CN101200020A - 旋转摩擦焊接加工方法和采用该方法制造的结构件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转摩擦焊接的加工方法，使一个塑料或金属材料制成的第一部件与一个相同或相似的材料制成的第二部件相对旋转地接触，并沿旋转轴线方向相互可熔化地摩擦挤合，进行旋转摩擦焊接，在所述第一部件和/或第二部件的熔渣预计存留的位置设置熔渣接槽，用于容纳所述的塑料熔渣。此外，本发明还公开了采用该方法制造的结构件及传感器。

Description

旋转摩擦焊接加工方法和采用该方法制造的结构件

技术领域

本发明涉及一种旋转摩擦焊接的方法和采用该方法所制造的结构件。特别是利用该方法制造的机动车传感器。

背景技术

旋转摩擦焊接已经广泛应用于两个塑料件或两个金属件之间的接合。在进行旋转摩擦焊接时，两个部件在相对旋转地接触摩擦，由此产生高温在很短的时间里将两被焊接的界面达到熔融的状态，此时迅速使二者停止相互运动，冷却后两个部件就结合为一体。图1和图2表示采用已有技术的一种旋转摩擦焊接方法，使一个圆筒形的第一部件1和一个圆柱形的第二部件2进行焊接的过程；其中，图1示出了第一部件1和第二部件2在旋转摩擦焊接之前的状态，图2示意了第一部件1和第二部件2在旋转摩擦焊接之后的状态。图中，在旋转摩擦焊接时，使第二部件2绕纵向轴线进行高速旋转，并使第一部件1从下方向第二部件2进给。当二者发生接触时，高速摩擦所发生的热量使二者之间的接触表面迅速加热至两种材料(或其中某一种材料)的熔点。很快地，第一部件1推进至图2中所示的终点位置，此时令第二部件2停止旋转，二者侧壁上的熔融接触区域快速冷却，使二者固化合为一体。如图2所示，所述的第一部件1的终点位置通常距第二部件2的倒立形台阶面留有很小的间隙，尺寸例如0.5mm，以免破坏非焊接区。

在旋转摩擦焊接过程中，第一部件1和第二部件2的侧壁发生接触磨擦并生成熔渣5，在这两个部件高速相对转动中，一部分熔渣会在离心力和重力的作用下被快速甩出，而另一些则滞留在第一部件1顶面与第二部件2所述的台阶面之间的狭缝中，如图2所示。

当采用这种方法所制造出的两个部件的结合体用作机动车发动机或油箱中的传感器的外壳时，所述狭缝中残留的熔渣随着震动会脱落，污染润滑油或燃油。为避免污染，作为传感器制造过程中一个工序，需要对所述狭缝中残留的熔渣进行清除。清除的方法是，用细的刷子或金属签刮扫所述的狭缝，将熔渣刮掉。但是，一方面用这种方法很难将所有的熔渣刮干净，另一方面，有些当时与第一部件1和第二部件2贴合得较紧的熔渣在传感器的使用过程中会逐渐松动并脱落。结果是，油箱仍然难免受到熔渣外漏的污染。

发明人注意到，如果要避免熔渣脱落造成污染，理论上，需要使第一部件的环状端面与第二部件的肩部端面在焊接后尽可能接近，但另一方面，第一部件的环状端面与第二部件的肩部端面之间应该保留间距，以避免破坏非焊接面。为满足这种相反的需求，需要极为精确地控制所述第一部分1和第二部分2(例如一个传感器中的壳体与支架)焊接操作，特别是进给操作，因而制造的难度大，成本高。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的一个目的是提供一种旋转摩擦焊接加工方法，采用简单和低成本的方法减少熔渣的外漏。

本发明的另一个目的是提供一种利用上述方法制造的结构件，该结构件将残留于上述缝隙中的熔渣封闭起来，从而减少了熔渣外漏。

根据本发明旋转摩擦焊接加工方法，包括：使第一部件与一个第二部件的预定的结合面接触，其接触面相对旋转并进给运动，并且，在所述第一部件和/或第二部件的熔渣预计存留的位置预先设有熔渣接槽，在焊接后所述熔渣接槽被封闭。

根据本发明旋转摩擦焊接加工方法的一个方面，所述第一部件被预先制成圆筒状，第二部件至少焊接区的外周壁被预先制成圆柱形，在焊接过程中第二部件的上述圆柱外周壁伸入到第一部件的圆筒内部，并且使第一部件的圆筒内壁与第二部件的圆柱状外壁相互接触。第一部件与第二部件相互对立的端面之间就是熔渣预计存留的位置，在面向所述的第二部件的第一部件的端面上加工出所述的熔渣接槽，该端面呈环状。所述的熔渣接槽的靠近摩擦焊接面的环状槽壁较另一侧环状槽壁更高，所高出的部分在摩擦焊接的过程中被摩擦高温熔融，封闭熔渣接槽的开口。

随着上述两部件沿轴线方向的进给和相对高速旋转，所述第一部件与第二部件的相互接触的焊接区温度急剧升高，逐渐熔融，开始产生熔渣。随着持续的进给，熔渣被推向第一部件与第二部件相互对立的端面之间，由于高速相对旋转，一部分熔渣会在离心力和重力的作用下被快速甩出，而另一些则落入到熔渣接槽中。由于相对进给和高速旋转，该熔渣接槽靠近焊接面的一侧的环状槽壁的顶部接触到第二部件的相对端面并开始熔化，熔化的材料径向向外流动，一方面推动熔渣从第一部件与第二部件相互对立的端面之间排出，另一方面将熔渣接槽的开口盖住。第一部件和第二部件相对进给到达终点，相对转动停止，焊接完成。熔渣要么被排出，要么落入熔渣接槽继而被靠近摩擦焊接面的那个环状槽壁顶部的熔融物所封闭。

根据本发明的方法的另一方面，在所述的第二部件面向所述的第一部件的端面上加工出所述的熔渣接槽，以替代设置与第一部件上的熔渣接槽。或者，所述第一部件和第二部件上相对的端面上分别预先加工出所述熔渣接槽。当熔渣接槽分别被设置在第一部件或第二部件上时，所述的熔渣接槽在旋转摩擦焊接后分别被第二部件或第一部件封闭，用于容纳所述的熔渣。

根据本发明的一种旋转摩擦焊接结构，包括一个第一部件和一个第二部件，所述的第一部件和第二部件分别具有相互接触的旋转体表面，作为焊接区，在所述的第一部件和/或第二部件上熔渣预计存留的位置设有熔渣接槽，在焊接后所述熔渣接槽被封闭。所述的旋转体例如是圆筒体，圆柱体，圆台体，或圆锥体。

根据本发明的结构的一个方面，至少在焊接区，所述第一部件具有圆筒状内表面，第二部件具有呈圆柱形的外表面；上述两个表面如此匹配接触，使该两个表面得以进行摩擦焊操作。所述第二部件的上述圆柱外表面伸入到所述第一部件的圆筒内，使第一部件的圆筒内壁与第二部件的圆柱状外壁相互接触。所述的第一部件面向所述的第二部件的端面上加工出所述的熔渣接槽。所述熔渣接槽的靠近摩擦焊接面的环状槽壁较另一侧环状槽壁更高，所高出的部分在摩擦焊接的过程中被摩擦高温熔化，封闭熔渣接槽的开口。

根据本发明的结构的另一个方面，所述熔渣接槽的靠近摩擦焊接面的环状槽壁的壁厚向顶部方向逐渐变薄。所述的熔渣接槽的截面形状大致呈U型或V型。

所述的熔渣接槽是一条环形的凹槽。另一种替代形式，所述的凹槽可以是断续的。

第一部件的材质与第二部件的材质可以是能够进行旋转摩擦焊接的各类材料。它们可以是相同的材料，也可以是不同材料，例如同为塑料，或者同为特定的金属或合金等。

所述的第一部分与第二部分焊接而成的结构例如是一种机动车传感器，这两部分围成的空间内部安装传感元件。

根据本发明的旋转摩擦焊接加工方法及旋转摩擦焊接结构，采用特殊设计的熔渣接槽，在焊接过程中，熔融的熔渣接槽的槽壁发生流动，一方面将间隙中的部分熔渣推出，另一方面将熔渣接槽的开口覆盖，落入接槽内的较小的熔渣由此被封闭起来。这样，在第一和第二部件之间的间隙中残留的熔渣基本上被封闭起来，在使用时不会发生脱落，对工作环境，例如，燃油或润滑油，不会造成污染。同时，熔渣接槽的顶部的熔融不会损毁非焊接区，特别是第一和第二部件相互对峙的端面。由此，以简单的方式和较低的成本解决了摩擦焊的熔渣脱落污染工作环境的问题。

附图说明

图1和图2表示已有技术的旋转摩擦焊接的方法和结构，分别表示第一部件1和第二部件2进行旋转摩擦焊接之前以及之后情况；

图3表示本发明的旋转摩擦焊接结构和加工方法的实施例，其中所述的摩擦焊接结构是一个机动车传感器；

图4为图3所示传感器的壳体1与支架2的剖视图，采用本发明的方法，使第一部件1和第二部件2进行旋转摩擦焊接之前的剖面图；

图5为图4中A-A部分的放大视图，表示本发明的熔渣接槽的细部结构；

图6和图7表示本发明的另一实施例，第一部件1与第二部件2进行旋转摩擦焊接过程之前和之后的剖面图，其中熔渣接槽的截面大致呈V型；

图8表示图7中圆圈部分的局部放大视图；

图9和图10为本发明的又一个实施例，一个圆筒状的第一部件1进入一个具有圆筒状部分的第二部件2，进行旋转摩擦焊接之前和之后的剖面图；

图11为本发明的再一个实施例，两个部件分别带有熔渣接槽的情形。

具体实施方式

图3、图4和图5为本发明的旋转摩擦焊接结构的一个实施例，其中以一个机动车传感器的摩擦焊接结构为例。图3显示的是所述汽车传感器的各元件的立体分解图，包括密封圈61，壳体1，磁铁63，磁极64，线圈65和支架2。在将线圈65、磁极64、磁铁63依次套在支架2上以后，将壳体1通过摩擦焊的方式固定在支架2上。在此实施例中，壳体1即为所述的第一部件，支架2为所述的第二部件，二者的材质都是可以进行旋转摩擦焊接的塑料。支架2上装有测量用的传感元件(图中未示出)。壳体1上与支架2相对的端面设置了一个熔渣接槽4，摩擦焊接时，该熔渣接槽在壳体1与支架2之间容纳所溢出的部分熔渣，这些熔渣最终被封闭于该槽中。

如图4和5所示，所述第一部件1至少在其开口端具有圆筒状内表面14，第二部件2在预定的焊接处具有呈圆柱形的外表面24；上述两个表面14、24构成的焊接区尺寸如此匹配接触，使该两个表面得以进行旋转摩擦焊操作。所述第一部件1的圆筒罩住安装于第二部件2上的那些传感器元件，第一部件1的圆筒内壁14与第二部件2的圆柱状外壁24相互焊接。从图5可以更清楚地看到本发明的特别设计的熔渣接槽4的结构。在第一部件1的开口一端的侧壁上设有一加厚的环状突起，该突起在朝向第二部件2的那侧开设有环形槽4，该槽环绕第一部件1的圆筒壁并且紧邻开口端。该熔渣接槽4大致呈U型，有两个槽壁11和14，外槽壁11为圆筒形，其顶部12应与焊接完成后的内槽壁14的开口边缘基本平齐。内槽壁14实际上是第一部件1的圆筒侧壁的延伸，为了与第二部件2焊接区域的阶梯结构相配合，内槽壁14也有相应的阶梯。由这两个槽壁之间限定的空间便是环形熔渣接槽4。可以理解，内槽壁14就是接近摩擦焊接面的那个槽壁，在焊接之前其顶部13比外槽壁顶端12高一些，高出的部分(如虚线所示)在焊接中将被熔化。内槽壁的顶部13的厚度较之第一部件1的圆筒壁的厚度薄一些，并且越靠近顶部就越薄。在摩擦焊接时，所述的第一部件1面向高速旋转的第二部件2的端面22进给，所述的熔渣接槽的靠近摩擦焊接面的环状槽壁14的顶部13在摩擦焊接的过程中被高温熔化，封闭熔渣接槽的开口。

图6、图7和图8显示了本发明的旋转摩擦焊结构的另一个实施例，在该实施例中第一部件1和第二部件2以示意的方式表示传感器的有待焊接的壳体1和支架2，或者其它有待相互焊接的零件。与前一实施例的不同之处仅在于，熔渣接槽4的截面形状大致呈V型。熔渣接槽的作用特别是从图7和8中可以清楚地看到，随着第一部件1朝向旋转着的第二部件2的进给，大部分熔渣在旋转的离心力的作用下从焊接区域及两部件之间甩出，而剩余的少量熔渣5落入熔渣接槽4中，并在焊接结束后最终被封闭在其中。

图9和图10表示本发明的旋转摩擦焊结构的再一个实施例，在该实施例中第一部件1和第二部件2以示意的方式表示传感器的有待焊接的壳体1和支架2，或者其它有待相互焊接的两个零件。与前述实施例的不同之处在于，第一部件1的焊接区深入到第二部件2的内部，并相互焊接。焊接完成后，第二部件2至少部分地包容第一部件1。

图11显示了本发明的旋转摩擦焊结构的又一个实施例，在该实施例中第一部件1和第二部件2以示意的方式表示传感器的有待焊接的壳体1和支架2，或者其它有待相互焊接的两个零件。与前一实施例的不同之处仅在于，在第一部件1和第二部件2的相对的端面上分别设有熔渣接槽4。落入其中的熔渣在焊接结束后最终被封闭在其中。

本发明的旋转摩擦焊接结构还可以有其他的实施方式，可以采用不连续的熔渣接槽来代替上述的环形熔渣接槽4。

另外，可采用其他截面形状的熔渣接槽，而不限于U型或V型。例如，梯形或矩形截面的熔渣接槽，效果也较好。

本发明的方法的实施例可以通过对上述结构的焊接操作过程的描述来加以阐明。

参见图4和5，所述第一部件1被预先制成圆筒状，第二部件2至少焊接区的外周壁24被预先制成圆柱形，以便在焊接过程中第二部件的上述圆柱外周壁24伸入到第一部件的圆筒内部，并且第一部件的圆筒内壁14与第二部件的圆柱状外壁24的尺寸使得它们能相互接触，为旋转摩擦焊提供准备条件。在面向所述第二部件2的第一部件1的端面上加工出所述的熔渣接槽4，所述的熔渣接槽4的靠近摩擦焊接面的内槽壁14较另一侧环状槽壁11更高。

随着上述两部件1、2沿轴线方向的进给和相对高速旋转，所述第一部件1与第二部件2的焊接区14和24开始相互接触，在摩擦中温度急剧升高，从而开始产生熔渣。在旋转摩擦焊接时所产生的熔渣通常在熔融状态存留堆积在第一部件1和第二部件2的两个相对的表面之间，这些熔渣特别是较大的熔渣受离心力和重力的作用首先被迅速甩出，但也会有熔渣落入熔渣接槽4之中。部分还处于熔融状态的熔渣较容易地附着于槽壁上，冷却后与槽壁固化。熔渣接槽的内槽壁14的顶部13首先进入旋转摩擦，内槽壁14的厚度朝向其顶部13逐渐变薄，因而其顶部13最先软化并开始熔融。随着持续的进给，该顶部13开始进抵第二部件2的端面22，在进给力与端面22的阻挡作用下，已经软化甚至熔融的顶部13受到挤压，顶部的材料被迫径向向外流动，填充覆盖熔渣接槽4的开口。在这个过程中，一方面推动熔渣从第一部件1与第二部件2相互对立的端面之间排出，另一方面将熔渣接槽4的开口盖住。第一部件1和第二部件2相对进给迅即到达终点，它们的相对转动停止，焊接区冷却，焊接完成。

最终，所述的熔渣要么被排出，要么落入熔渣接槽4，由剩余的内槽壁14、外槽壁11以及熔融的顶部13基本上封闭起来，使熔渣5不在随后的工作过程中脱落，从而有效地避免了熔渣5在使用过程中形成污染。

本发明的方法还可以有其他的实施例，例如，在所述的第二部件2面向所述的第一部件1的端面上加工出所述的熔渣接槽，以替代设置于第一部件1上的熔渣接槽4。或者，所述第一部件1和第二部件2上相对的端面上分别预先加工出所述熔渣接槽4。当熔渣接槽分别被设置在第一部件1或第二部件2上时，所述的熔渣接槽4在旋转摩擦焊接后分别被第二部件2或第一部件1封闭，用于容纳所述的熔渣。

根据本发明的旋转摩擦焊接加工方法及摩擦焊接结构，采用特殊设计的熔渣接槽结构4，在焊接过程中，将落入残留于熔渣接槽4内的熔渣5封闭起来，不会对工作环境中的燃油或润滑油造成污染。同时，熔渣接槽4的顶部13小而薄，与相对的部件的端面22的接触面积很小，即使在摩擦焊接进行时，两焊接部件发生接触，也不会对非焊接区，例如端面22造成实质性破坏，因而对摩擦焊接进给的操作精度并不严格，操作容易且生产成本较低。以简单的方式和较低的成本解决了摩擦焊的熔渣脱落污染工作环境的问题。

Claims (16)

1.一种旋转摩擦焊接的加工方法，包括：使第一部件(1)与一个第二部件(2)的预定的结合面接触，其接触面相对旋转并进给运动，其特征在于，在所述第一部件(1)和/或第二部件(2)的熔渣预计存留的位置预先设有熔渣接槽(4)，在焊接后所述熔渣接槽(4)被封闭。

2.如权利要求1所述的旋转摩擦焊接的加工方法，其特征在于，所述第一部件(1)被预先制成圆筒状，第二部件(2)至少焊接区的外周壁被预先制成圆柱形，在焊接过程中第二部件(2)的上述圆柱外周壁伸入到第一部件(1)的圆筒内部，并且使第一部件(1)的圆筒内壁与第二部件(2)的圆柱状外壁相互接触。

3.如权利要求2所述的旋转摩擦焊接的加工方法，其特征在于，所述的第一部件(1)面向所述的第二部件(2)的端面(12)上加工出所述的熔渣接槽(4)。

4.如权利要求2所述的旋转摩擦焊接的加工方法，其特征在于，所述的第二部件(2)面向所述的第一部件(1)的端面上加工出所述的熔渣接槽(4)。

5.如权利要求2所述的旋转摩擦焊接的加工方法，其特征在于，所述第一部件(1)和第二部件(2)上相对的端面上分别预先加工出所述熔渣接槽(4)。

6.如权利要求1或3或4所述的旋转摩擦焊接的加工方法，其特征在于，所述的熔渣接槽(4)的靠近摩擦焊接面的环状槽壁(14)较另一侧环状槽壁(11)更高，所高出的部分(13)在摩擦焊接的过程中被摩擦高温熔融，封闭熔渣接槽(4)的开口。

7.一种旋转摩擦焊接结构，包括一个第一部件(1)和一个第二部件(2)，所述的第一部件(1)和第二部件(2)分别具有相互接触的旋转体表面，作为焊接区，其特征在于：在所述的第一部件(1)和/或第二部件(2)上熔渣预计存留的位置设有熔渣接槽(4)，在焊接后所述熔渣接槽(4)被封闭。

8.如权利要求7所述的旋转摩擦焊接结构，其特征在于，所述的旋转体为圆筒、圆柱、圆台、圆锥体中的一种。

9.如权利要求8所述的旋转摩擦焊接结构，其特征在于，至少在焊接区，所述第一部件(1)具有圆筒状内表面，第二部件(2)具有呈圆柱形的外表面；上述两个表面如此匹配接触，使该两个表面得以进行摩擦焊操作。

10.如权利要求9所述的旋转摩擦焊接结构，其特征在于，所述第二部件(2)的上述圆柱外表面伸入到所述第一部件(1)的圆筒内，使第一部件(1)的圆筒内壁与第二部件(2)的圆柱状外壁相互接触。

11.如权利要求9所述的旋转摩擦焊接结构，其特征在于，所述的第一部件(1)面向所述的第二部件(2)的端面(12)上加工出所述的熔渣接槽(4)。

12.如权利要求11所述的旋转摩擦焊接结构，其特征在于，所述的熔渣接槽(4)的靠近摩擦焊接面的环状槽壁(14)较另一侧环状槽壁(11)更高，所高出的部分(13)在摩擦焊接的过程中被摩擦高温熔融，封闭熔渣接槽(4)的开口。

13.如权利要求12所述的旋转摩擦焊接结构，其特征在于，所述的熔渣接槽(4)的靠近摩擦焊接面的环状槽壁(14)的壁厚向顶部(13)方向逐渐变薄。

14.如权利要求9至13之一所述的旋转摩擦焊接结构，其特征在于，所述的熔渣接槽(4)截面形状大致呈U型或V型。

15.如权利要求9至13之一所述的旋转摩擦焊接结构，其特征在于，所述的熔渣接槽(4)是一个连续的环形槽。

16.如权利要求7所述的旋转摩擦焊接结构，其特征在于，所述的第一部分(1)与第二部分(2)焊接而成是一种机动车传感器，这两部分围成的空间内部安装传感元件。

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