的表面软化得使第一与第二材料W1、W2之间的金属结构在非熔化条件下被顺着转动方向搅动。当由转动工具1产生的与第一金属构件W1相阻抗的压力加大时，与转动工具1不相接触的第二材料W2开始被一起搅动。此时，第一与第二材料W1、W2的金属结构被顺着转动工具1的转动方向搅动，且在突出部2处顺着厚度方向(顺着与第一和第二材料W1、W2的连接表面相垂直的方向)也被搅动，而且被叠合的第一与第二材料W1、W2最终被未熔化地连接了。
以此方式，转动工具1的突出部2有助于金属结构的可塑流动而被搅动。
在此实施例的连接过程中，被用来连接的材料，例如是按日本工业标准(JIS)分类的5000系列合金钢板(A1-Mg合金板)或6000系列合金钢板(A1-Mg-Si合金板)，然而，也可采用其他金属材料。
图7的视图，显示用不同的材料所作连接强度测试得出的结果；图8的视图，显示测试转动工具的转速与连接强度之间的关系得出的结果。
在图7所示对连接强度所做的测试中，已连接的材料被顺着彼此相反的方向拉，以测量当连接表面被分开时作为连接强度的张力。
如图7所示，5000系列合金钢板(A1-Mg合金板)和6000系列合金钢板(A1-Mg-Si合金板)二者，其连接强度均高出所要求的强度。
如图8所示，当连接强度符合所要求强度时的转动工具1的转速，最好为1000至2500转/分钟。如果转速低于1000转/分钟，连接强度就会因搅动不够而降低；与此对照，如果高于2500转/分钟，则由于金属结构被搅动的旋转是停顿的且未被搅动，强度也会降低。
如上所述，比起常规的点焊方法来，以对设备的较少投资，就可不留下突出部连接痕迹地使材料牢牢连接。
此实施例适合于连接预先模压成了三维形状的材料。也就是说，把图9所示汽车的车体框架或把图10所示的一个车蓬W1及加强构件W2，作为模压成三维形状的及转动工具1不能在其上面被持续移动的材料，对其中的多个分散的连接部分P处作同样连接，可以用此实施例的连接方法进行局部焊接，从而，即使在材料模压成之后也能进行连接。
如图11所示，在把汽车的一个具有带闭合部分和支架W2的空心结构的管状车体框架W1加以连接的情况下，用要求抓住材料的点焊或铆接的方法不能使它们连接，而在接纳构件4从图3所示多关节结合机器人上卸除掉的结构中，把车体框架W1当作接纳构件来把转动工具1压到连接部分上，就能进行连接。在此情况下，转动工具1被以约300公斤的张力压在一个连接区域，这就要求选择车体框架W1上高硬度的区域。
在上述实施例中，对于把转动工具1压在连接部分上以便它不被移动的点焊连接做了说明，然而如图12所示，也可以让转动工具1向前移动或摆动地持续进行连接。
如果当图12中的转动工具1被向前移动时顺着向前的方向以约1°的角度朝后倾斜，那么，由于与垂直地把转动工具1压在材料W1相对比的倾斜，就增大了搅动能力。
图13与14显示提供一种机构的例子，该机构能使转动工具的突出部的突出量，由于按本发明修改转动工具而可以变动。
突出部的突出量X1，是根据被叠合材料的总厚度而确定的，从而，应用范围就能扩大到总厚度大的情况下。
如图13与14所示，转动工具有一个空心圆筒形的外圆筒构件21，一个键合在外圆筒21中并可顺着轴线方向L1滑动的内圆筒22构件，以及形成于内圆筒22一个末端处的小直径的长突出部23。
内圆筒22构件的突出部23从外圆筒构件21的一个末端朝外突出，并被弹簧29顺着外圆筒构件21的轴线方向挤压。外圆筒构件21的一个末端21a突出得围着突出部23的周边，并在末端部分处形成一个有环形平面的肩部21b。突出部23被定位得容纳在肩部21b中，且在未被施加除来自弹簧之外的外力的情况下就不会突出。
外圆筒构件21和内圆筒构件22，键合得可一起转动地被驱动，内圆筒构件22相对于外圆筒构件21顺轴向的移动，就可使从外圆筒构件21一个末端处突出的突出部23的突出量X1变动。
对于突出部23来说，当由于三种以上材料被叠合或由于材料分别具有不同的厚度(见图3)而使材料的总厚度变大时，突出量X1可以增大；当材料总厚度小时(见图14)，突出量可以减小。突出部23由于根据总厚度而确定相对于外圆筒构件21的突出量X1，就被可转动地驱动。这样，即使当多种(多于三种)材料被叠合时，或当材料分别具有不同的厚度时，也能达到令人满意的连接。
本发明并不限于上述各个实施例，在本发明的宗旨和范围内，可以做各种变动和修改。因此，下面的权利要求书，公开了本发明的范围。

Claims (4)

1.一种用于把多种材料以叠合方式连接起来的装置，包括：
一个转动工具，它具有在其末端处的一个突出部，并绕自身轴线转动；以及用于转动所述转动工具的驱动装置；
其特征在于它还包括：
一个接纳构件，它与所述转动工具相对设置以便与所述转动工具一起夹紧所述材料；以及
一个可三维活动的多关节结合机器人，所述转动工具、所述接纳构件和所述驱动装置安装在所述多关节结合机器人的一个臂的端部上，以便将所述转动工具和所述接纳构件移至所述材料的多个分散的连接部分而不使所述转动工具和所述接纳构件接触所述材料，并在每个连接部分上沿所述转动工具和所述接纳构件的轴线方向移动所述转动工具和所述接纳构件将正在转动的所述转动工具的所述突出部在叠合的材料的最外表面上压靠在所述连接部分上，使所述突出部插入所述材料内而不使所述突出部从材料凸起，并通过摩擦搅动所述材料以点的方式连接所述材料。
2.一种用于以叠合状态连接多种材料的连接方法，该方法使用一个在末端处有一突出部且绕自身轴线转动的转动工具和用于转动所述转动工具的驱动装置，其特征在于：该方法包括以下步骤：
借助一个可三维活动的多关节结合机器人将所述转动工具和一个接纳构件移至所述材料的多个分散的连接部分而不使所述转动工具和所述接纳工具接触所述材料，并在每个连接部分上沿所述转动工具和所述接纳构件的轴线方向移动所述转动工具和所述接纳构件，所述接纳构件相对于所述转动工具设置以便与所述转动工具一起夹紧所述材料；以及
通过将正在转动的所述转动工具的所述突出部在叠合的材料的最外表面上压靠在所述连接部分上，使所述突出部插入所述材料内，并借助摩擦搅动所述材料，从而点连接所述材料。
3.如权利要求2所述的连接方法，其特征在于：所述多种材料各自具有不同的厚度，所述转动工具的所述突出部从所述材料的较薄侧压靠。
4.如权利要求2或3所述的连接方法，其特征在于：所述多种材料事先形成三维形状。
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