CN101076427B - 金属板件和旋转体之间的摩擦焊接连接组件 - Google Patents

金属板件和旋转体之间的摩擦焊接连接组件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种金属板件(3)和金属板件***其中的旋转体(1)之间的摩擦焊接连接。金属板件包括凸起圆环形壁(5)作为压力面，该压力面上，旋转体(1)能够压入反压力面。至少一个压力面以锥形方式延伸，使得旋转体的引入以逐渐增大的压力量装入环形壁，并且通过旋转体的旋转，形成了旋转体和环形壁之间的摩擦焊接连接。

Description

金属板件和旋转体之间的摩擦焊接连接组件
技术领域
本发明涉及金属板件和***金属板件中的旋转体之间的摩擦焊接。 
背景技术
这种摩擦焊接出现在Technik Berlin于1991年出版的NeumannSchober的书“Reibschweissen on Metallen”(金属摩擦焊接)中第67页。其涉及穿孔的金属板件和旋转的柱头螺栓之间的摩擦焊接连接，其中金属板件中的孔可以是锥形或者圆柱形，并且其中柱头螺栓的伸入金属板件中的孔的端部的形状同样是锥形。柱头螺栓的有关端部和金属板件中的孔都可以是锥形设计，两个部件的锥角可以相同。对于这种设计的不利之处，一般认为是对应于金属板件的厚度的连接区域比较小。 
而且，DE 199 27 369 A1和US-PS 4,850,772都提供了扁平未穿孔金属板件和柱头螺栓之间的摩擦焊接连接，其中，摩擦焊接连接包括柱头螺栓的端面，在适合之处该端面径向上比柱头螺栓的直径要宽。 
为了产生摩擦焊接，包括扁平未穿孔的部件的摩擦焊接连接要求在转动柱头螺栓的同时用相当大的压力将有关柱头螺栓作用到金属板件，这要求金属板件产生相应的阻力，使得金属板件不变弯而不产生变形。尽管在起初提及的带有锥形端部的柱头螺栓和穿孔的金属板件之间的摩擦焊接连接减少了，这种影响尤其在薄金属板件的情况下导致在柱头螺栓作用到金属板件的同时难以产生足够的阻力抵抗柱头螺栓，因为薄金属板件不能够产生足够的阻力。结果，形成这种摩擦焊接需要使用反支撑架以从远离柱头螺栓的侧面支撑金属板件。 
发明内容
本发明的目的是尽管前述的困难，使得有利地实现其自身在金属板件 上形成摩擦焊接连接的有利方法。本发明的目的通过以下方案得以实现，金属板件设置有凸起圆环形壁作为压力面，该压力面适应于由旋转体通过反压力面配合。至少一个压力面具有使得旋转体的***以逐渐增大的压力装入环形壁的锥度，由于旋转体的旋转，形成了旋转体和环形壁之间的摩擦焊接连接。 
例如通过冲压或者印压，圆环形壁从金属板件凸起，该圆环形壁为将来摩擦焊接连接的区域中的金属板件提供了显著增强的稳定性(与扁平金属板件相比)以抵抗由旋转体施加的压力，从而产生所需的热量，这极大地省却了对用于在将来摩擦焊接连接的区域中支撑金属板件的反支撑架的需要。结果，在近似0.6mm厚度的相对薄的金属板的情况下，设置有这样环形壁的金属板件能够在没有反支撑架的支撑的条件下直接暴露于旋转体的压力下以形成摩擦焊接连接。尤其是在较大金属板件的自动化生产的情况(诸如汽车车身)下尤其重要，这是因为在这样的生产中，反支撑难以接近与旋转体施加工具相反的侧面。这个问题通过使用环形壁而得到补救，其中环形壁由金属板件形成为所需摩擦焊接连接的组成部件，这是因为根据本发明的金属板件和旋转体之间的摩擦焊接连接的设计免去了对反支撑架的需要。 
为了生产摩擦焊接连接，可以仅仅使压力面或者反压力面为锥形。但是，可选地，可以使两个压力面为锥形。在任何情况下，通过形成摩擦焊接连接的两个部件中至少一个为锥形形状，可以确保旋转体作用在金属板件上并进入其孔中首先产生相当大的径向压缩力，且径向压缩力越大，锥角越小，例如可以规定锥角为5°和15°之间的角度。使用从金属板件凸起的环形壁以形成摩擦焊接连接的两个部件中至少一个是锥形意味着在旋转体***金属板件中的孔时，会有特别高的径向力和因此相应的径向压力，且金属板件没有不可接受地变弯。 
另一方面，对于环形壁的设计，一方面，所述环形壁可以在金属板件中形成为凹部的形状，或者环形壁由管口形成，凹部或者管口可以沿旋转体的***方向或者与***方向相对地形成。为此目的需要适合的冲压或者印压工具，该冲压或者印压工具以公知的方式通过深拉延操作产生凹部， 或者通过冲压或者印压操作产生管口。然后凹部和管口具有锥形，尤其是，各个环形壁的锥角可以适应于旋转体的锥角。此外，旋转体的锥形可以设置有进入斜角，由此便于旋转体引入金属板件中的孔中。 
如果凹部具有圆形的S形状的横截面且具有内环形壁和外环形壁，则实现特别有利的设计，内环形壁和外环形壁可以具有锥形形状。为了将相应成形的旋转体与环形壁的这种设计相对应，旋转体在其朝向金属板件的前侧上设置有圆形延伸槽，圆形延伸槽的壁适应于内环形壁和外环形壁。 
为了改进摩擦焊接连接，旋转体可以径向向外地设置有大致扁平的端面，所述端面和管口的前端包括在锥体上的摩擦焊接连接中。在这种情况下，摩擦焊接连接不仅集中在管口区域，而且形成在其前端之外。 
为了额外地使摩擦焊接连接具有一定程度的防漏性，旋转体的径向向外延伸的端面有利地设置有粘合涂层，以在环形壁附近形成旋转体和金属板件之间密封，所述密封防止湿气进入摩擦焊接连接区域，由此保护摩擦焊接连接区域抵抗腐蚀。 
如果旋转体设置具有相连扩大锥体的钻孔尖端，则获得用于形成管口的有利的制造方法，其中，这样形成的管口与管口相邻的旋转体的摩擦表面形成摩擦焊接连接。在这情况下，首先具有相连的扩大锥体的钻孔尖端作用到金属板件，在金属板件上钻一个孔，所述孔随后被扩大锥体加宽，由此形成锥形管口，锥形管口之后形成用于形成摩擦焊接连接的环形壁的压力面。 
随着旋转体配合金属板件的反压力面，会有研磨材料的不期望的累积，尤其是如果金属板件由带有涂层的(更具体的涂漆的)金属板件组成。这样的研磨材料能够打扰摩擦焊接操作。为了防止这个，旋转体的反压力面可以由大致轴向延伸的槽断开。所述槽刮掉任何漆和氧化层，然后接收任何研磨材料和/或污垢颗粒。为了确保移除收集在槽中的任何材料，槽可以以一角度向轴向方向延伸，这使得相应的材料颗粒向金属板件运送或者远离金属板件运送，这取决于槽的倾斜方向。 
为了便于在摩擦焊接操作过程中移除研磨的任何污垢颗粒，可以在槽附近的反压力面上设置卷边。所述卷边同样确保在摩擦焊接操作过程中产 生的任何污垢颗粒的快速移除。 
除了反压力面之外，摩擦焊接体可以具有各种设计。具体地，旋转体可以设置在杆的端部。但是，可选地，旋转体可以具有这样的设计，即其由套筒的外壁形成。套筒中的孔例如用于接收螺钉。 
旋转体和金属板件连接的上述原理的有利应用能够得到进一步实现，因为旋转体和金属板件的连接点设置有焊料。在这样的设计中，焊料以相对低的温度熔化，然后将两个部件(即旋转体的反压力面和金属板件)连接在一起，在原理上这同样构成一种摩擦焊接连接，虽然该焊接操作限制了焊料的材料。 
附图说明
图1示出了金属板件和锥形旋转体，金属板件设置有柱形凹部； 
图2示出了金属板件和柱形旋转体，金属板件设置有锥形凹部； 
图3示出了金属板件和锥形旋转体，金属板件设置有锥形凹部； 
图4示出了图3的金属板件，但是没有示出旋转体，以图示凹部的锥形环形壁的圆形形状； 
图5示出了与锥形旋转体的***方向相反的锥形凹部； 
图6示出了具有锥形管口的金属板件和锥形旋转体，其中，管口在旋转体的***方向上从金属板件上凸起； 
图7示出了具有管口的金属板件，其中管口与锥形旋转体的***方向相反地延伸； 
图8示出了具有管口的金属板件，其中，管口垂直地且与旋转体的***方向相反地延伸，具有相应圆形延伸的锥形槽的旋转体设置在管口上； 
图9和图10示出了具有进入斜角的旋转体； 
图11示出了具有S形状凹部和相应设计旋转体的金属板件； 
图12示出了具有管口和摩擦焊接连接的金属板件，管口与旋转体的***方向相对地延伸，摩擦焊接连接延伸到管口的前端的上方。 
图13示出了具有凹部和***的旋转体的金属板件，旋转体的径向向 外延伸的端面设置有自粘合层； 
图14和图15示出了具有相连的扩大锥体的钻孔尖端的使用，以在旋转体的***方向上形成管口； 
图16示出旋转体的反压力面，所述反压力面设置有轴向槽； 
图17示出了根据图16的设计的平面仰视图； 
图18示出具有倾斜延伸的槽的旋转体的反压力面； 
图19示出了具有槽和相邻卷边的旋转体的平面仰视图，其中该槽设置在反压力面中；和 
图20示出了套筒形式的旋转体。 
具体实施方式
图1所示的摩擦焊接连接由具有锥形反压力面2的旋转体1组成，所述反压力面2已经压入具有凹部4的金属板件3中，反压力面2压靠凹部4的大致柱形圆环形壁5。由于反压力面2的锥形形状，在具有反压力面2的旋转体1***时，较高压力作用在凹部4的压力面6上，如果旋转体1适当地快速旋转，则造成压力面6的表面软化，最终形成如黑色区域7所示的摩擦焊接连接7。由于在这样形成摩擦焊接连接7的情况下，在压力面6上基本上存在来自反压力面6的径向压力，并且由于金属板件3中的凹部为金属板件3提供的稳定性，尽管旋转体1施加到金属板件3上的较高压力，对于形成这种摩擦焊接连接7不需要求助于使用反支撑架。以此方式，旋转体1借助于摩擦焊接连接牢固地和永久地固定到金属板件，所述旋转体1能够用来连接任何其它部件，公知例如弧焊到车身板的焊接柱头螺栓的使用。 
图2示出了与图1所示的相反的设计。在图2中，旋转体1具有大致柱形反压力面8，反压力面8压靠凹部4的锥形圆环形壁9，更具体地压靠旋转体1的压力面10，其中，为此目的，所述压力面10此处具有锥形形状，从而形成再次由黑色区域11表示的摩擦焊接连接。所产生的径向力大致与根据图1的设计中所产生的基本相同。 
图3示出根据图1和图2的设计的变化，旋转体1的反压力面2和凹 部4的压力面10两者均为锥形。在这样的设计中，从旋转体1开始压入凹部4的时刻起，旋转体1的反压力面2适应于锥形环形壁9的压力面10，结果，在旋转体1引入凹部4时，在压力面2和反压力面10的整个长度上立即产生较强的摩擦力。所形成的摩擦焊接连接由压力面9和反压力面10之间的区域中的黑色区域12表示。 
图4示出了环形壁9的圆形设计，更具体地是圆形形状。 
根据图5的设计包括具有凹部13的金属板件3，凹部13与旋转体的***方向相对地延伸，其中，在此情况下，凹部13还包围在旋转体1的外侧上。为此目的，此处凹部13的锥形环形壁14与旋转体1的内锥体15相对，旋转体1的反压力面16同样包围锥形环形壁14。由于，在这设计中，具有压力面15的环形壁14和形成锥形的反压力面16彼此压靠，这在较大的长度上立即产生相应的压力，并且因而，在接触面上产生热量，所述热量然后形成如黑色区域表示的摩擦焊接连接17。 
图6表示的设计与图5所示的类似，其中，管口18形成在具有锥形环形壁19的金属板件3中，具有锥形反压力面20的旋转体1已经压入环形壁19，这由图6中的黑色区域21表示。 
图7表示具有管口的金属板件3，所述管口与旋转体1的***方向相对地延伸，环形壁23大致垂直地从金属板件3向前进的旋转体1延伸，其中，所述旋转体1用其锥形反压力面24将相当大的径向压力施加在环形壁23上，这最终形成由黑色区域所表示的摩擦焊接连接。 
图8示出了摩擦焊接连接的变形，其中，设置了具有环形壁26的管口27，所述环形壁26大致垂直地从金属板件3延伸出来，所述环形壁26此处形成与旋转体1的***方向相对的管口27，环形壁26圆形地穿过旋转体1中的相应的槽28，其中，当旋转体1旋转时，由于所述槽28的锥度，环形壁26受到压缩，并且产生所需的热量。在本设计中，黑色区域29再次表示摩擦焊接连接的形成，在此情况下，黑色区域是指圆形摩擦焊接连接的两个侧面。 
图9和图10表示两个旋转体，每个旋转体设置有进入斜角30。根据图9的设计具有凸起31，该凸起31能够例如压入图3中的凹部4或者压 入图7中的圆形壁23。图10中的设计与之类似，可以说，凸起压入环形壁，这已经结合图5进行了说明。在图9和图10所示的实施例中，进入斜角30确保了在旋转体各自***相应的配合部件的过程中适合的引导。 
图11所示的设计类似于图8，其中，仅仅凹部4以S形的形状过渡到内环形壁32和外环形壁33，这提供了具有接触面的旋转体1，该接触面类似于图8中所示的设计，因此，内和外圆形壁32/33由圆形槽28的壁包住，然后形成由黑色表示的摩擦焊接连接34和35。 
根据图12，在摩擦焊接连接中，旋转体1上的端面36还用来包含源自管口的环形壁37的端面，因为即在旋转体1***环形壁37内侧区域时，端面36还抵靠所述环形壁的端面，由此摩擦焊接连接自动地包括所述端面。再次，此处在图12中由黑色区域36表示摩擦焊接连接。 
根据图13，旋转体1的径向向外定向的扁平端面还能够用来确保如果设置有粘性涂层39，则由黑色区域40表示的摩擦焊接连接38特别地防漏。为此目的，端面36设置有粘性涂层39，在形成摩擦焊接连接38时，端面36压靠金属板件3，在该点处形成围绕摩擦焊接连接38的防漏密封。 
图14和图15表示管口的形成，以及随后青形成摩擦焊接44，其中旋转体1设置有钻孔尖端41，并且还具有扩大锥体42。钻孔尖端41首先在金属板件3中钻一个孔，然后用扩大锥体将孔加宽至所需的直径(见图15)，其中，圆形壁43自动形成金属板件3的管口45，这可以说一举两得，即在另一方面，在形成具有环形壁43的管口45的同时在金属板件3中产生所需孔径，在环形壁43的内侧形成由黑色区域44表示的摩擦焊接连接。 
图16所示的旋转体1基本上与图1的旋转体的设计相同。然而，在图16中，反压力面2设置有轴向延伸的槽50，在图16中示出了仅仅一个槽。如图17所示俯视反压力面2，旋转体1的轴向平面仰视图示出了四个轴向槽50，在旋转体1旋转时，确保能够刮掉任何漆或者氧化层或者在其中收集研磨的材料。 
图18示出了上述槽的设计的变化。在此情况下，旋转体1设置在具 有倾斜延伸的槽51的反压力面2的区域中。因为这种倾斜的方向，向外定向的脉动传递到收集在槽51中的污垢颗粒，其中，取决于旋转方向，污垢颗粒向旋转体的底面52或者向着凸缘53移动。 
类似于图17，图19示出了旋转体1的轴向平面仰视图，其中，反压力面2不仅设置有槽50，还在每个槽50附近设置有两个相邻的卷边54，这进一步强化了槽50的研磨作用。 
图20示出了旋转体的设计，该设计与此前描述的设计相比已经做了修改。在此情况下，旋转体具有套筒55的形状，并且设置在具有锥形反压力面56的外侧表面。已经在上述附图中所示的金属板件3和套筒55之间的连接由黑线58表示，在该黑线58处，已经进行了摩擦焊接连接。套筒55进一步设置有孔57，所示孔57例如用作接收螺钉。 

Claims (7)

1.一种金属板件(3)和***金属板件(3)中的旋转体(1)之间的摩擦焊接连接组件，其特征在于：所述金属板件(3)设置有由管口形成的凸起圆环形壁(5)作为压力面(6)，所述压力面(6)适于和所述旋转体(1)的扩大锥体(42)配合，所述旋转体(1)在其整个长度上设置有反压力面(2)，其中，所述压力面和所述反压力面中至少一个是这样的锥形，其使得所述旋转体(1)的***以逐渐增大的压力装入所述环形壁(5)，由于所述旋转体(1)的旋转，形成了所述旋转体(1)和所述环形壁(5)之间的摩擦焊接连接(7)。
2.根据权利要求1所述的摩擦焊接连接组件，其特征在于：所述旋转体(1)的所述反压力面(2)由大致轴向延伸的槽(50)断开。
3.根据权利要求2所述的摩擦焊接连接组件，其特征在于：所述槽(51)沿与所述轴向成一角度的方向延伸。
4.根据权利要求2或3所述的摩擦焊接连接组件，其特征在于：卷边(54)设置在靠近所述槽(50)的所述反压力面上。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的摩擦焊接连接组件，其特征在于：所述旋转体(1)设置在杆的端部。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的摩擦焊接连接组件，其特征在于：所述旋转体由套筒(55)的外壁形成。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的摩擦焊接连接组件，其特征在于：所述金属板件和旋转体的连接点设置有焊料。 
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