CN1984746A - 用于磨擦焊接部件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及摩擦焊接部件(3，5)的方法，其中，在加热阶段并在由挤压力致动器(8a)产生的相互轴向挤压力(F)下，两个部件(3，5)在待焊接的位置处相对于彼此旋转，此时部件(3)静止，受驱动部件(5)旋转。此外，在部件(3，5)已经受到充分的摩擦加热之后，旋转减慢，并且相对于彼此静止的部件被用比加热阶段大得多的挤压力挤压在一起。旋转的部件(5)由设置有控制器(19)的电动机(7)驱动，电动机(7)的转速(n)、扭矩(RF)、挤压力(F)和进给深度(S)由控制器测量。根据两个部件之间的轴向初始挤压力(F)，转速由控制器设定到使两个部件的接触表面熔化的初始转速，并维持直到由于两个部件的接触表面熔化而导致扭矩降低，当扭矩降低时，转速降低并且减小到零。一旦转速为零，挤压力增加到最大，使得确保在两个部件的接触表面处获得牢固的焊接。

Description

用于摩擦焊接部件的方法
技术领域
本发明涉及用于部件的摩擦焊接的方法，其中在加热阶段并且在由挤压力致动器产生的相互轴向挤压力下，两个部件在将要焊接的位置处相对于彼此旋转，一个部件保持静止，受驱动部件旋转，其中进一步地，在对部件进行充分的摩擦加热之后，旋转减慢，彼此相对保持静止的部件以比在加热阶段大得多的挤压力挤压在一起，由旋转的部件由设置有控制器的电动机驱动，所述电动机的速度、扭矩、挤压力和进给深度由控制器测量。
背景技术
这样的方法在DE 199 02 357A1中描述。所述公开概括而言参照摩擦焊接机的控制描述上述方法，该控制考虑了在摩擦阶段的摩擦扭矩或者摩擦功率。此外，在该公开的描述中概括地提及该控制包括多个部件。在一方面，这些部件是扭矩/功率记录仪、扭矩计算机或者功率计算机、摩擦扭矩调节器、进给调节器或者压力调节器和进给传感器或者压力传感器。调节***作用于进给控制。对于任何值或者任何依赖的因素，在描述中仅仅提及摩擦扭矩和/或摩擦功率的给定值可以是恒定的。然而，其可以可选地表示为相对于摩擦时间、摩擦行程或摩擦角或者进给行程或者任何其它适合参数的任何所需的函数。因而，进给驱动由用于设定所需摩擦扭矩和/或者摩擦功率的调节***来控制。这信息仅仅包含为了控制的目的，关于摩擦焊接操作可以根据一定方式以某个部件或者参数为基础的教导，而没有表示各传感器的什么样的具体发现或者测量结果能够用作关键值。
以此为基础，DE 299 22 424U1公开了一种方法，根据该方法，在实际摩擦过程中，旋转部件的速度恒定地变化使得摩擦系数由此而增大，这允许通过应用其值而获得最佳的能量利用，根据材料组合和摩擦焊接应用，在摩擦过程中可以减小或者增加速度。
发明内容
这是本发明的开始，本发明公开了具有所需的各个处理值的方法，该处理值具体地确定安全且可靠的摩擦焊接方法的顺序。这些方法特征在于：根据两个部件之间的轴向初始挤压力(F)，速度(n)由控制器调节到使两个部件的接触表面部分熔化的初始速度(n)，并且维持该速度直到由于两个部件的接触表面的熔化而发生扭矩的降低，当扭矩下降时，速度降低，并且减小到零，其中，在速度减小结束时，挤压力(F)增加到最大，使得在两个部件的接触表面处获得牢固的焊接连接。
利用这些工序，控制器首先设定存储在控制器中的初始速度，所述初始速度取决于两个部件的轴向初始挤压力。所述初始速度和轴向初始挤压力接着在用于摩擦焊接操作的两个部件之间引起所需的摩擦，直到接触面开始熔化，这导致扭矩的显著下降，对于通过控制器确定速度下降并且降低到零，扭矩降低的测量因此作为用于降低速度的信号。当速度降低(不能够急剧地进行)导致速度接近并达到零时，就在速度为零之前或者为零时，轴向挤压力增加到限定的最大值，结果所述增加的压力接着在两个部件的接触面上变得有效，由此产生最终牢固的焊接连接。
本发明进一步涉及实现上述方法的装置。所述装置有利地是这样的设计：电动机的轴线轴向地过渡到受驱动部件的旋转轴线。电动机的轴线和受驱动部件的旋转轴线之间的直接连接导致没有不需要的质量惯性力并且允许无论怎样也没有滑动的连接。优选地，所述从电动机的轴线到受驱动部件的旋转轴线之间的所述过渡是这样的设计，其使得电动机和受驱动部件轴向刚性互连。
取决于所使用的电动机的类型，还有利地在电动机和受驱动部件之间连接防滑齿轮单元，所述齿轮单元考虑所使用的电动机的特定速度。
为了获得焊接两个部件所需的受驱动部件的驱动的轴向进给，电动机有利地使线性进给设备具有挤压力致动器。电动机可以设置有表示受驱动部件压靠静止部件所用挤压力的挤压力传感器。
为了能够检验受驱动部件和静止部件之间的互相渗透，进给设备有利地设置有行程传感器。这在静止部件是薄金属板的情况下尤其重要。
为了允许电动机的控制器使其进给设备变得适当地有效，电动机、行程传感器和挤压力传感器连接到含有控制器的控制回路，所述传感器将表示扭矩、速度、行程和挤压力的测量数据供应至控制器，其中电动机和进给设备基于所述测量数据的测量结果而调整，扭矩和速度基于供应到电动机的电流的测量结果来直接确定。
根据本发明的方法和装置可以有利地用于将螺栓焊接到板型部件，螺栓形成受驱动部件，板型部件形成静止部件。在这种情况下，装置设置有诸如卡盘之类的用于螺栓的接收装置和用于板型部件的邻接部，其中，所述邻接部可以特别设置有平的表面。
该装置有利地是这样的设计，使得板型部件通过限制器压靠邻接部，并且由此板型部件被夹住，因而将板型部件置于其被限制器保持的限定位置。而且，该装置有利地设置有用于进给螺栓的进给装置，使得该装置尤其在连续生产中能够方便地使用。
对于本装置的设计，有利的是由C形臂形成，一方面C形臂形成所述邻接部，另一方面C形臂连接到进给设备。
为了获得本装置的有利设计，可以提供挤压力致动器，所述挤压力致动器是肘节连接的形式，其关节杆在电动机驱动的旋转中通过螺纹调节杆彼此相对或者分开移动。肘节连接可以产生很精确的受驱动部件的位移和很大的挤压力。
附图说明
在附图中提供了本发明的示例性实施例，其中：
图1参考螺栓在板上的摩擦焊接示出实现根据本发明的方法的装置；
图2示出根据图1的装置的局部剖视图；
图3示出表示与各个工序相关的根据本发明的方法的关键参数的曲线图；
图4示出摩擦焊接连接的连续的阶段；
图5示出螺栓和板的摩擦焊接连接；
图6示出螺栓和带有涂层的板的摩擦焊接连接；
图7示出使用肘节连接的挤压力致动器的设计。
具体实施方式
图1所示的装置是用于将螺栓5摩擦焊接到板3上的设计，这仅仅是这种装置的示例性实施例，因为根据本发明的方法还能够使用其它装置实现，该其它装置可根据待焊接在一起的部件而需要合适的不同设计。然而，大体上，总是具有基本上类似或相同的基本构件。
该装置包括C形臂1，该臂1的一端设置有与板3接触的邻接部2，由卡盘4夹持的螺栓将被焊接到板3上。臂C的另一端结合到进给设备6，该进给设备6携带有电动机7，并且包含挤压力致动器8a。因而，进给设备6相对于邻接部2静止，这是因为如所述进给设备6和邻接部通过臂1刚性互连。进给设备6含有进给驱动8，进给驱动8延伸通过压杆9到滑动部10，并且使所述滑动部10根据进给驱动8线性地向压杆9移动。在所述移动过程中，滑动部10线性地携带所附装的电动机7，这导致卡盘4和由卡盘4夹持的螺栓相应的线性移动。为了表示电动机7和螺栓5相对于进给设备6的各个纵向位移，行程传感器11附装至滑动部10，其中，基于滑动部10相对于进给设备6的线性位移，所述行程传感器11移位，由此将所述位移的长度表示为进给深度。对于电动机7以及因此卡盘4的位移，进给驱动8设置有挤压力致动器8a，该致动器8a一方面使得产生关于精确调节长度的前述位移并且因此产生所需的挤压力。挤压力致动器8a的作用将参照图2更充分地论述。
卡盘4由限制器12包围，基于电动机7和卡盘4以及其中夹持的螺栓5的向下移动，限制器12向板3移动，最终在所述移动结束时，下降到板3上，结果板3稳定地锁止在相对于电动机7和卡盘4以及其中夹持的螺栓5的适当位置处。利用在该位置(由虚线表示)的限制器12，该装置接着准备用于摩擦焊接方法。
电动机7的旋转轴线13(由虚线表示)与卡盘4的轴线14(由虚线表示)对齐，因而过渡到螺栓5的旋转轴线。在图1所示的装置中，电动机7的旋转轴线13刚性地连接到卡盘4。然而，还应该指出尤其在使用高速电动机的情况下，可以将防滑齿轮单元置于电动机7的旋转轴线13和卡盘4之间。
为了允许卡盘4自动装载待处理的螺栓5，设置进料器15，该进料器容纳大量的待处理的螺栓，所述螺栓然后从进料器15经由柔性进料通道16引入到卡盘4。
电动机7进一步设置有力传感器17和扭矩传感器18，其工作模式将结合参照图2的描述将进行更充分的论述。电动机7、挤压力传感器17、扭矩传感器18、行程传感器11、进给驱动8、挤压力致动器8a和进料器15借助于导线55、56、57、58、59、60和61连接到控制器19。其工作模式同样将参照图2进行更充分地论述。
图2更详细地表示电动机7和其所连接的设计部件。电动机7包含定子线圈20和转子21。转子2位于轴22上，轴22延伸到卡盘4中。螺栓5由卡盘4接合。卡盘4由限制器12包围，限制器12由弹簧23和24向前作用，并且压靠板(在图2中未示出)(见图1，板3)。在图2中，限制器12在引导位置，限制器12离开该位置下降到板(见图1)时，限制器12被迫回到使板压靠邻接部2的位置，螺栓5的前端与限制器12的边缘38对齐，弹簧23和24相应地被压缩，并且抵着邻接部2夹住部件3。
电动机7的轴22径向地保持在球轴承25上。此外，电动机7由推力轴承26在轴向方向上支撑，另一方面，推力轴承26与壳体28的挡圈27接触，并且压靠轴22的凸缘29。扭矩传感器30和挤压力传感器31布置在轴22的远离卡盘43的一端，扭矩传感器30和挤压力传感器31以公知的方式供应所测的值(扭矩、挤压力)并且如图1所示将所述值传递到控制器19。
壳体28与挤压力传感器31相邻，并且由盖子32关闭。凸缘33也安装在轴22上，凸缘33与速度传感器34的齿(未示出)接合，所述速度传感器34表示电动机7的速度的信号。
在图1中进一步所示，滑动部10附装于电动机7的壳体28的侧面，进给设备6使滑动部10在电动机7的轴线方向上线性移动。为了允许这样的可动性，滑动部10保持在纵向辊子35上。其位移由行程传感器11测量，并且通过操作进给驱动8进行移位，所述进给驱动8经由压杆9作用在滑动部10上。借助于螺钉36，进给设备6在C形臂1的各端处附装于进给驱动8。
图3是示出由包含在装置中的传感器所测的各个测量值的图。其中，实线表示速度n；虚线表示轴向挤压力F，利用该挤压力F，螺栓5压靠在板3上；点划线表示由电动机7供应的扭矩RF；十字划线(cross dash)表示螺栓5的移动。从图上明显可见，首先电动机以速度n加速直到线37，在线37处电动机进入最大速度范围。同时，随着电动机以速度n加速，电动机7的包围电动机7的部分下降到板3上。同时，扭矩RF升高，因为在线37的时刻，螺栓5已经到达板3，开始通过螺栓5和板3的摩擦接触进行摩擦焊接的过程。首先，速度n保持基本相同。在摩擦期间，扭矩RF和挤压力F基本保持其达到的值，直到由于螺栓5和板3的部分熔化而导致所述两个部件之间的摩擦急剧下降并且因而扭矩RF急剧下降(见图3中的线39)，这被控制器检测到并且用来降低速度，但是挤压力F和降低的扭矩RF实际保持不变。在这过程中，螺栓5穿过板3例如十分之几毫米，在螺栓5和板3之间形成所需的熔化，然后在时刻40，该熔化降低了两个部件之间的摩擦。从时刻40之后扭矩RF的下降明显可见，该下降由扭矩传感器17报告到控制器19。因此，控制器19以由控制器19确定的时间延迟增加挤压力F，这在时刻40和时刻41之间的期间发生。随着挤压力F的增加，扭矩RF再次上升直到时刻52，在时刻52速度n被过度降低，结果从时刻52开始，挤压力F被控制器降低，并且最终回到值0。同时，通过降低速度n和降低挤压力F，扭矩RF也降低，当速度也到达值0时扭矩RF同样达到值0。在时刻53，部分熔化的螺栓被牢固地彼此焊接。
图4a-e表示摩擦焊接连接产生的连续过程。图4a示出图1的装置的前端在初始位置处，在该位置中，卡盘4以及其中被夹住的螺栓5在离板3的某一距离处，带有螺栓5的卡盘4由限制器12包围。限制器12示出在引导位置(见图1)，限制器12离开该位置下降到板3上时，其被迫回到图4c所示的位置。卡盘4附加地包含推力螺杆(thrust bolt)42，推力螺杆作为卡盘4的一部分(在图1和图2中未示出)，将上述处理的压力施加在待焊接的螺栓5上。
在图4b示出的位置中，图4a的限制器12已经降到板3上并且使板3压靠邻接部2。
在根据图4b的操作阶段之后，如在图4c中所示，现在卡盘4使螺栓5进一步向板3移动，直到在将用于摩擦焊接操作的区域处，螺栓5接触板3，因此，摩擦焊接操作能够开始，限制器12受力进一步回靠图2中所示的弹簧23、24，因而相对于邻接部2将尤其大的夹持力施加在板3上。
在图4c中所示的阶段之后，接下来通过电动机7的起动和随之发生的螺栓5以初始速度的旋转来进行摩擦焊接操作(在图3中以图表示)，这使得螺栓5和板3的各个接触面摩擦(参照图3描述)并部分熔化，螺栓5穿入过到板3中较短的距离，在操作结束时，如在图4d中所示螺栓5最终牢固地焊接到板3。
在完成图4d所示的操作阶段时，如在图4e中所示，卡盘4和限制器12现在能够从板移开。螺栓5被卡盘4释放，并且牢固地焊接在板3上。
图5示出根据图4d的操作阶段的装置，并且表示已完成的螺栓5和板3的牢固摩擦焊接连接。螺栓5在此处由带有邻接六边形43的杆和焊接环44组成，焊接环44在轴向上远离所述六边形43凸起。所述三个构成部件是整体单件设计。焊接环44是相对于整个螺栓5轴向设置的短凸起，所述凸起的前表面下降到板3上以进行摩擦焊接操作，所述前表面和板3的朝向所述前表面的表面形成用于摩擦焊接操作的两个接触面。螺栓5和板3这样的设计结合使用此前描述的根据本发明的方法产生特别薄的焊接区45，使得根据本发明的摩擦焊接方法还可以用于特别薄的板。这样的板主要用在汽车工业的车体结构中。
图6示出如在图5中所示的螺栓和板3的已完成的摩擦焊接连接，其中所述板3在摩擦焊接操作之前，在两侧的每一侧上设置有相应的薄的涂层46和47。这种薄的涂层同样用在汽车车身结构中，因为经常涂漆金属车身板形成车身壳体的基部。如在图6中所示，在摩擦焊接操作中涂层46已经被穿过，在该处涂层46形成了受热的和收缩的部分48、49和50，所述部分与摩擦焊接区45相邻。摩擦焊接区45从环44直接过渡到板3的内部材料，这导致特别牢固、无孔的摩擦焊接连接，这附加地具有特别的优点：由于所述摩擦焊接连接集中在摩擦焊接区域45的相对薄的区域，实际上板3没有热量通过，因而也不会对板3背侧上的涂层47有损害。
图7表示用于实现根据本发明方法的装置，所述装置采用特殊类型的挤压力致动器。在这种连接中，首先参照上述现有技术(DE 199 02 357A1)，其中液压缸具体地提及为挤压力致动器，其中还指出挤压力致动器还可以具有任何其它适合的设计。在根据图7的装置中采用的挤压力致动器是具有两个关节杆70和71的肘节连接。所述两个关节杆在接合点72处连接，接合点72由螺纹调节杆73接合。螺纹调节杆73由饲服电机74致动。接合点75背离接合点72，并且具有到进给设备6的上端部76的关节连接。所述上端部76是静止的，这导致关节杆70能够支撑其自身来抵靠上端部76。关节杆71的接合点77具有到滑动部10的关节连接，结果是由关节杆71施加在滑动部10上的压力或者张力使滑动部10如箭头所示移动。
所述肘节连接的工作模式如下：随着螺纹调节杆73旋转，因而向进给设备6移动时，两个接合点75和77彼此分开移动，其中，因为上端部76的静止位置，接合点77不可避免地向下(即，向部件3)移动，取决于两个关节杆70和71形成的角度，或多或少的大的压力能够施加在滑动部10上。为了允许关节杆70绕接合点75做必要的圆周运动，所述接合点75形成为用于旋转运动的中心(mid-point)，螺纹调节杆73设置有相应的动作旋转接头78。
基本上以与参照图1所述的相同的方式，仅用连接到饲服电机74的两个导线59和60来控制本装置。
对于具有两个关节杆70和71的肘节连接，可以获得滑动部10的很精确的位移，还可以同时将很大的力施加在滑动部10上，结果是肘节连接对装置的用于卡盘4和螺栓5的进给移动的那些部件提供特别有利的设计。
实验已经显示此前描述的根据本发明的方法能够使用下面的处理值实现：
初始速度n＝10,000rpm；
扭矩RF＝20-40N/m；
挤压力F＝3-10KN；
在部件的摩擦接触过程中，受驱动部件的行程s＝0.4-0.8mm；
部件的摩擦接触的时间跨度t＝0.5-5秒(sec)。
上述处理值用作示例。这些值可以依部件的材料和接触面的大小而改变。无论如何，这是特别短时间的摩擦焊接方法，所述方法的特征在于以下事实：其仅仅需要受驱动部件的略微缩短和用于部件的很小的穿过深度。

Claims (14)

1.一种用于摩擦焊接部件(3，5)的方法，其中，在加热阶段并在由挤压力致动器(8a)产生的相互轴向挤压力(F)下，所述两个部件(3，4)在待焊接的位置处相对于彼此旋转，一个部件(3)静止，受驱动部件(5)旋转，其中而且，在对所述部件(3，5)进行充分的摩擦加热之后，所述旋转减慢，并且相对于彼此静止的所述部件(3，5)被用比所述加热阶段大得多的挤压力挤压在一起，所述旋转的部件(5)由电动机(7)驱动，所述电动机(7)设置有控制器(19)，所述电动机(7)的速度(n)、扭矩(RF)、挤压力(F)和进给深度(s)由所述控制器(19)测量，所述方法的特征在于：依靠所述两个部件(3，5)之间的轴向初始挤压力(F)，所述速度(n)由所述控制器(19)调节到使所述两个部件(3，5)的接触表面部分熔化的初始速度(n)，并且维持直到由于所述两个部件(3，5)的所述接触表面的熔化而导致扭矩降低，基于所述扭矩降低，所述速度降低并且减小到零，其中，在速度减小结束时，所述挤压力(F)增加到最大，使得在所述两个部件(3，5)的所述接触面处获得牢固的焊接连接(45)。
2.一种实现根据权利要求1所述方法的装置，其特征在于：所述电动机(7)的轴线(22)轴向过渡到所述受驱动部件(5)的旋转轴线。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述电动机(7)和所述受驱动部件(5)轴向刚性互连。
4.一种实现根据权利要求1所述方法的装置，其特征在于：在所述电动机(7)和所述受驱动部件(5)之间连接防滑齿轮单元。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的装置，其特征在于：线性进给设备(6)包括所述电动机(7)，所述进给设备(6)具有所述挤压力致动器(8a)。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述电动机(7)设置有挤压力传感器(17)。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的装置，其特征在于：所述电动机(7)和所述进给设备(6)的所述连接设置有行程传感器(11)。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述电动机(7)、所述行程传感器(11)、所述扭矩传感器(18)和所述挤压力传感器(17)连接到包含所述控制器(19)的控制回路，并且它们测量的表示所述扭矩(RF)、速度(n)、行程(s)和挤压力(F)的数据供应至所述控制器(19)，其中，基于所述测量数据的测量结果来调节所述电动机(7)和所述进给设备(6)。
9.根据权利要求2至8中任一项所述的装置，其特征在于包括用于所述螺栓(5)的接收装置(4)和用于板型部件(3)的邻接部(2)，所述螺栓(5)形成所述受驱动部件，所述板型部件(3)用于作为所述静止部件。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：所述邻接部(2)具有平的表面。
11.根据权利要求9或10所述的装置，其特征在于包括限制器(12)，所述限制器(12)使所述板型部件(3)压靠所述邻接部(2)。
12.根据权利要求2至11中任一项所述的装置，其特征在于：进给装置(15)设置用于进给所述螺栓(5)。
13.根据权利要求2至12中任一项所述的装置，其特征在于：所述邻接部(2)通过C形臂(1)连接到所述进给设备(6)。
14.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述挤压力致动器是肘节连接的形式，在电动机驱动旋转过程中，所述肘节连接的关节杆(70、71)通过螺纹调节杆(73)彼此相对或者分开移动。
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