CN1907601B - 用于制造接合体的方法和装置 - Google Patents

Abstract

电极(20a、20b)被分别埋入第一模具(16)和第二模具(18)。金属工件(MW)被放入彼此配合的第一模具(16)和第二模具(18)之间的空腔(19)内。随后，将熔融金属通过通道(34)浇入空腔(19)内。所述熔融金属凝固成铸件(CM)，形成金属工件(MW)和铸件(CM)的接触区域(L)。此后，从电源(38)向跨过接触区域(L)的电极(20a、20b)提供电流。所提供的电流破坏金属工件(MW)表面上的氧化膜，并且在接触区域(L)内接合金属工件(MW)和铸件(CM)。

Description

用于制造接合体的方法和装置

技术领域

本发明设计一种用于制造接合体(joined body)的方法和装置，该接合体包括彼此相接合(join)的金属工件和铸件。

背景技术

压制的优点在于：处理工件所需的时间较短，但是将工件压制成复杂形状却并不容易。为了把工件压制成复杂形状，习惯的做法是将单独的工件压制成最终产品的部件，并且随后通过焊接等方法连接压制成的部件。

然而，传统工艺的缺点在于，需要具有用来压制单独工件的形状不同的独立模具，并且因此对压制设施的投资很大。此外，由于需要单独的连接工艺，比如焊接工艺，因此需要较长的时间才能获得最终产品，并且不容易提高制造最终产品的效率。

可以通过铸造工艺来制造产品，其中所述铸造工艺是用数量较少的模具或铸型，并且不需要焊接过程。然而，通过浇铸以及随后凝固熔融金属来铸造产品相对比较耗时。在从模具中取出铸件产品之前，铸造工艺需要等待铸件产品被充分地冷却。因此，采用铸造方法也不容易高效地制造产品。

通过围绕已经压制好的工件浇铸产品可以克服上述缺点，例如日本专利公开出版物No.57-146464中所公开的一样。具体地，压制后的工件被作为型芯放入铸造模子的型腔内，并且随后向型腔内浇铸熔融金属。

浇注后的熔融金属围绕工件流动并且黏附到工件上，并且熔融金属随后被冷却凝固。当已经黏附到工件上的熔融金属凝固后，工件和铸件彼此接合到一起。

铸造工艺使得制造复杂形状的产品成为可能。如上所述的铸造工艺省掉了连接过程。

在日本专利公开文本No.57-146464所公开的工艺中，预先对工件施加电流，以便促进工件和铸件之间的熔融接合。然而，根据所述公开的工艺，很难通过熔融接合使表面带有氧化薄膜(钝化膜)的工件，比如铝质工件等，与铸件相接合。其原因在于，由于通电的电极仅与工件相接触，因此，电流仅流过工件，如日本专利公开文本No.57-146464的图1和图2所示。具体地，由于氧化膜是绝缘体，因此电流非常难于横穿过氧化膜流入熔融金属或铸件，由此无法加速熔融接合。

即使在围绕工件浇铸熔融金属之前预先给表面有氧化膜的工件通电，那么也难于通过熔融接合使工件和铸件彼此相接合。

发明内容

本发明的基本目的是提供一种通过将金属工件容易地接合到铸件上来制造包括金属工件和铸件的接合体的方法，并且该方法与金属工件的材料无关。

本发明的主要目的是提供一种即使在金属工件表面上存在氧化膜的情况下，也能使金属工件非常容易地与铸件相接合，由此来制造包括金属工件和铸件的接合体的方法。

本发明的另一目的是提供一种用于将金属工件和铸件彼此接合的接合体制造装置。

根据本发明的一个方面，提供一种制造接合体的方法，其中所述接合体具有彼此结合的第一部件和第二部件，所述方法包括以下步骤：将第一部件放入限定在模具之间的空腔内，向空腔内浇注熔融金属以形成第二部件，并且在将熔融金属浇注入所述空腔之后，在彼此部分重叠的第一部件和第二部件之间供给电流。在这种情况下，优选电流供至模具中的第一和第二部件之间。

根据本发明的另一方面，提供一种制造接合体的方法，其中所述接合体具有彼此结合的金属工件和铸件，所述方法包括以下步骤：将金属工件放入第一模具和第二模具之间的空腔内，在第一模具和第二模具各自的成型表面上设置有电极；向空腔内浇注熔融金属，以便在第一模具上的电极和第二模具上的电极之间形成熔融金属和金属工件的接触区域或者熔融金属凝固后所形成的铸件和金属工件的接触区域；以及在电极之间施加电流，以便接合接触区域来制造接合体。

根据本发明，电流在熔融金属或铸件和金属工件之间流动，以便使二者结合。当在金属工件的表面上存在氧化膜时，由于电极沿着厚度方向跨金属工件设置，这使得电流在电极之间横向经过金属工件流动，因此氧化膜被破坏。

表面的氧化膜被破坏后的金属工件能够容易地与熔融金属或铸件相接合。因此，能够容易地制造接合体。

由于熔融金属的加热而使得金属工件的温度升高。由于金属工件被有效地加热，因此破坏氧化膜所需的电流的值可以很小。因此，在成本方面，本发明非常有利。

根据本发明，用于压制金属工件的模具可以与用来浇铸被压制工件的模具相同。具体地，当使用第一模具和第二模具压制金属工件之后，可以将熔融金属浇注入第一模具和第二模具之间的空腔内。因此，制造接合体所需的时间长度可以缩短，并且需要事先准备的模具的数量较少。因此，能够有效地制造接合体，并且用于压制设施的投资较小。

优选使用电阻率大于金属工件和铸件的电阻率、熔点高于金属工件和铸件的沸点的材料来制造电极。这样能够有效地加热接触区域。此外，还能够防止电极和金属工件或铸件之间因固体扩散而导致的合金化。

根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种用于制造具有相接合的第一部件和第二部件的接合体的装置，所述装置包括：模具，所述模具具有用于容纳第一部件的容纳部分和用于形成第二部件的成型部分，在使用时，设置在容纳部分中的第一部件与设置在成型部分中的第二部件彼此接触，从而产生模具之间的连接，并且在第一部件和第二部件之间提供电流；以及电源，所述电源与模具电连接。

在这种情况下，优选将模具电连接到电源，以便使电流流过容纳部分和成型部分，以便容易地接合第一和第二部件。

根据本发明的又一方面，还提供了一种用于制造具有相接合的金属工件和铸件的接合体的装置，所述装置包括：第一模具和第二模具，电极设置在每个模具的成型表面上，绝缘体插入在所述电极和所述第一和第二模具之间，使得所述电极与所述第一和第二模具绝缘；与第一模具上的电极和第二模具上的电极电连接的电源；以及用于将熔融金属导入第一模具和第二模具之间的空腔内的通道。

在该装置中，电流在用于铸造熔融金属的模具的成型表面之间流动。结果，电流流过熔融金属或熔融金属凝固或半凝固后形成的铸件与金属工件相接触的接触区域，由此形成接合体。也就是说，电流流过熔融金属和金属工件之间的接触区域，或者流过铸件和金属工件之间的接触区域。

根据本发明，电流流经金属工件和熔融金属或铸件，由此容易地接合接触区域。

如上所述，所述装置的第一和第二模具还可以用作压制金属工件的模具。具体地，第一和第二模具被合到一起来压制金属工件，并且所施加的电流流经变形的金属工件和熔融金属或铸件。

由于上述原因，应该优选使用电阻率高于金属工件和铸件的电阻率、熔点高于金属工件和铸件的沸点的材料来制造电极。

本文中的铸件包括半凝固的熔融金属。

从结合附图的下述说明中将明显可见本发明的上述的目的、特征以及优点，在附图中以说明性的实例表示出本发明的优选实施例。

附图说明

图1是根据本发明实施例的接合体制造装置的主要部分的剖视图；

图2是由接合体制造装置所制造的接合体的接合区域的部分放大剖视图；以及

图3是根据本发明另一实施例的接合体制造装置的示意性透视图。

具体实施方式

下面将参照附图详细介绍根据本发明优选实施的接合体制造方法以及用来实施该方法的装置。

图1表示根据本发明实施例的接合体制造装置10的剖视图。如图1所示，接合体制造装置10具有能够彼此相向移动和相远离移动的第一加工中心12和第二加工中心14，以及分别安装在第一加工中心12和第二加工中心14上的第一模具16和第二模具18。所述第一模具16和第二模具18彼此面对，并且当二者彼此结合时共同地在它们之间形成空腔19。

电极20a被埋入第一模具16中，从而与朝向空腔19的成型表面相平齐。电极20a是由电阻率高于金属工件MW和熔融金属的电阻率、熔点高于金属工件MW和熔融金属沸点的材料制成。例如，如果金属工件MW是由铝、铝合金、镁、镁合金、铸铁、不锈钢等材料制成，并且熔融金属是铝、铸铁等，则电极20a由钨、钼、铌或这些材料中的两种或更多种的合金制成。

第一模具16具有大致反L形的插孔22a，其包括垂直延伸段和水平延伸段。加电柱24a被插入插孔22a的垂直延伸段中，并且内部埋设有电极20a的电极支撑件26a被插入插孔22a的水平延伸段。加电柱24a和电极支撑件26a是由铜制成的。加电柱24a的侧面邻靠着电极支撑件26a的底表面。

在加电柱24a和电极支撑件26a的内部形成有连续的冷却剂通道28a，并且冷却剂通道的端部接近电极20a。冷却剂供应管30a和冷却剂排放管32a分别连接到加电柱24a中的冷却剂通道28a的端部。从冷却剂供应管30a供入冷却剂通道28a的冷却剂流经加电柱24a而进入电极支撑件26a，并且随后经加电柱24a流回，之后冷却剂从冷却剂排放管32a排出。

在第一模具16和加电柱24a、电极支撑件26a之间设置有绝缘体33a。

第二模具18的结构与第一模具16的结构基本相同。对于第二模具18的与第一模具16相同的零部件，以带有后缀“b”而不是“a”的相同的附图标记来表示，并且在下文中不再作详细地介绍。第二模具18的内部还具有用来引导熔融金属进入空腔19的浇道34。

电源38分别通过导线36a、36b与加电柱24a、24b电连接。来自电源38的电流流经加电柱24a、电极支撑件26a、电极20a、金属工件MW、铸件CM、电极20b、电极支撑件26b、以及加电柱24b。

根据本实施例的接合体制造装置10的构造基本如上所述。下面介绍所述接合体制造装置10的操作和优点。

首先，除了电极20a、20b暴露出来的区域之外，第一模具16和第二模具18的成型表面被涂上脱模剂。随后，将金属工件MW保持为靠着第一模具16的成型表面。此时，电极20a与金属工件MW的端面相接触。

如上所述，金属工件MW是由电阻率低于电极20a、20b并且沸点低于电极20a、20b的熔点的材料制成。如果电极20a、20b是由钨、钼、铌或这些材料的两种或更多种的合金制成，则金属工件MW可以由铝、铝和金、镁、镁合金、铸铁、不锈钢等材料制成。当这些材料的金属工件MW与大气中的氧接触时，自然会在金属工件MW上形成氧化膜。在本实施例中，金属工件MW为板状。

随后，通过操作第一加工中心12和第二加工中心14使第一模具16和第二模具18相向移动，直至二者彼此配合。在第一模具16和第二模具18之间形成空腔19。即使形成空腔19之后，仍然对第一模具16和第二模具18施加预定的压力。

当第一模具16和第二模具18彼此结合时，电极20a、20b跨过氧化膜彼此相对定位。

随后，通过浇道34将熔融金属浇注到空腔19中。所述熔融金属也是由电阻率低于电极20a、20b并且沸点低于电极20a、20b的熔点的材料制成。优选地，熔融金属应该由铝、铝合金或铸铁制成。

浇入的熔融金属的一部分与空腔19内的金属工件MW接触。然后，所述熔融金属被冷却并凝固，制成与空腔19的形状互补的铸件CM。在熔融金属和金属工件MW相接触的区域内形成金属工件MW和铸件CM彼此部分重叠的叠层区域L。

此后，在向第一模具16和第二模具18连续地施加预定压力，并且保持高温加热铸件CM的同时，由电源38提供电流。电流流经导线36a、加电柱24a和电极支撑件26a而进入电极20a。

在金属工件MW的表面上存在氧化膜。因此，电源38提供足够大的电流，以破坏叠层区域L内的金属工件MW上的氧化膜。

根据本实施例，如上所述，当向第一模具16和第二模具18连续施加预定压力时提供电流。因此，电极20a压靠在金属工件MW上，电极20b压靠着铸件CM，使得电流容易地流过它们。因此，可以减小电流值。

由于铸件CM保持在高温下被加热，因此，铸件CM的热量被传递给金属工件MW。因此，即使流过的电流值较低，也能够被容易地破坏金属工件MW上的氧化膜。

由于电极20a、20b是由电阻率相对较高的材料制成，因此不仅会在金属工件MW和铸件CM彼此靠近的区域内产生热量，而且在电极20a与金属工件MW彼此靠近的区域、铸件CM与电极20b彼此靠近的区域内也会产生热量。因此，叠层区域L被充分地加热，由此容易破坏金属工件MW上的氧化膜。

由于金属工件MW被充分地加热，因此被提供用于破坏氧化膜的电流值可以降低。

电流值可以为大约10000A。这一电流值明显低于焊接铝合金时破坏氧化膜所需的20000A至40000A的电流值范围。

因此，根据本发明，能够显著地降低所施加的用于焊接目的的破坏氧化膜的电流值。因此，接合体制造装置10在成本方面非常有利。

当电流从金属工件MW流向铸件CM时，金属工件MW的表面上存在的氧化膜最终被破坏。也就是说，在金属工件MW的基体材料和铸件CM之间不存在氧化膜。由于氧化膜被破坏，金属工件MW的暴露的基体材料与铸件CM相接触，从而使得金属工件MW和铸件CM能够彼此牢固地相结合。电流从电极20b流经电极支撑件26b、加电柱24b以及导线36b，并返回电源38。

由于第一模具16和第二模具18的成型表面涂有绝缘的脱模剂，因此电流不会在成型表面内扩散。此外，由于在加电柱24a、24b与第一和第二模具16、18之间，以及在电极支撑件26a、26b与第一和第二模具16、18之间设置有绝缘体33a、33b，因此电流不会在第一模具16或第二模具18内扩散。

由于电极20a、20b是由熔点高于熔融金属沸点的材料制造的，因此当电流流过时，电极20a和金属工件MW或铸件CM以及电极20b不会因它们之间的固体扩散而被合金化。

当电流按如上所述流动时，金属工件MW和铸件CM在叠层区域L内彼此接合，形成接合体。当电流流动时，诸如冷却水或类似物的冷却剂流经冷却剂通道28a、28b，用以防止铜制的加电柱24a、24b和电极支撑件26a、26b的温度过分升高。

图2表示接合体的接合区域。在图2中，电流已经流过在电极20a、20b之间的画有交叉阴影线的区域。

在插入电极20a、20b之间的叠层区域L中，金属工件MW和铸件CM彼此结合为一个整体，并且在二者之间没有分界面。这表明氧化膜已经被流过的电流从金属工件MW上去除，并且金属工件MW被牢固地接合到铸件CM上。

在上述实施例中，在熔融金属被凝固成铸件CM之后才开始供应电流。然而，可以在浇注熔融金属结束后、熔融金属凝固前开始施加电流。

在本实施例中，铸件CM被接合到还没有发生塑性变形的板状金属工件MW上。然而，金属工件MW可以通过受压而发生塑性变形，并且随后变形的金属工件MW和铸件CM可以彼此接合。下面参照图3来介绍作为本发明另一实施例的该修改例。

图3是根据本发明另一实施例的接合体制造装置50的透视图。如图3所示，接合体制造装置50包括：底座52，该底座52在其内部具有通道51；第一和第二模具54、56，借助未示出的加工中心，第一和第二模具54、56能够彼此相向和相远离地移动；设置在远离图3观看者的第一和第二模具54、56后面的后模具58；以及位于第一和第二模具54、56前面的前模具。第一和第二模具54、56被夹在后模具28和前模具之间，共同界定在它们之间的空腔60。

在第一和第二模具54、56的成型表面上安装有电极62a、62b。电极62a、62b由钨、钼、铌或这些材料中的两种或更多种的合金制成。电极62a、62b通过各自的导线64a、64b与电源66电连接。

在电极62a、62b及第一和第二模具54、56之间插有未示出的绝缘体，用于防止电流从电极62a、62b流向第一和第二模具54、56。

接合体制造装置50的操作如下：由铝或铝合金制成的板状金属工件MW被支撑在第一模具54上。操作加工中心，使第一和第二模具54、56彼此靠近，直至彼此配合。板状的金属工件MW被压制成具有两个弯折部分的弯折体。

随后，通过浇道51向空腔60内浇注诸如铝、铝合金等的熔融金属。熔融金属被浇注，直到被导入的熔融金属的液面到达变形金属工件MW的末端。

随后，熔融金属被冷却并凝固，形成形状与空腔60互补的铸件CM。在熔融金属接触金属工件MW的区域内形成金属工件MW和铸件CM彼此部分重叠的叠层区域L。

随后，从电源66施加电流，用以破坏金属工件MW上的氧化膜并且在叠层区域L内接合金属工件MW和铸件CM。因此，形成了如图2所示的接合体的接合区域。所供应的电流值可以大约为10000A。可以防止电极62a、62b和叠层区域L被合金化。

根据本实施例，用于压制金属工件MW的模具还可以用作浇注铸件CM的模具，因为事先准备的模具的数量较少，用于接合体制造装置50的压制设施的投资也较小。此外，由于制造接合体所需的时间长度缩短，因此能够高效地制造接合体。

在本实施例中，可以将电极62a、62b埋入第一和第二模具54、56，并且可以通过未示出的连接器以及导线64a、64b电连接到电源66上，与第一实施例相似。可以在电极62a、62b及连接器和第一、第二模具54、56之间设置绝缘体。

在本实施例中，可以在熔融金属凝固之前开始供应电流。

本发明的原理不仅可以用于接合表面具有氧化膜的金属工件MW，还可以用于接合各种材料的金属工件。

制造接合体时，可以将第一和第二模具16、18、54、56电连接到外部电源上，以便使电流流向内部没有埋设电极20a、20b、62a、62b的第一和第二模具16、18、54、56。

尽管上文介绍了本发明的某些优选实施例，但是应该理解到，可以在不脱离所附权利要求的保护范围的情况下作出各种变动和修改。

Claims (13)

1.一种制造具有彼此相接合的金属工件(MW)和铸件(CM)的接合体的方法，包括以下步骤：

将金属工件(MW)放入第一模具(54)和第二模具(56)之间的空腔(60)内，在第一模具(54)和第二模具(56)各自的成型表面上设置有电极(62a、62b)；

向所述空腔(60)内浇注熔融金属，以便在所述第一模具(54)上的电极(62a)和所述第二模具(56)上的电极(62b)之间形成所述熔融金属与所述金属工件(MW)的接触区域(L)、或者熔融金属凝固或半凝固时所形成的铸件(CM)与所述金属工件(MW)的接触区域(L)；以及

在所述电极(62a、62b)之间施加电流，以便接合所述接触区域(L)来制造接合体。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

在所述熔融金属被浇注入所述空腔(60)之前，压制在所述第一模具(54)和所述第二模具(56)之间的所述金属工件(MW)。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电极(62a、62b)是由电阻率大于所述金属工件(MW)和所述铸件(CM)的电阻率、并且熔点高于所述金属工件(MW)和所述铸件(CM)的沸点的材料制成。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属工件(MW)的表面具有氧化膜。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，向所述电极(62a、62b)施加电流，用于使电流横穿过所述氧化膜流动。

6.一种用于制造具有彼此相接合的金属工件(MW)和铸件(CM)的接合体的装置(50)，所述装置(50)包括：

第一模具(54)和第二模具(56)，在各模具的成型表面上分别设置有电极(62a、62b)；各个电极设置在成型表面上，绝缘体插入在所述电极和所述第一和第二模具之间，使得所述电极与所述第一和第二模具绝缘；

与所述第一模具(54)上的电极(62a)和所述第二模具(56)上的电极(62b)电连接的电源(66)，用于向容纳在第一和第二模具中的金属工件和铸件之间提供电流；以及

用于将熔融金属导入所述第一模具(54)和所述第二模具(56)之间的空腔(60)内的通道(51)。

7.根据权利要求6所述的装置(50)，其中，所述第一模具(54)和所述第二模具(56)兼作为用于压制所述金属工件(MW)的模具。

8.根据权利要求6所述的装置(50)，其中，所述电极(62a、62b)是由电阻率大于所述金属工件(MW)和所述铸件(CM)的电阻率、并且熔点高于所述金属工件(MW)和所述铸件(CM)的沸点的材料制成。

9.根据权利要求6所述的装置(50)，其中，所述金属工件(MW)的表面具有氧化膜。

10.根据权利要求9所述的装置(50)，其中，所述电极(62a、62b)被设置在用于提供横穿过所述氧化膜的电流的相应位置上。

11.一种制造具有彼此接合的第一部件和第二部件的接合体的方法，包括以下步骤：

将第一部件放入限定在模具之间的空腔(19)内；

向空腔(19)内浇注熔融金属，以形成第二部件；以及

在将熔融金属浇注入所述空腔(19)之后，在彼此部分重叠的第一部件和第二部件之间提供电流。

12.一种用于制造具有彼此相接合的第一部件和第二部件的接合体的装置，所述装置包括：

模具，所述模具具有用于容纳第一部件的容纳部分和用于形成第二部件的成型部分，在使用时，设置在容纳部分中的第一部件与设置在成型部分中的第二部件彼此接触，从而产生模具之间的连接，并且在第一部件和第二部件之间提供电流；以及

电源(38)，所述电源与模具电连接。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述电源被电连接，从而电流流过容纳部分和成型部分。

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