CN104994987B - 利用搅拌摩擦焊接的混合驱动轴及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用搅拌摩擦焊接的混合驱动轴及其制造方法，更详细而言，涉及通过在金属管的内部形成复合材料层来构成驱动轴，并利用搅拌摩擦焊接方式在驱动轴的两端结合金属轭，从而，减轻配件及增强耐久性的驱动轴及其制造方法。所述方法包括：利用心轴将板状的复合材料制造成圆筒形的步骤；将圆筒形的所述复合材料层***于金属管内部，并紧贴旋转心轴附着于所述金属管的内部的步骤；将金属管的内部形成真空状态保持规定时间以便所述复合材料层紧贴于所述金属管的步骤；将所述金属管保持真空的状态下放入到高压釜施加热成型至复合材料的步骤；用搅拌摩擦焊接的方式在所述金属管的末端接合用于连接其他构件的连接构件的步骤。

Description

利用搅拌摩擦焊接的混合驱动轴及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种驱动轴，更详细而言，涉及通过在金属管的内部形成复合材料层来构成驱动轴，并在驱动轴的两端利用搅拌摩擦焊接方式结合金属轭，从而，减轻配件、消减噪音振动而增强耐久性、并且节省能源的利用搅拌摩擦焊接的驱动轴及其制造方法。

背景技术

通常，驱动后轮车辆将从前方发动机产生的驱动力通过连接于变速器的驱动轴传递至后轮来使车辆前进。虽然发动机与变速器安装于前方，但并不驱动前轮而驱动后轮来前进。此驱动后轮车辆由于驱动后轮转向前轮，因此，与驱动前轮车辆相比具有出色的转向功能，并能均衡地分配前后重量，从而有利于车辆的均衡。

图1示出根据现有技术的驱动后轮车辆的动力传递结构。如图1所示，发动机与变速器安装于前轮1侧，使得驱动轴10设置于变速器与后轮车轴之间传递驱动力。由万向接头连接各连接部分。

如图1所示，通常驱动轴10由两个金属管11、12构成，其是因为驱动轴10的轴长非常长，因此要分为两个配件。虽制作为一个配件为好，但由于因车辆行驶时发生的振动引起共振频率，因此，需要分为两个配件。即，若仅制造成一个配件，则由于行驶时发生的振动有可能引发固有振动数及共振现象，因此，不安全。驱动轴10由前后两个金属管11、12与用于连接各管两端的金属轭13、14、15来构成。尤其，在驱动轴10的中间通过轭14连接两个金属管11、12，因此，为了保持直线运动连接中心支撑轴承16来固定于车辆底盘。

另一方面，作为现有技术，已公开有韩国公开专利第10-2006-0053299号公报。

本发明是涉及螺旋轴与后桥半角的结合结构，明确示出了作为螺旋轴的驱动轴的结构。如对现有技术的说明，由两个金属管构成的结构具有现有技术的全部缺点。

由两个管构成驱动轴的结构成为阻碍实现省油、轻量化的技术发展的要素。

另一方面，1991年在英国TWI(焊接研究所)研发了搅拌摩擦焊接方法，摩擦工具旋转时产生的热使材料熔化成半固体状态，此时根据摩擦工具的旋转来混合材料的同时进行焊接的一种新型焊接方式。这与通常的焊接相比较少发生焊接的位置突出、因高热周围发生变形、残留应力等问题。初期是用于利用铝等材料的焊接，但现在随着技术的发展利用于多种材料。也可用于太空船液氢燃料箱。但缺点是不易进行多种形态的焊接。

所述焊接方法虽有上述优点，但仍属于焊接，因此，摩擦工具在接合界面上移动，并在其部分形成凹陷部，问题虽比现有方式少，但存在在接合界面上发生残留应力、疲劳集中等问题。

为了解决所述问题，作为现有技术已在韩国授权专利第0445142号公开。公开了一种防止在接合部上发生朝接合面的下位置延长的凹陷部的搅拌摩擦焊接技术。

现有技术中，在支架构件的接合部的端部朝旋转体接合工具设置突出的厚部分。若相对相结合的邻接构件即两个厚构件就成为梯形。旋转体接合工具具有直径小的前端部分及直径大的部分。旋转体接合工具***于厚的部分。旋转体接合工具首先***直径小的前端部分，旋转体接合工具的直径大的部分叠层于厚的部分、但不延长于接合构件的不厚的面的上部面的位置，旋转体会旋转，并随着接合部移动。即使厚部分之间有缝隙也能进行接合，接合后，厚部分的剩余部分被机器切削形成平滑的面。现有技术按所述方法防止在接合界面形成凹陷部。

但，按照所述方法制造时，需要制作将用于接合的邻接构件相对的部分形成为梯形，因此，导致费用高，制造成其他形状时费用会更加增加。

发明内容

本发明是为了解决所述目的而提出的，其目的在于，提供一种驱动轴及其制造方法，通过在金属管的内部粘贴复合材料层来提高共振频率，从而，最大限度地减少噪音振动，由一个管构成的驱动轴，并在两端利用搅拌摩擦焊接的方式结合金属轭，从而，解决机械结合或电焊中发生的问题，并能减少配件的数量，实现轻巧、耐久性高及节省能源。

并且，本发明是为了解决所述目的而提出的，其目的在于，提供一种搅拌摩擦焊接施工法，制作成垂直接合面相对接合的构件的接合界面具有规定的倾斜角度，在超出接合界面的位置驱动摩擦工具，从而，在接合界面不存在凹陷部，使得能防止出现应力及疲劳集中等问题。

为了实现所述目的，本发明包括：在将由复合材料形成的中空圆筒体紧贴于金属管的内周面的状态下，将心轴***于中空圆筒体的内部，并将中空圆筒体朝金属管的内周面加压的步骤；用薄膜密封所述金属管与中空圆筒体减压后施加真空压力的步骤；在施加所述真空压力的状态下，对中空圆筒体施加热成型至复合材料层的的步骤；利用搅拌摩擦焊接将连接构件接合于所述金属管的两端的步骤。

优选地，将所述中空圆筒体成型至复合材料层的成型步骤中，成型条件为如下；成型温度为110-170℃，气压为5-7kgf/cm²，用薄膜密封的薄膜内部真空压力为-0.2bar以下。

优选地，所述复合材料包含碳纤维与环氧树脂。

优选地，所述金属管形成为与所述连接构件的接合面对垂直于金属管轴方向的垂直面形成倾斜角(θ)。

优选地，所述倾斜角(θ)为15°≤θ≤90°。

优选地，所述金属管与连接构件的搅拌摩擦焊接是焊接工具***于所述接合面的底边上的规定地点来进行工作。

优选地，所述连接构件是金属轭。

根据本发明的驱动轴，包括：金属管，形成为圆筒形；复合材料层，粘贴于所述金属管的内面；金属轭，一部分***在所述金属管的两端后，接触面通过搅拌摩擦焊接结合。

优选地，所述金属管与金属轭的接合面对垂直于金属管的轴方向的垂直面倾斜形成。

优选地，所述接合面的倾斜角(θ)为15°≤θ≤90°。

为了实现其他目的，本发明具体地，将相对两个构件的状态下利用由摩擦工具产生的热来焊接构件的搅拌摩擦焊接方法，其中所述两个构件的接合界面中，一部分形成规定角度倾斜的倾斜面的状态下，两个构件相对接触，从所述接合界面离规定距离的位置***所述摩擦工具来焊接。

优选地，所述倾斜面的倾斜角(θ)对垂直接合界面倾斜15°≤θ≤90°。

优选地，所述摩擦工具用于所述接合倾斜界面的二等分分割点。

优选地，所述接合面的一部分形成为倾斜面，一部分形成为垂直面。

发明效果

根据本发明具有以下效果。

(1)由于在铝管内部接合复合材料层，在两末端通过搅拌摩擦焊接接合金属轭，因此，可以简单地一体化机构复杂的结合结构，并实现轻量化。

(2)由于由一个金属管构成，因此，可以省去用于多个连接金属管的复杂的结合结构来简化结构，并比现有技术减少配件数量，并减少组装车辆的时间。

(3)在金属管与金属轭之间倾斜地形成搅拌摩擦焊接的接合面，从而，在摩擦搅拌焊接的最后使由脱离工具产生的缺陷(工具脱离凹陷)绕开接合界面形成来提前防止应力集中或其他的缺陷，并最大限度地增大两个接合面的焊接面积，从而，提供更坚固的接合韧度。

(4)由于摩擦工具***于从接合界面离开规定位置处进行焊接，因此，不会在接合界面上产生焊接工具脱离时剩下的凹陷部，从而，能提前防止因应力及疲劳集中而产生的接合界面的破坏。

附图说明

图1示出一般车辆的动力传递结构的车辆的俯视图。

图2是根据本发明的驱动轴的立体图。

图3是根据本发明的驱动轴的纵截面图。

图4是按顺序示出制作本发明的驱动轴的方法的模式图。

图5是示出在制作本发明的驱动轴的过程中使金属管内部形成为真空的工程状态的图面。

图6是示出在制作本发明的驱动轴的过程中在高压釜内的温度与气压条件的图表。

图7是示出本发明的其他实施例的驱动轴的搅拌摩擦焊接一部分的截面图。

图8是用于本发明的搅拌摩擦焊接方法的两个中空圆筒形构件的立体图。

图9是图8所示的沿AA线的截面图。

图10是图9所示的接合界面的详细放大图。

图11是示出用于本发明的搅拌摩擦焊接方法的两个平板构件的立体图。

图12是图11所示的两个构件的详细截面图。

图13是示出用于本发明的搅拌摩擦焊接方法的活塞的两个构件的截面图。

图14是图13所示的B部分的放大图。

具体实施方式

本发明的目的、特征及优点通过以下的详细说明将会明确。以下，参照附图详细说明本发明的优选实施例。

图2至图4示出根据本发明的优选实施例。

参照图2，示出根据本发明的驱动轴的完成品。驱动轴100由一个金属管110、组装结合于金属管的两末端的金属轭130、以及内部的复合材料层120构成。金属管110使用铝，金属轭130也使用铝。除此之外，也可使用其他的金属，或铝合金。此合金可包含镍或镁。轭130形成有阶梯部，使得一部分***于金属管的内部，两个接合面成斜面相对***，外面的高度与金属管110大致相同。在此状态下通过搅拌摩擦焊接轭130接合于金属管110。

参照图3的截面图，轭130使用万向接头，将前方接头200连接于变速器，后方接头210连接于后桥半轴，从而，将发动机的驱动力传递至后轮。在金属管110的内部接合由复合材料形成的复合材料层120。复合材料层120将碳纤维与环氧树脂层叠多层而可制造。若制造成此结构，则金属管110传递力矩，复合材料层120提高固有振动数，使得不用连接两个管而用一个管也能制造。即，具有传递力矩的韧度的同时，驱动轴的固有振动数变高，从而，解决因共振引发的噪音振动的问题。复合材料层120除了碳纤维之外还可以叠层其他多种材料来使用。

参照图4，用模式图示出根据本发明的驱动轴100的制造方法。如图所示，首先，将叠层的复合材料层120利用心轴(mandrel)300制造成圆筒形。即，在板状复合材料的上面紧贴心轴300的状态下，边施加压力边滚动，从而，将复合材料层120制造成圆筒形。圆筒形的所述复合材料层120***于金属管110的内部，以固定金属管110的状态下，紧贴旋转心轴300来将复合材料层120粘贴到所述金属管100的内部。将所述金属管110的内部制造成真空状态，并保持规定时间后解除真空状态。即，复合材料层120紧贴粘贴到金属管110的内部的状态下，在金属管110的两端紧贴用于抽取金属管110的内部的空气形成真空的套140，在此状态下，拧紧栓150后，通过形成在套140上用于形成真空压的流路抽取空气来使金属管110的内部形成真空，其中，栓150，具备拉手，在中央贯通设置耦合螺旋160以便能拧紧，若金属管110的内部成真空，则金属管110的内面与复合材料层120之间的空气被完全抽取，最终金属管110与复合材料层120物理性地完全紧贴，从而，粘贴的状态变坚固而形成为一体。并且，驱动轴100的整体固有振动数也随之增加。

除了通过按所述方法抽取空气形成真空状态的方法之外，还有其他的方法，即在金属管110的内侧面紧贴复合材料层120的状态下，如图5所示，用于真空的内侧薄膜210放入于金属管110的内部，并用外侧薄膜200完全包住金属管110后，连接并粘贴内侧薄膜210与外侧薄膜200以便安全密封金属管110与复合材料层120的部分。然后，将喷嘴220连接于真空泵取出内侧薄膜200与外侧薄膜210之间的空气做成真空。若形成此真空状态，通过真空压力复合材料层120紧贴接触于金属管110的内侧。

然后，参照图6，将所述金属管110放入高压釜内施加热成型至复合材料，高压釜内的成型温度为110-170℃，气压为5-7kgf/cm²左右。按此方法制造，完成金属管110与复合材料层120的接合及成型。尤其，对金属管110与复合材料层120施加-0.2bar的真空压力的状态下，供给到高压釜内部完成成型。其结果，复合材料层120更坚固地附着于金属管110的内部。

然后，在所述金属管110的末端利用搅拌摩擦焊接方式接合金属轭130。搅拌摩擦焊接是通过焊接工具的旋转在接合母材产生摩擦热进行焊接的方式，由于搅拌摩擦焊接不会发生熔融状态，因此，不会产生以往因电弧焊等热冲击产生熔融***而引起气孔、凝固裂开、残留应力等的缺陷，由于具有供热量低且未熔融特性，从而，具有改善机械性质的出色的优点。尤其，如本发明为了轻量化使用铝时，如果做通常的电焊，则铝会急速变形，根本不能适用，但是，在这种情况下使用所述方法就能解决问题。并且，通过搅拌摩擦焊接能防止在进行一般焊接时因温度在焊接部位产生复合材料的变形及烧毁的问题。现有的驱动轴一般使用钢铁，因此，重量非常重，在车辆发生事故时车体产生破坏，给驾驶人带来危险，但若使用利用本发明的搅拌摩擦焊接方法的驱动轴，具有必要的张力及冲击强度的同时，由于重量轻而发生事故时在降伏点破碎，因此，不会给驾驶人带来危害。

铝金属管110与轭130一起搅拌摩擦焊接时，在低温***点以下的温度发生接合。

搅拌摩擦焊接是在施加压力的状态下将焊接工具对着其紧贴接合面以适当的速度进行旋转以便将要焊接的母材继续相互紧贴。母材上根据搅拌摩擦产生热，在母材不被产生的热与压力熔融的状态下也能进行接合。以此状态下逐渐旋转母材，转动一圈，则完成搅拌摩擦焊接。若设置多个焊接工具，则能节省焊接时间。

另一方面，图7示出根据本发明的其他实施例。其他特征是金属管110`与轭130`的接合面110a`对现有接合面倾斜规定角度(θ)。即，现有的接合面是对金属管的轴方向的垂直面，但对其垂直面形成规定角度倾斜的接合面。倾斜角度θ为15°≤θ≤90°左右为佳。若倾斜地相对接合面110a`，则焊接工具不会沿接合面110a`的最***的垂直边界线，而是位于接合面110a`附近的发生摩擦热区域(heating zone)的区内，随之，最后的接触点暂停在图7所示的区域，脱离焊接工具的同时发生的缺陷点会绕开接合界面110a`形成。若进行搅拌摩擦焊接，焊接工具最后从母材脱离时会产生凹陷的部分(Divot)，并产生应力集中等现象。因此，通过绕开接合界面110a`上形成缺陷，从而，最大限度地加强接合韧度，并提前防止根据应力集中而发生的破坏等现象。

图7中，以轭130`进入到金属管110`内的方式倾斜地形成接合面110a`，也可以相反形成。

并且，根据本发明的实施例中，在金属管上搅拌摩擦焊接金属轭，但除了金属轭之外，也可以结合如凸缘等其他连接构件。

具体实施形态

图8示出根据本发明的优选实施例的用于搅拌摩擦焊接的两个构件401、402。两个构件401、402形成为中空圆筒形，在相对两末端的状态下进行搅拌摩擦焊接。为了在两末端相对接触，慢慢地施加适当的力气推，以此状态下，摩擦工具500搅拌摩擦构件401、402的内面与表面，同时进行焊接。

图9示出图8所示的构件的纵截面图。其结构是两个构件401、402相面对，并且，一个构件401的一部分稍微***于另一个构件402的内部的结构。尤其，两个构件401、402搅拌摩擦焊接的接合界面412倾斜形成。接合倾斜界面相对于垂直线倾斜规定角度形成。在这种状态下，如图所示，摩擦工具500***于偏离接合界面412的位置，边旋转，边进行搅拌摩擦焊接。

图10放大示出倾斜的接合界面412。如图所示，接合界面412倾斜规定角度(θ)形成倾斜面，对垂直接合界面的倾斜度为15°≤θ≤90°左右。并且，摩擦工具500下降后开始摩擦的位置是倾斜面区间的外侧规定分割地点，在其位置上***摩擦工具500的状态下进行搅拌摩擦焊接。

图11是将根据本发明的搅拌摩擦焊接方法适用于平板构件410、420的例。两个平板构件410、420同样两面相对的状态下***摩擦工具500来进行工作。说明图12的截面图，接合界面415由倾斜的倾斜面415a与垂直面415b形成。如所述实施例所示，摩擦工具500供给到倾斜面外侧区间的规定分割点，例如，供给到二等分分割点后进行工作。若形成垂直面415b，则即使向两末端内侧施加相互推压构件的力气，也不会超出位置。

图13及图14示出将根据本发明的搅拌摩擦焊接方法适用于制造可变容量型斜板式压缩机用活塞过程中的半成品状态的头部构件440及电桥部构件430的情况。头部构件440及电桥构件430是截面为圆形的构件，按图8至图10的方法相同地进行。

电桥部构件430以稍微***于头部构件440的内侧的形态结合，接合界面445倾斜形成，摩擦工具500***于接合界面445的规定分割点，从而，进行搅拌摩擦焊接。

若按所述方法进行搅拌摩擦焊接，则稍微凹陷的凹陷部绕开接合界面445形成，从而，无需填埋凹陷部的其他装置及工具，也能获取最佳效果。

本发明并不限定于所述实施例及附图，对本发明所属领域的技术人员来说在本发明的技术思想范围内进行多样的变形是明确的。

产业上的利用可能性

本发明可适用于由多种材料构成的驱动轴，此外，还可以应用于相互粘贴结合圆筒形构件及旋转的管状构件的技术。

Claims (3)

1.一种驱动轴，其特征在于，包括：

圆筒形金属管，具有管外面；

复合材料层，粘贴于所述金属管的内面；和

金属轭，一部分***于所述金属管的两端后，接合面通过搅拌摩擦焊接结合，所述金属轭具有轭外面；

其中，所述管外面与所述轭外面共面；

其中，所述金属管与所述金属轭的接合面对垂直于金属管的轴方向的垂直面倾斜形成，

其中，向所述金属管和所述金属轭施加压力以使得所述金属管和所述金属轭彼此持续紧密接触；以及

其中，摩擦工具的顶端被***分割点并且完全位于在倾斜面部段外部的所述接合面的第一端点和第二端点之间，以便于所述搅拌摩擦焊接，并且形成的缺陷点绕开所述接合面的端点。

2.根据权利要求1所述的驱动轴，其特征在于，所述接合面相对于所述垂直面的倾斜角介于15°至90°之间。

3.根据权利要求1所述的驱动轴，其特征在于，所述摩擦工具在对所述接合面的垂直二等分点处使用。