用于固態(tài)連接輕質(zhì)金屬的設(shè)備的制作方法
【專利摘要】描述了一種用于固態(tài)連接例如鋁的輕質(zhì)金屬的設(shè)備。該設(shè)備采用連續(xù)擠出的原理以將金屬填料條添加到將待被連接的構(gòu)件分離的槽內(nèi)，并剪切變形以在槽內(nèi)去除表面氧化物。該設(shè)備包括終止在驅(qū)動心軸頭(14)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動心軸(13)。形狀為圓弧且組成擠出室(16)的槽被機加工形成在驅(qū)動心軸頭(14)的外表面上，擠出室(16)被包圍驅(qū)動心軸頭(14)的固定的環(huán)狀金屬瓦(17)從外部徑向地限制，擠出室(16)被一體式的或可更換的抵接部件(18)所終止以使鋁偏離擠出室中的圓形運動而通過模孔(19)。
【專利說明】用于固態(tài)連接輕質(zhì)金屬的設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于連接輕質(zhì)金屬構(gòu)件和合金的設(shè)備，尤其是鋁構(gòu)件，包括鋁合 金以及含有輕質(zhì)金屬（尤其是鋁）的混合物/復(fù)合材料。該設(shè)備采用連續(xù)擠出的原理，以向 與要被連接的構(gòu)件分離的槽內(nèi)添加填料金屬條，并且剪切變形以在槽中移除表面氧化物。

【背景技術(shù)】
[0002] 通常，作為最初為了黑色金屬的連接而開發(fā)的自適應(yīng)技術(shù)，出現(xiàn)了用于連接金屬 構(gòu)件的技術(shù)。
[0003] 金屬的連接大量采用熔焊而連接，在熔焊中基體金屬和合適的焊料都由電弧、電 子束或激光束熔化，以使在結(jié)晶過程中在焊池的痕跡部分處實現(xiàn)金屬與金屬的結(jié)合。在熔 焊中，施加的能量中僅一部分促使焊接，并且從而促使結(jié)合。大部分施加的能量導(dǎo)致基體金 屬的局部加熱及形成圍繞焊縫的所謂熱影響區(qū)（在文獻中通常被稱作HAZ)。該區(qū)域存在一 個問題，因為所得到的微觀結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致母材永久的機械降解。因此，焊縫區(qū)的該特性將 會是工程設(shè)計中的限制因素，實際上該特性會決定構(gòu)件的承載能力。此外，過量施加的能量 (即熱量）導(dǎo)致在焊縫區(qū)中高的殘余應(yīng)力以及整體變形和畸變。這些問題在鋁的焊接中比 在鋼的焊接中更顯著，因為在鋁的情況中采取必要的預(yù)防措施的可能性是更困難的，例如 通過調(diào)節(jié)基體金屬的化學(xué)成分來改變HAZ的微觀結(jié)構(gòu)。
[0004] 通常，采用更有效的焊接方法（例如激光焊接和電子束焊接）來提供狹窄得多的 HAZ，就這一點來說這代表顯著的改善。然而，這些技術(shù)在熔合區(qū)中引入了其他問題，涉及抗 熱裂紋性和氣孔形成。此外，這些技術(shù)具有設(shè)備更昂貴和較不通用的缺點。而且，由于通常 不添加焊料因此公差要求更嚴(yán)格。
[0005] 在過去，進行了多次嘗試以開發(fā)用于連接輕質(zhì)金屬的替代技術(shù)，其中摩擦焊或已 知為攪拌摩擦焊（FSW)的變型可能是最出名的。在FSW中，在旋轉(zhuǎn)的工具沿板材之間的界 面（邊緣）移動的同時，兩個要連接在一起的板材堅固地壓在彼此上，以去除氧化層，至少 對于鋁而言該氧化層通常存在于表面上。即使在旋轉(zhuǎn)工具和基體鋁板之間的界面處出現(xiàn)相 當(dāng)大的摩擦加熱，但是所施加的能量及從而所產(chǎn)生的熱量也少于熔焊中的，因而接頭附近 的基體金屬不會熔化并達到液態(tài)。因此，攪拌摩擦焊是固態(tài)連接技術(shù)的一個示例，其與熔焊 相比存在改善，因為減少了若干常見的問題，即高的殘余應(yīng)力和熱裂紋的形成、孔的形成以 及低的耐腐蝕性。另一方面，這種新技術(shù)也被一些缺點所妨害，一個缺點是因為不存在采用 焊料的可能性，所以要被連接的表面需要彼此精確地匹配的要求。另一個缺點是要被連接 的構(gòu)件必須要用相當(dāng)大的力來壓在彼此上，這意味著本方法需要重而剛硬的設(shè)備。最后，甚 至這類的摩擦焊也會造成寬的HAZ的形成，其中所造成的微觀組織的改變會導(dǎo)致析出的強 化金屬的永久軟化。
[0006] 在硬釬焊連接的其他方法中，應(yīng)該提到鉚接和粘接。這些方法中的一個或多個對 于一些應(yīng)用領(lǐng)域而言可能是方便的，但是，通常這些方法具有低的防范失效的安全性，因此 在承載或負(fù)重結(jié)構(gòu)中它們不是實際可行的替代方案。
[0007] 在WO 03/043 773中，描述了一種用于連接例如鋁的輕質(zhì)金屬的構(gòu)件的特殊方 法。這種方法基于連續(xù)擠出的原理，目標(biāo)是減少或消除涉及FSW方法和其他現(xiàn)有技術(shù)方法 的過熱的缺點。在W0 03/043 775中，也主要描述了一種滿足要求的設(shè)備。盡管這種方法 看起來有前景，但是這種方法沒有發(fā)展到允許其工業(yè)使用的水平。
[0008] 因此，仍然需要一種設(shè)備，該設(shè)備對基于擠出的鋁構(gòu)件及其他輕質(zhì)金屬構(gòu)件的工 業(yè)規(guī)模的連接是有用的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 發(fā)明目標(biāo)
[0010] 本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種設(shè)備，該設(shè)備用于基于擠出原理的輕質(zhì)金屬構(gòu)件的工業(yè) 規(guī)模的連接，因而消除了過熱的缺點，使得高的殘余應(yīng)力、變形、熱裂紋或腐蝕的特別問題 將不是主要的關(guān)注點。
[0011] 最后，目標(biāo)是提供一種用于輕質(zhì)金屬構(gòu)件的工業(yè)規(guī)模的連接的設(shè)備，該設(shè)備是簡 單、便宜、可靠和堅固的，并可容易地按比例放大或縮小且可以是自動化的。
[0012] 本發(fā)明涉及特征是權(quán)利要求1所述的特點的設(shè)備。在從屬權(quán)利要求中公開了本發(fā) 明的優(yōu)選實施例。
[0013] 本設(shè)備包括特殊設(shè)計的擠出頭，該擠出頭組成本發(fā)明的核心。此外，本設(shè)備包括用 于軸的驅(qū)動設(shè)備和馬達，本發(fā)明還包括用于要被擠出的填料金屬條的保持器和給送裝置。 這些構(gòu)件可具有任何在現(xiàn)有技術(shù)中已知的形式，因此在本文檔中不作進一步的描述。
[0014] 此處所用的術(shù)語"輕質(zhì)金屬"應(yīng)當(dāng)解釋為包括所述輕質(zhì)金屬的合金，尤其是鋁及其 合金。
[0015] 所需的結(jié)合溫度通過利用由變形和摩擦所放出的熱量而獲得，并且可選擇性地結(jié) 合局部加熱，例如電阻加熱、感應(yīng)加熱或利用激光束加熱的形式。
[0016] 通過利用根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備，填料金屬條被添加至要被連接的構(gòu)件之間的接頭 (槽）。不需要對構(gòu)件施加大的力，這使得設(shè)備可制成為緊湊且簡單的，并且如果需要的話， 設(shè)備適于便攜或自動化的使用。
[0017] 填料金屬條（例如鋁）被擠出工藝而增塑，并能容易地穿過模具并填充焊料被引 導(dǎo)進入的槽。當(dāng)尺寸被?？姿潭ǖ暮噶线M入略較窄的槽時，會發(fā)生剪切變形并去除要被 連接的構(gòu)件的氧化層，因此允許要被連接的構(gòu)件和填料金屬條的原子之間形成緊密接觸及 金屬鍵。因此，在不存在構(gòu)件的過熱及由此產(chǎn)生的缺點的情況下，形成焊接狀的結(jié)合。即使 當(dāng)對離開?？椎暮噶鲜┘泳植考訜釙r，對要被連接的構(gòu)件的加熱也是適度的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 現(xiàn)將參考附圖，以非限制性實施例的形式對本發(fā)明進行進一步的描述。其中：
[0019] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的擠出頭的實施例的側(cè)截面視圖。
[0020] 圖2a和2b分別是在擠出前和擠出過程中擠出室和填料金屬條的示意性圖示。
[0021] 圖3是圖1的擠出頭的端截面視圖。
[0022] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的擠出頭的透視圖。

【具體實施方式】
[0023] 圖1示出了擠出頭12,其中可旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動心軸13是核心元件。在擠出頭的下端， 驅(qū)動心軸13延伸至具有光滑外表15的驅(qū)動心軸頭14,該表面15通常是截頭錐形的，但也 可以是柱形的。在驅(qū)動心軸頭的圓周上機加工有360度的槽，以形成擠出室16的一部分 (以下將更加詳細(xì)地描述）。根據(jù)用于填料金屬條的入口點16a的位置，實際的擠出室通常 可圍繞驅(qū)動心軸頭14的表面15的圓周延伸180度或更多，更通常地大致270度，擠出室16 開始于入口點16a并終止于?？?9。因此，擠出室16的形狀通常是圓弧而非整個圓，如圖 3所更好地示出的。
[0024] 通過如下可有效地形成擠出室16的終點：將分離的抵接部件18布置在與模孔19 相鄰的槽內(nèi)，并且優(yōu)選地以下面將進一步描述的方法在操作過程中牢固地保持在適當(dāng)?shù)奈?置處。抵接部件18的功能是使拉過擠出室的增塑化的填料金屬條從圓形運動偏離并從模 孔19出來。不可避免的是在抵接部件的前部會增加壓力，這有利于填料金屬條的增塑化， 并使填料金屬條更容易從?？?9離開擠出頭。
[0025] 從擠出室16從外部徑向地布置有固定的金屬瓦17,以徑向在外部地限制擠出室。 金屬瓦17面向驅(qū)動心軸頭14的表面15的表面在圍繞擠出室16的區(qū)域中以相當(dāng)于表面15 的傾斜度的角度傾斜，以形成總體上緊密的配合。然而，在上述的區(qū)域中，優(yōu)選的是金屬瓦 17的傾斜度偏離驅(qū)動心軸頭14的傾斜度，從而避免在金屬瓦17和驅(qū)動心軸頭14之間的接 觸表面比所需的要大，這將不期望地增加二者之間的摩擦力。因此，優(yōu)選的是圍繞驅(qū)動心軸 頭14的固定環(huán)狀金屬瓦17的內(nèi)表面與驅(qū)動心軸頭14的截頭圓錐表面或柱形表面如此相 適配，使得在擠出室16的兩側(cè)處的有限的區(qū)域中，金屬瓦17的內(nèi)表面與驅(qū)動心軸頭14的 表面緊密接觸。
[0026] 金屬瓦可形成為使抵接部件作為金屬瓦的一體化部件，但是抵接部件的磨損會很 顯著，因此更方便的是將抵接部件18作為分離的、可更換的部件。固定的金屬瓦17的金屬 優(yōu)選是硬化的合金鋼。
[0027] 非常優(yōu)選的是（盡管不是必須的），擠出頭設(shè)置有用于局部加熱?？?9從而減少 系統(tǒng)壓力進而減少構(gòu)件磨損的裝置。所述用于局部加熱的裝置可以是電阻加熱的形式，優(yōu) 選的是布置成使離開?？椎慕饘偈请娐返囊徊糠?。其他用于局部加熱的裝置可以是感應(yīng)加 熱的形式，或甚至是局部激光加熱的形式。
[0028] 現(xiàn)在將描述擠出頭的功能部件。出于實用目的和安全目的，擠出頭由殼體保護，該 殼體部分地用于將部件保持在一起，部分地使主要部件不受污物和破損之害，部分地使人 員免受傷害。該殼體可包括圍繞該可旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動心軸的環(huán)狀心軸殼21以及圍繞該驅(qū)動心 軸頭14和金屬瓦17的環(huán)狀軸頭殼22,心軸殼21和軸頭殼22通過螺母23而緊固地附接。 優(yōu)選地，在驅(qū)動心軸13和心軸殼21之間設(shè)置軸承24 (例如黃銅軸承），以確保擠出頭的高 剛度和低摩擦。
[0029] 需要指出的是，文本中所用的術(shù)語"上部"和"下部"僅涉及附圖，因為擠出頭的定 向可以是變化的，盡管為了使用擠出頭通常會布置成使其基本上堅直地定位，但是出于實 用的目的，有利的是擠出頭從堅直位置傾斜幾度，使得僅?？卓谂c要被連接的構(gòu)件接觸，要 被連接的構(gòu)件通常布置在擠出頭下方的水平面上。
[0030] 圖2a示出了擠出室16的典型且大體上正方形的截面，其中三個壁由驅(qū)動心軸頭 14組成，而第四個壁由金屬瓦17組成。同樣在圖2a中所示的填料金屬條26具有大體上圓 形的截面，并且直徑稍大于擠出室的線性尺寸。圖2a描述了在填料金屬條進入擠出室之前 的截面。
[0031] 當(dāng)進入擠出室時，填料金屬條被擠出室16的壁擠出，使得填料金屬條獲得近似方 形（如圖2b所示）的截面形狀。填料金屬條的直徑選定成使填料金屬條26的截面面積稍 小于擠出室16的整個面積，因而在擠出室16的角部處會存在小的開口空隙。使填料金屬 條的直徑適應(yīng)于擠出室的尺寸是重要的實際因素，這需要通過累試法獲得。一方面，重要的 是填料金屬條的直徑足夠大以提供良好的擠出性，另一方面填料金屬條的直徑必須不大至 使得填料金屬條不能進入擠出室。作為尺寸的指示，如果填料金屬條26的直徑比方形的擠 出室的線性尺寸要大7%，則擠出室的截面面積比填料金屬條26的截面面積要大10%。
[0032] 當(dāng)填料金屬條被擠出室16的壁所產(chǎn)生的摩擦力而保持并拉動時，填料金屬條被 沿移動方向拉動的三個壁包圍，同時也被一個固定壁即金屬瓦17擠出，該金屬瓦施加試圖 阻礙或?qū)乖撨\動的摩擦力。在金屬瓦施加的摩擦力不足以使填料金屬條的運動停止時， 會導(dǎo)致填料金屬條的加熱及增塑化。因此，從填料金屬條26入口 16a進入擠出室至模孔 19,或多或少會導(dǎo)致填料金屬條26的塑性增加。
[0033] 實際上，金屬瓦17在驅(qū)動心軸頭14的外側(cè)面的配合使得增塑的輕質(zhì)金屬被允許 從擠出室稍微"漏出"，該增塑的輕質(zhì)金屬充當(dāng)互相移動的軸頭14和金屬瓦17之間的潤滑 劑。
[0034] 焊料和合金構(gòu)件通常選擇成使得焊料的性能與要被連接的金屬構(gòu)件的性能相匹 配。
[0035] 圖3是圖1的擠出頭的端部截面視圖。在圖3中，驅(qū)動心軸頭14的下部端是可見 的，抵接擠出室16、金屬瓦17、抵接部件18、?？?9以及軸頭殼22也是可見的。
[0036] 圖4是驅(qū)動心軸頭的透視圖，主要的可見元件還是驅(qū)動心軸頭14、入口 16a至擠出 室、金屬瓦17、心軸殼的上部21和下部22、螺母22以及要被增塑化并用作連接的焊料的填 料金屬條26。如圖4所示，固定的金屬瓦17布置在驅(qū)動心軸頭14的自由、圓形且基本平面 偵讓。
[0037] 焊料也可選擇性地包括不同的金屬和元件以改善機械或電學(xué)性能。通常，要用的 焊料必須要與基體相容，并且可根據(jù)基體金屬調(diào)節(jié)以在連接操作中或在連接操作之后優(yōu)化 性能，例如可擠出性、屈服強度、抗拉強度、韌性、塑性、疲勞強度以及耐腐蝕性。因此，焊料 可最初含有不同的要素或相，所已知的是該要素或相能抑制例如由于擠出實踐和熱處理導(dǎo) 致的再結(jié)晶并能增強析出，從而在自然時效或人工時效之后恢復(fù)額外的強度。除了上述微 小的偏差外，化學(xué)成分應(yīng)當(dāng)與基體金屬的化學(xué)成分盡可能地接近，以獲得所期望的腐蝕性 能。
[0038] 根據(jù)本發(fā)明的方法主要適于在所有位置處連接能用傳統(tǒng)的焊接工藝和方法連接 的各類片材、管材以及型材。根據(jù)本發(fā)明的方法原則上還可作為電阻焊、鉚接或其他形式的 機械連接的替代方式而應(yīng)用于片材的點焊（可以與粘接結(jié)合）。另一個方面是本方法可借 助緊湊、輕質(zhì)及便宜的設(shè)備實行。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于固態(tài)連接例如鋁的輕質(zhì)金屬的設(shè)備，該設(shè)備采用連續(xù)擠出原理將填料金屬 條添加到使待被連接的輕質(zhì)金屬構(gòu)件分離的槽中，該設(shè)備包括終止于驅(qū)動心軸頭（14)的 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動心軸（13)，其特征在于，形狀為圓弧狀并且構(gòu)成擠出室（16)的槽被機加工形成在 驅(qū)動心軸頭（14)的外表面（15)上，擠出室（16)被包圍驅(qū)動心軸頭（14)的固定環(huán)狀金屬 瓦（17)從外部徑向地限制，擠出室（16)被一體式的或可更換的抵接部件（18)所終止以使 填料金屬條（26)在擠出室中從其圓形運動轉(zhuǎn)向而從模孔（19)出來。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，固定環(huán)狀金屬瓦（17)中的所述?？祝?9) 被布置在驅(qū)動心軸頭（14)的自由、圓形且基本平面?zhèn)壬稀?br> 3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，驅(qū)動心軸頭（14)為截頭圓錐形或柱形。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，在擠出室（16)的兩側(cè)上的有限區(qū)域中，包 圍驅(qū)動心軸頭（14)的固定環(huán)狀金屬瓦（17)的內(nèi)表面適配于驅(qū)動心軸頭（14)的截頭圓錐 形或柱形表面，使得固定環(huán)狀金屬瓦（17)的內(nèi)表面與驅(qū)動心軸頭（14)的截頭圓錐形或柱 形表面緊密接觸。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備具有用于將離開模孔（19)的填料 金屬條（26)和待被連接的構(gòu)件局部加熱的裝置（20)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，該用于局部加熱的裝置（20)包括用于電 阻加熱、感應(yīng)加熱的裝置或其他焦耳加熱的裝置，這些裝置布置成使要被連接的構(gòu)件和離 開模孔（19)的填料金屬條（26)會被加熱至給定的溫度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動心軸（13)由布置成在一端附接 至固定環(huán)狀金屬瓦（17)的環(huán)狀心軸殼（21)保護。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包括位于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動心軸（13)和 環(huán)狀心軸殼（21)之間的軸承（24)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，構(gòu)成擠出室（16)的槽的寬度精確地適配 于要被擠出的填料金屬條（26)的直徑。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，構(gòu)成擠出室（16)的槽的寬度和深度小于 填料金屬條（26)的直徑，而槽的截面面積略大于填料金屬條的截面面積。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，固定環(huán)狀金屬瓦（17)的金屬是硬化的合 金鋼。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，抵接部件（18)被保持在固定環(huán)狀金屬瓦 (17)的切口中，該切口使得抵接部件的自由端可容易地修復(fù)和更換。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，抵接部件（18)是固定環(huán)狀金屬瓦（17) 一體化的部件。
【文檔編號】B23K20/00GK104105567SQ201280068459
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月22日
【發(fā)明者】U·R·奧克內(nèi)斯, O·格龍, T·奧斯蒂加德 申請人:海邦得股份公司