用於摩擦焊接的構件的製作方法
2023-06-24 08:34:31
專利名稱：用於摩擦焊接的構件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於摩擦焊接的構件，該構件適用於鋁合金有軌機動車及房屋等場合所用鑲板。
日本公開專利說明書246863/1990公開了一種採用中空構件的有軌機動車用雙表面結構板(鑲板)，而日本公開專利說明書106661/1994則公開了一種採用蜂窩型鑲板一類層狀鑲板的方案。
摩擦焊接是通過旋轉某一插入接頭區域中的圓杆而實現的，圓杆的旋轉可以加熱接頭區域並使之塑化，從而達到焊接的目的。這種焊接方法適用於對接接頭及搭接接頭。該工藝在WO 93/10935(同於WO 0615480B1，也同於外國PCT專利申請指定日本而公開的專利文獻No.505090/1995號)和期刊(Welding Metal Fabrication，January1995，pp.13-16)中已有介紹。本發明將解決的問題在摩擦焊接中，直接從焊接工具(圓杆)之下擠出的塑化金屬會在焊接過程中衝擊焊接表面，因而有一下驅力作用在接頭區域上。這樣，在將該焊接方法運用於雙表面結構板(鑲板)時，該下驅力將使接頭區域的焊接材料向下流動並使接頭區域變形。如此便不可能獲得滿意的焊接質量。
雙表面結構板(鑲板)包含由擠壓鋁合金製成的中空構件以及蜂窩型鑲板。這類鑲板的連接可以由MIG焊接法及TIG焊接法實現。而用摩擦焊接進行這類連接則可能使接頭區域向下彎曲，或者使接頭區域內的材料因焊接過程中產生的下驅力而被迫向下流動。
本發明人通過大量試驗發現了上述問題。
本發明的的目的是，提供一種可以實現良好的摩擦焊接的構件。
為實現上述目的，按本發明的一個方面，提供了這樣一種用於摩擦焊接的構件，其特徵在於在該構件的端部處，該構件具有一個凸出部分，該凸出部分從所述構件的一個側表面沿其厚度方向突出。
按本發明的另一方面，還提供了這樣一種用於摩擦焊接的中空構件，所述中空構件具有一個第一板件、一個與所述第一板件基本平行地布置的第二板件、一個連接所述第一板件和第二板件的第三板件和一個設在所述第一板件端部的凸出部分；以及，所述凸起部分從所述第一板件的一側表面沿該第一板件的厚度方向突出。
按本發明，由於設有上述凸出部分，可以進行良好的摩擦焊接。
圖1是本發明某一實施例的垂直截面。
圖2是圖1在摩擦焊之後的垂直截面。
圖3是本發明另一實施例的垂直截面。
圖4是圖3在摩擦焊之後的垂直截面。
圖5是本發明又一實施例的垂直截面。
圖6是圖5的摩擦焊之後的垂直截面。
圖7是本發明再一實施例的垂直截面。
圖8是圖7在摩擦焊之後的垂直截面。
圖9是表示如本發明又一實施例所述摩擦焊過程的垂直截面。
圖10是本發明又一實施例的垂直截面。
圖11是本發明又一實施例的垂直截面。
圖12是本發明又一實施例的垂直截面。
圖13是本發明又一實施例的垂直截面。
圖14是本發明又一實施例的垂直截面。
圖15是有軌機動車的車身透視圖。
在圖1所示實施例中，作為鑲板的中空構件31，32之間具有對接式的接頭結構。中空構件31、32寬度方向的端部設有垂直板36，36。垂直板36，36在焊接之前被直接置於旋轉工具50的下方。垂直板36，36彼此面對面接觸。即便彼此分離，二者間的距離也很小並大約為1mm。凸部52的中心軸線位於二垂直板36，36之間界面的延伸面上。垂直板36，36的剛度足以承受前面提及的下驅力。垂直板36垂直於另外兩塊板件33，34。中空構件31，32由鋁合金擠壓成形。中空構件31的上表面和下表面與中空構件32上對應的上表面及下表面齊平。亦即中空構件31和32具有相等的厚度。下文所述的實施例也是如此。在摩擦焊接中，旋轉工具50大徑部分51與小徑凸部52之間的邊緣53位於中空構件31，32上表面的上方。標識符35表示用來連接兩塊板件33，34並以桁架結構形式設置的若干個構件。兩個中空構件31，32都具有兩邊對稱的端部。中空構件31，32被裝在某一底架(圖中未加表示)上並被固死。底架也位於垂直板36，36下方。
摩擦焊接的實施方式是使工具50旋轉，將凸部52插入中空構件31，32的接頭區域並使凸部52沿接頭區域移動。凸部52的轉動中心軸線位於兩個垂直板36，36之間。
圖2表示兩個經過摩擦焊接之後的鑲板。標識符45表示焊接後形成的焊道。焊道45的寬度中心位於垂直板36，36接合線的延長線上。焊道45位於垂直板36，36厚度範圍內的某一區域內。焊道45深度取決於旋轉工具50底端凸部52插入接頭區域中的高度。
在這種結構中，垂直於板件33，34的垂直板36，36支承著摩擦焊接過程中產生的垂向力，所以接頭區域不會發生彎曲，由此可獲得圖2所示的令人滿意的接頭。製做垂直板36時應使之儘可能地垂直於板33，34。
垂直板36上可以打孔，以減輕重量，下文所述實施例也是如此。
焊接中空構件底側時可將其上下翻轉。
在圖3所示實施例中，某一中空構件31的端部設有垂直板36，而另一中空構件32的對應端部卻沒有。在中空構件31的垂直板36上，其垂直方向上的角部被做出切口，由此可嵌接中空構件32上突出體38，38的端部。該切口部分沿中空構件31的厚度方向及厚度的垂直方向(朝向中空構件32一側)張開。當突出體38被放置(嵌套)於切口部分中時，二者之間留有一定的間隙，儘管在圖中看來是彼此相接觸的。這些構件的前端之間(即突出體38，38與角邊33a，34a之間)也留有間隙。兩個中空構件31，32及垂直板36上表面一側的對接接頭部分直接位於旋轉工具50中心軸線的下方。焊接工具50凸部52的旋轉中心軸線位於垂直板36厚度中心線的延長線中。也就是說，板件33(34)和板件34(33)的接頭區域位於垂直板36厚度中心線的延長線上。從板件33，34延伸至切口部分的角邊33b，34b位於垂直板36厚度中心線的延長線上。考慮到角邊33b，34b與突出體38之間的間隙，角邊33b，34b位置應稍稍偏向垂直板36厚度中心線延長線的左側。垂直板36的剛度應足以承受下驅力。突出體38前端與中空構件31之間的水平間隙同於圖1所示情形。焊接工具50凸部52的高度與突出體38的厚度大致相等。塑性流動區域在突出體38下側擴展，逐漸形成大於凸部25直徑的區域，由此完成兩個中空構件31，32的摩擦焊接。對於突出體38下側與垂直板36間的接觸區域來說，其下側也必須分布著按上述方式形成的摩擦焊縫。
圖4表示焊接後的接頭狀況。焊道45的成形特點在於其寬度中心位於垂直板36，36厚度中心線的延長線上。
為了能承受垂向力，必須使工具50的旋轉中心軸線位於垂直板36，36厚度中心線的延長線上。為使左右中空構件31，32的接合量相同，角邊33b，34b也必須位於垂直板36，36厚度中心線的延長線上。作為優選方案，工具50的凸部52位於垂直板36厚度延長線的範圍內，而垂直板36的厚度又取決於垂向力的大小、凸部52的位置以及垂直板36的強度。因此，垂直板36厚度小於凸部52直徑的情況是存在的。鑑於旋轉工具50及角邊33b，34b可能存在的位置誤差，應使角邊33b，34b定位於垂直板36厚度延長線的範圍內，而且凸部52也應至少有一部分位於該範圍內。這種設置可使垂直板36至少承擔一部分垂向力，從而基本實現對接頭變形的結構性預防。如此便可獲得滿意的焊接效果。就焊道45來說，即使其尺寸略大於凸部52，上述結論仍然是有效的。對於其它實施例來說也同樣如此。
與圖1所示的情形相比，這種接頭結構即使在突出體38與中空構件31之間間隙較大時，也能夠使接頭區域的表面凹陷減至最低程度。這一特點可以使該接頭獲得較好的外觀質量，並可減少噴漆時的膩子用量。其原因在於，兩個構件之間的間隙終止於與突出體38厚度相等的深度位置上。還需要指出這種接頭結構可以減輕重量。此外，由於兩個中空構件彼此嵌接，所以二者在高度方向上的定位也易於實現。
中空構件31的端部具有兩邊對稱的形狀。中空構件32也是兩邊對稱的。另外，中空構件31的一端可以是圖3所示形狀，而其另一端則可做成圖3所示中空構件32端部的形狀。
在圖5所示實施例中，中空構件31上切口部分的角邊33b，34b下側實際上並沒有直接設置垂直板36。垂直板36的右端位於角邊33b，34b的延伸部分上。工具50的旋轉中心軸線對準該延伸部分。中空構件31的端部應具有足以承受垂向力的剛度，為此，可以增厚接頭處的下側突出體37並增大從突出體37的前端部至垂直板36的過渡圓角尺寸。象以上圖3所示的實施例一樣，另一中空構件32的突出體38可嵌入突出體37的切口部分中。第二個中空構件32的突出體38附近設有用來連接上側板件33和下側板件34的垂直板36。對於這種設置來說，即使切口部分的角邊正下方沒有垂直板36，接頭區域中也不會出現缺陷。不過需要指出，焊道45下側設有板件31的垂直板36。圖6表示了焊接之後的狀況。
在圖5所示實施例中，中空構件32的板件36是可以去除的。
圖7表示作為圖5所示實施例之改型的另一個實施例，其中，兩個中空構件31，32的接頭區域設有向外伸出的凸出部分37a，38a。這可以使接頭區域增厚。兩個凸出部分37a，38a的高度是相等的。除垂直板36和凸部37稍薄以外，該結構的其它部分同於圖5所示結構。
對這種結構來說，如果兩個凸出部分37a，38a之間在焊接前存在間隙，那麼在焊接時就需要用凸出部分37a，38a的材料填充該間隙，由此可改進外觀質量並降低膩子用量。
在普通焊縫中，下驅力使材料41向下流動，焊道中的凹陷部分便對應著材料41流失所形成的空隙。在圖7所示接頭結構中，旋轉工具使突出部分37a，38a塑化並迫使其彌補材料41的流失空隙。這樣便避免了形成凹陷，從而獲得滿意的焊接頭。圖8表示焊接後的焊道45形狀。焊接之後如果存在多餘部分，可如圖所示將其切除。
設置凸出部分37a，38a的做法也適用於圖1，3，5及下文所述的各實施例。
圖9表示另一實施例，該實施例只允許從一側對在上下表面進行焊接。中空構件31，32底側的端部設有突出體34a，34a，該突出體與下側板件34，34齊平並顯著地伸向對面的中空構件一側。兩個突出體34a，34a的前端彼此大致相接觸。上側板件33，33的前端比下側板件34，34的前端靠後一些。上側板件33，33的前端通過垂直板36，36與下側板件34，34相接。垂直板36，36接在下側板件34的中部。垂直板36，36的頂部設有可容納某一連接件60的切口部分39，39。當連接件60被裝在切口部分39，39上時，其上表面可與上側板件33，33的上表面齊平。兩個垂直板36，36間的距離應儘可能小，但也應足以保證旋轉工具50的插入。垂直板36，36與切口部分39間的關係同於對圖5和圖7所示實施例的描述。
以下介紹焊接過程。在圖9(A)所示狀態下，用旋轉工具50焊接下側板件的前端。此時，包含板件34，34之接頭區域在內的中空構件31，32被裝在底架上。底架的上表面(即焊道背後)為平面。旋轉工具50之凸部52的高度小於板件34，34的厚度。這種設計可保證底面在焊接後仍然平整。因此，底面一側無疑可以作為有軌機動車或房屋結構的外表面(該外表面是指未裝裝飾板的表面)。通常，摩擦焊接區的上表面(在邊緣部分51)是不易於平整的。
此後，如圖9(B)所示，將連接件60裝在兩個中空構件31，32之間，連接件60具有T形垂直截面。當連接件60的兩端被裝在切口部分39，39上時，垂直部分61的底端與下側板件上的焊道之間將形成一定的間隙。垂直部分61可被省去。
接著，如圖9(C)所示，用旋轉工具50對連接件60與中空構件31之間的接頭部分進行摩擦焊接。旋轉工具50無需與圖9(A)中所用的工具相同。
然後，如圖9(D)所示，用旋轉工具50對連接件60與中空構件32之間的接頭部分進行摩擦焊接。
上述方法允許從一側進行焊接，因而除去了翻轉操作。除去翻轉操作的優點在於省去了翻轉及定位操作所需的工時，並省去了翻轉裝置，而且裝配精度也進而得以改善。
圖10表示另一實施例，其中採用了對中空構件51，52的上下兩側同時進行摩擦焊接的方法。用於下側的旋轉工具50a在上側所用焊接工具50的垂直下方布置。第二個焊接工具50a的凸部52朝向上方。兩個彼此相向的焊接工具50，50a在進行摩擦焊接時以相同的速度運動。標識符70，70表示底架(臺面)。工具50和50a的旋轉中心軸線位於同一條直線上，中空構件31，32的接頭區域也在該直線上。
採用這種布置可以使第二工具50a的旋轉中心軸線定位於第一工具50旋轉中心軸線的延長線上，二者間的力學平衡有助於在較短的時間內比較小的變形完成接頭的焊接。此外，由於無需翻轉中空構件31，32，焊接過程將在短時間內完成，而且接頭的變形也比較小。
該實施例也適用於其它實施例。
上述各實施例以中空構件為待焊接的鑲板。下文的實施例將介紹適用於蜂窩型鑲板的摩擦焊接方法。如圖11所示，蜂窩型鑲板80a，80b包括以下部分兩塊表面板件81，82；具有蜂窩狀內腔的芯骨構件83；以及沿表面板件81，82邊緣布置的邊緣構件84，其中，芯骨構件83和邊緣構件84被纖焊在表面板件81，82上，從而形成一個整體結構。表面板件81，82，芯骨構件83及邊緣構件84均由鋁合金製成。邊緣構件84為擠壓成形件並具有矩形截面。該矩形截面上每一條邊的厚度都大於表面板件81，82的厚度。類似於圖1所示情形，對於相互接觸的兩個邊緣構件84，84來說，二者垂直邊的厚度是相等的。兩個蜂窩型鑲板80a，80b具有相等的厚度。
圖11所示實施例對應於圖1所示實施例。旋轉工具50凸部52的高度大於表面板件81，82的厚度。這樣便於對表面板件81，82和邊緣構件84，84進行焊接。加在鑲板80a，80b上的載荷主要通過邊緣構件84傳遞。對已完工的鑲板80a，80b可進行裝配及摩擦焊接。
圖12所示實施例對應於圖3所示實施例。蜂窩型鑲板80a的邊緣構件84具有大致為矩形的截面，且角邊處設有切口。而蜂窩型鑲板80b的邊緣構件84則象一個開口朝向蜂窩型鑲板80a的管道。邊緣構件84的開口端被接在蜂窩型鑲板80a之邊緣構件84的切口部分上。
對應於圖5的蜂窩型鑲板可按同樣方法製造。
圖13表示對應於圖7的又一個實施例。在裝配好兩個蜂窩型鑲板80a，80b之後，將板件86放在表面板件81，81上並臨時性地將其焊在表面板件81，81上。板件86可對塑化並流出的材料加以補償。圖12所示蜂窩型鑲板80a之邊緣構件的垂直部分被去掉了，垂向力被邊緣構件84的水平部分及其周圍其它部分承受。
圖14表示本發明的另一個實施例。在圖13及其之前的各實施例中，鑲板具有兩個表面(表面板件)，而圖14所示實施例中的鑲板91，92實際上只有一個表面(表面板件94，94)。摩擦焊接在鑲板91，92毗連端的兩個位置上進行，即具有表面板件94的外側以及沒有表面板件的內側。因此，內側的接頭部分設有較窄的表面板件(表面板件93，93)。較窄的表面板件93，93由垂直板96，96支承。在該例中，垂直板96也大體垂直於表面板件93，94。與圖7所示情形類似，表面板件93，94上也設有凸出部分37a，38a。表面板件94，94具有若干個以一定間距分布的加強肋(板件)95，95。這些加強肋95的截面為T形。加強肋95的頂面與接頭部分的表面板件93的頂面齊平。可在頂面焊上加固構件(如支柱)，也可將頂面作為物體的安裝座。此外，頂面93，93也可以充當控制焊接工具50高度的基準座。工具50的移動載體可以沿著表面板件93，93運動。由於表面板件93和94的存在，可以說鑲板91，92也是一個雙表面結構。鑲板91，92是擠壓成形構件。
圖14表示了彼此相對的兩個鑲板91及92在其接頭部分處的垂直板96，96，其結構類似於圖1，不過對此也可以採取圖3，5及7所示的方式，亦即將垂直板彼此裝配起來。
圖15表示該實施例在有軌機動車車身結構上的應用實例。該車身結構具有側部車身101，車頂結構102，底板結構103以及外於縱向端部的角形結構104。側部車身101和車頂結構102使用了長邊指向車輛縱向的鑲板31，32，80a，80b，91，92。側部車身101與車頂結構102之間以及側部車身101與底板結構103之間的接合由MIG焊接法實現。車頂結構102及側部車身101一般做成弧形截面。當用鑲板91，92做側部車身101時，具有垂直板96和加強肋96的一側朝向車輛內側，而且支柱由加固構件構成。
圖9所示鑲板31和32可以以鏡像布置方式配合使用。將各鑲板之伸出板件34的端部置於另一鑲板上板件33的切口部分39處。這樣將無需使用連接件60，而且可以對上下兩側的接頭區域同時進行摩擦焊接。如圖7所示，鑲板33，34上可設置凸出部分。
權利要求
1.一種用於摩擦焊接的構件，其特徵在於在該構件的端部處，該構件具有一個凸出部分，該凸出部分從所述構件的一個側表面沿其厚度方向突出。
2.一種用於摩擦焊接的中空構件，其特徵在於所述中空構件具有一個第一板件、一個與所述第一板件基本平行地布置的第二板件、一個連接所述第一板件和第二板件的第三板件和一個設在所述第一板件端部的凸出部分；以及所述凸起部分從所述第一板件的一側表面沿該第一板件的厚度方向突出。
3.如權利要求2所述的用於摩擦焊接的中空構件，其特徵在於在所述第二板件的端部處、在所述中空構件的具有所述凸出部分的端部的一側，該中空構件具有一個第二凸出部分；以及，所述第二凸出部分從所述第二板件的一側表面沿所述第二板件的厚度方向突出。
全文摘要
本發明提出一種用於摩擦焊接的構件，其特徵在於在該構件的端部處，該構件具有一個凸出部分，該凸出部分從所述構件的一個側表面沿其厚度方向突出。按本發明，由於設有上述凸出部分，可以進行良好的摩擦焊接。
文檔編號B61D17/04GK1410221SQ0111180
公開日2003年4月16日 申請日期2001年3月16日 優先權日1996年3月19日
發明者青田欣也, 竹中剛, 石丸靖男 申請人:株式會社日立製作所