用於製造材料結合的連接的方法和空心型材連接件的製作方法

2023-05-27 09:09:46 1

專利名稱：用於製造材料結合的連接的方法和空心型材連接件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有權利要求1所述特徵的用於製造材料結合的連接的方法。此外，本發明還涉及一種具有權利要求21所述特徵的空心型材連接件。
背景技術：
為了連接由鋼和鋁材製成的各構件，常常使用非熱接合方法，例如鉚接或螺栓連接。在此，不同的構件通過鉚釘或者螺栓的形鎖合被相互連接。但是，由於其點狀的力傳遞， 這種連接的強度總是受到限制的。並且為了裝入鉚釘或者螺栓，原則上也需要去除材料，其帶來了在連接部位的區域中額外的削弱。鋼-鋁-混合構件的轉變具有大的重量減少潛力，並且改善尤其是在航空航天以及汽車技術領域中的產品性能。用於連接由不同的材料製成的混合構件的另一種可能性在於通過粘接連接。但是粘接連接常常不提供這樣製造的連接的所要求的生產精度或耐久性。力傳遞的大小通過粘接受到很大的限制。此外，之前所述的冷接合方法，例如鉚接工藝或粘接工藝常常不能帶來必需的穩定性。此外，由現有技術也已知熱接合方法，利用這種方法可以把鋼合金和鋁合金材料結合的相互連接。儘管這兩種合金種類的熔點差別很大，但是仍能夠實現材料結合的焊接。 這種焊接方法稱為釺焊方法。在此由鋁合金製成的構件被熔化並且與由鋼製成的構件進行材料結合的連接。由鋼製成的構件在這裡被塗層，使得焊縫金屬與塗層交聯。因此，在鋁構件的情況下，出現熔焊過程，在鋼構件的情況下，則出現釺焊過程。在現有技術中已知的釺焊連接的缺點是，這種連接僅僅具有受限制的強度。由DE102007060116A1已知鋼管-鋁-澆注連接，所述鋼管-鋁-澆注連接藉助於鋼管與鋁焊料填料的形鎖合的環繞焊接實現。在這裡首先是對鋼管的一側的部段進行擴徑並且由澆注材料製成的構件設置在鋼管的已擴徑的部段上，隨後這樣地焊接由澆注材料製成的構件，使得鋼管的已擴徑的部段至少部分地被形鎖合地包圍。藉此實現，鋼管的已擴徑的部段通過焊縫金屬從後面嵌接並且因此保證在鋼管的徑向上和在軸向上的牢固的連接。按照DE102007060116A1的連接的缺點是，為了保證熔體流到鋼管上，必須用熔劑進行加工。這樣的熔劑常常具有高的腐蝕性因而對這樣製造的連接的耐久性有不利影響。

發明內容
因此，本發明的目的是，提供一種用於連接鋼材料和鋁合金的方法，藉此實現一種具有高強度的和長耐久性的連接，所述連接能相對簡單且成本低廉地製造。上述目的將通過按照權利要求1所述的在由鋼製成的空心型材和由鋁材製成的構件之間製造材料結合的連接的方法來解決。此外，上述目的還通過按照權利要求1至20中任一項所述的方法製造的空心型材連接件來實現。
本發明的有利的其它結構形式是從屬權利要求的內容。用於在由鋼製成的空心型材和由鋁製成的構件之間製造材料結合的連接的按照本發明的方法具有下述方法特徵-提供空心型材和構件，-在待連接位置上將空心型材和構件相互對準，其中空心型材的一個端部放置在所述構件的突起部上，-通過保護氣體焊接過程使空心型材的所述端部與所述構件熱接合，其中焊炬在焊接位置PA相對於軸向方向成20° 40°的β角朝向待製造的接合縫設置，其中所述軸向方向與空心型材的縱軸線平行地定向。按照本發明，藉此所產生的主要優點是，在鋼製空心型材和鋁構件之間的材料結合的連接是足夠的，而不需要額外的塗層過程，尤其是鋼製空心型材的塗層過程。保護氣體焊接過程在這裡可以在連續的焊接過程中實現或在多個階段中實現。例如，也可以考慮以多個焊接層實現焊接。將焊炬按照本發明地設置在焊接位置PA中意味著在凹的焊接位置或焊接地點上進行對接焊縫和/或角焊縫的水平焊接。通過使焊炬相對於待連接的構件的縱軸線成20° 40°角朝向待製造的接合縫設置，因此產生特別有利的熱量輸入，從而按照本發明的混合連接無需對鋼管進行花費巨大的塗層處理地形成材料結合的連接，這在提高生產精度的同時也節省了大量的成本。另一個優點是，通常鋅塗層用於鋼製空心型材並且因此在生產車間也存在提高的勞動保護措施，其形式為抽吸裝置和防濺射裝置。這種耗費巨大且危害健康的措施也通過按本發明的連接方法而大幅下降。在另一個優選的實施方案中，保護氣體具有氬氣和氦氣的組分，尤其是組分為 70%的氬氣和30%的氦氣。這種保護氣體組分也特別對待製造的材料結合的連接有積極的影響，從而阻止熔化的鋁焊縫金屬燃燒和/或濺射，從而在此又保證特別有利的熱量輸入， 尤其是把熱量輸入到鋼製的空心型材中。結果是產生具有微少的氣態夾雜物並且生產特別安全的焊縫的接合區。在焊接過程中，焊炬構造成優選固定的，而待連接的構件相對於其運動，在此優選進行插入式焊接。正是從生產技術角度考慮，通過固定式的焊炬能夠特別生產安全地製造出高品質的接合縫。通過固定的焊炬和能相對於其設置的並且在焊接過程中相對運移動的焊接區，提高生產精度並且對待製造的焊接連接產生有利的影響。有利地，進行插入式焊接，即，焊炬跟隨著電弧，其中實現在接合區的插入。這也有利於焊炬將熱量導入待製造的接合區中。此外，已經證明有利的是，焊炬除了焊接位置PA以及沿焊炬的進給方向與縱軸線成20° 40°的β角，焊炬在徑向上以α角向外傾斜。該α角也涉及焊炬相對於縱軸線的角並且角範圍是20° 50°，但是與β角不同的是，所述α角在徑向上相對於待製造的焊縫傾斜。除了關於焊接方向成β角，焊炬還以α角垂直於焊接方向向外傾斜。因此，α角是在徑向方向上相對於待接合的構件定向，而β角在切線方向上定向。焊炬移動經過待製造的接合區的焊接速度或者說在按照本發明的範圍內接合區相對於焊炬移動的焊接速度在9mm/s和16mm/s之間的範圍內選擇。特別是在按照本發明的範圍內使用焊接填料，其中焊絲進給速度在7m/min和lOm/min之間的範圍內選擇。這尤其適用於Imm和1. 6mm之間的焊絲直徑，尤其是1. 2mm的焊絲直徑。在特別優選的實施方案中，為了熱接合，實施脈衝的惰性氣體保護金屬極電弧焊 (MIG)。此外，優選使用由鋁合金製成的焊接填料。在本方法的另外的有利的實施方案中，熱接合以及在構件和空心型材之間的材料結合的連接的與其相關的製造通過形鎖合的連接來補充。所述形鎖合的連接通過在構件和空心型材之間的添加焊縫金屬或焊接填料而生成。這樣製造的材料結合的連接因此在其強度上通過形鎖合而進一步提高。此外，有利的是，鋁構件構造成鑄件或者銑削件，並且構件在壓裝之前在用於空心型材的接納區域中被切削加工。因此可以實現，將待壓裝的空心型材精確地放置在鋁構件上。此外，加工公差也可以被限制到最低程度。鋁構件優選有一個接納芯棒，空心型材就被壓裝到該接納芯棒上。通過在接納芯棒和空心型材之間所產生的壓配合在兩個構件之間生成力鎖合的連接。該力鎖合的連接額外地補充材料結合的連接，並且在額外的形鎖合的的情況下，補充在兩個構件之間的組合的材料結合的連接和形鎖合的連接。因而混合構件連接的強度進一步提高。在另一個優選的實施方式中，接納芯棒在其自由端有倒角並且有一個長度，空心型材就是在該長度上被壓裝到接納芯棒上。角度應該在20°和60°之間的範圍內。該長度應當優選在8mm和60mm之間。通過該倒角，可以特別容易地把兩個構件接合在一起，方法是，在壓裝過程開始時通過倒角給空心型材定中心，並且因此在接納區域中可以容易地空心型材把壓到接納芯棒上。通過選擇接納芯棒的長度和形狀可以影響力鎖合的連接的強度，其中在接納芯棒的長度較大時，可以提供大的力鎖合的連接。與此相對，在接納芯棒的長度較小時，提供較小的力鎖合連接。倒角在此可以通過半徑或高腳杯形狀或鬱金香形狀構成。在按照本發明的優選的結構形式中，構件具有圍繞著接納芯棒延伸的槽形的凹部，用於接納空心型材的變型區域，該槽形的凹部具有一個在兩側具有一半徑的曲面的部分區域。優選半徑在Imm和18mm之間。通過所述槽形的凹部與空心型材的變型區域的組合可以使兩個構件通過焊接形鎖合和材料結合地接合。在此，相對於接納芯棒，槽形的凹部在外側用於接納焊縫金屬並且在內側用於接納空心型材的變型區域。在外側通過材料結合的連接與構件連接的焊縫金屬因此形成了空心型材的變型區域的背面嵌接 (Hinterschneidung)。由此產生形鎖合連接，其在靜態或動態的拉伸負載，彎曲負載和扭轉負載時導致特別高的強度。優選地，槽形的凹部在內側通過接納芯棒並且在外側通過接納凸起進行限制。該接納凸起在此應該具有優選在3mm和IOmm之間的高度。同樣地，該接納凸起在其指向接納芯棒的一側相對於接納芯棒的縱軸線成角度地延伸。該角度應當優選在20° 60°之間。 為了接納焊縫金屬和焊接填料，接納凸起的上述特性在熱接合時提供最優化的特性。優選地，在壓裝之前，空心型材在其一個待壓裝的端部上被變型和/或定徑。有利地，通過把待壓裝的端部擴徑成一個輪緣實施變形過程。在此，空心型材在連接區域中可以具有不同的橫截面，尤其是圓形的橫截面。同時，非圓形的，橢圓形的和角形的橫截面也是可行的。變形因而應當與相應的輪廓類型相匹配。根據所使用的輪廓類型，在構件上對空心型材進行定徑和定向，方法是空心型材的內部輪廓結合接納芯棒使空心型材和構件相互對齊。按照本發明，空心型材和構件可以構造成四角形的或多角形的。優選地，在空心型材的待壓裝的端部上的變形時，在空心型材的內側形成一個半徑，該半徑與槽形的凹部的內半徑相同。在空心型材和構件之間所實現的壓緊連接因此在端部區域沒有在空心型材和構件之間的縫隙。因此排除，環境空氣在熱接合期間進入熔體中，其會導致差的焊接結果。同樣地，也不會有來自周圍環境空氣的溼氣進入這樣製造的壓緊連接中，從而不會造成縫隙腐蝕。這兩個優點提高了這樣製造的連接的強度和耐久性。此外，把空心型材在接納芯棒上的鐓鍛也作為按照本發明的一種實施方案。通過鐓鍛，省去對空心型材進行機械的精加工。在另一個優選的實施方式中，在空心型材的變形的端部上在空心型材端的外側對空心型材去毛刺。在此有利的是，在熱接合過程中通過去毛刺端使在空心型材和構件之間所產生的縫隙減到最小。這同樣導致這樣製造的連接的強度和耐久性的改善。在一個有利的實施方式中，熱接合可以單層或多層地實施。通過多層地實施接合過程可以有針對性地提出連接的要求。優點由提高的強度和在焊接區的小的熱影響得出。 在多層焊接過程中，不必通過僅僅一個過程材料結合地連接許多的焊縫金屬，焊接填料可以施設在多個層中。此外，有利的是，在多層的實施方式的接合過程中，在施設不同的焊接層之間對焊縫進行機械、物理和/或化學清潔。這樣的清潔例如通過乾冰射流實現。與未被處理的焊縫相比，清潔過的焊縫導致改善的連接並且導致對於以後待施設的焊縫更好的焊接結果。本發明的主題也涉及一種按照上述方法製造的空心型材連接件。由鋼製成的空心型材與由鋁材製成的構件材料結合且力鎖合地連接。空心型材被壓裝在構件上並且額外地與該構件熱接合。根據當前的幾何形狀可以額外地通過形鎖合對所述連接進行補充。


本發明的其它優點、特徵，特性和觀點從下述說明得出，優選實施方式藉助於附圖示出。這些附圖僅僅用於簡單地理解本發明。附圖中圖1示出用按照本發明的方法製造的混合構件的橫截面圖；圖2示出按照本發明的混合構件的第二實施變型方式的橫截面圖；圖3示出用按照本發明的方法製造的具有兩個焊層的混合構件的詳圖；圖4示出相對於待製造的焊縫成一定角度的焊炬；圖5示出按照本發明的方法的焊炬和焊接位置PA，以及圖6示出按照本發明的方法的焊炬和焊接位置PA和插入式焊接運動。在這些圖中，對於相同或相似的構件使用同樣的附圖標記，為簡單起見取消了重複說明。
具體實施例方式圖1示出用按照本發明的方法製造的混合構件1的橫截面圖。混合構件1在此包括一個由鋼製成的空心型材2和一個由鋁製成的構件3。空心型材2在其接近於構件3的端部4設計成直線形的。該空心型材安裝在構件3的管對接形狀的(rohrstumpfKrmingen) 突起部5上。在本發明的範圍內，在管對接形狀的突起部5和空心型材2的端部4之間也可以形成壓合座6。在空心型材2的端部4和構件3之間製造材料結合的連接。材料結合的連接的特徵在於，其也通過接合縫7、焊接填料和在此沒有示出的焊炬在接合區8中制出。圖2示出用按照本發明方法製成的混合構件1的另一實施方式。同樣示出的是， 空心型材2和構件3在接合區8中材料結合地相互連接。作為對圖1的補充，空心型材2 在其端部4被擴徑。在此所示出的實施形式中轉變成一個輪緣9。接合縫7因此在構件3 和空心型材2之間的接合區8中形成材料結合的連接並且還形成形鎖合的連接，所述形鎖合的連接形成在軸向10上的更好的抗拉強度和抗壓強度。圖3示出按照本發明製造的材料結合的連接的詳圖。材料結合的連在構件3和空心型材2的端部4之間製成，其中空心型材2的端部4在這裡也被擴徑。空心型材在接合區8又通過接合縫7與構件3連接。但是，作為對圖1和圖2的補充，焊接在這裡以至少分兩個階段完成。第一焊接階段以第一層11和第二層12進行。由此產生地得出材料結合的連接的兩個區13，其中在此可能這兩個區13可以具有不同的強度特性或此處沒有示出的組織結構。圖4示出按照本發明的混合構件1在其製造方法過程中。示出空心型材2位於構件3的上面，並且在該構件中通過一個焊炬14製造接合縫7。焊炬相對於空心型材2的縱軸線15成20° 50°的α角設置。圖5示出按照本發明的混合構件1處在按照本發明的製造過程中。在這裡空心型材2又設置在構件3的上面。在接合區8中，為了製造接合縫7在焊接位置PA插入式地實施焊接操作。這意味著，焊炬14插入式地相對於待製造的接合縫7移動。焊炬14因此沿焊接方向SR移動，其中在焊炬14的後面相應地製成接合縫7。圖6示出按照本發明的混合構件1處在其製造過程中。這裡非常簡單地示出，焊炬 14圍繞著空心型材2和構件3地製造接合縫7。焊炬14在此沿焊接方向SR圍繞著接合區 8移動。在焊接位置PA實施插入式焊接運動過程中，焊炬佔有相對於縱軸線15成20° 40°之間的β角的角度位置。附圖標記列表
1混合構件
2空心型材
3構件
4端部
5管對接形狀的突起部
6壓合座
7接合縫
8接合區
9輪緣
10軸向方向
11第一層
12第二層13區14焊炬15縱軸線α角β角SR焊接方向
權利要求
1.用於在由鋼製成的空心型材(2)和由鋁材製成的構件(3)之間製造材料結合的連接(1)的方法，包括以下方法特徵-提供空心型材(2)和構件(3)，-在待連接的位置上將空心型材(2)和構件(3)相互對準，其中空心型材(2)的一個端部(4)套裝在所述構件(3)的突起部( 上，-通過保護氣體焊接過程使空心型材(2)的所述端部(4)與所述構件(3)熱接合，其中焊炬(14)在焊接位置PA相對於軸向方向(10)成20° 40°的角(β)朝向待製造的接合縫(7)設置，其中所述軸向方向(10)與空心型材(2)的縱軸線(15)平行地定向。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，保護氣體具有氬氣和氦氣組分。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，焊炬(14)構造成固定的，而空心型材 (2)和構件(3)相對於其運動。
4.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，焊炬(14)徑向向外指向地相對於縱軸線(15)成20° 50°角(α)朝向待製造的接合縫(7)設置。
5.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，焊接速度選擇在9mm/s和 16mm/s 之間。
6.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，使用焊接填料，所述焊接填料具有7 lOm/min的焊絲進給速度。
7.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，通過熱接合額外地製成在構件C3)和空心型材( 之間的形鎖合的連接，其中接合縫(7)從背面嵌接空心型材O)的所述端部⑷。
8.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，通過脈衝的惰性氣體保護金屬極電弧焊實施熱接合。
9.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，在熱接合時，使用由鋁合金組成的焊接填料。
10.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，所述構件(3)構造成鋁鑄件或銑削件，並且構件(3)在壓裝之前在用於空心型材O)的接納區域中被切削加工。
11.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，所述構件(3)有接納芯棒， 並且空心型材(2)被壓裝到該接納芯棒上，其中在構件(3)和空心型材(2)之間產生力鎖合的連接。
12.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，接納芯棒在其自由端上具有倒角，並且接納芯棒在接納區域中具有優選在8mm至60mm之間的長度。
13.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，構件(3)具有圍繞接納芯棒延伸的槽形的凹部，用於接納空心型材O)的變型區域，並且所述槽形的凹部在一個下凹區域中在兩側都具有曲面。
14.根據權利要求13所述的方法，其特徵在於，所述槽形的凹部在內側通過接納芯棒形成並且在外側通過接納凸起形成。
15.根據權利要求14所述的方法，其特徵在於，接納凸起的高度在3mm和IOmm之間。
16.根據前述權利要求14或15任一項所述的方法，其特徵在於，接納凸起在其指向接納芯棒的一側相對於接納芯棒的縱軸線成角度地延伸。
17.據權利要求11至16中任一項所述的方法，其特徵在於，在壓裝之前，使空心型材 (2)在待壓裝的端部上被變型和/或定徑。
18.根據權利要求17所述的方法，其特徵在於，通過待壓裝的端部的變型，在空心型材O)的內側形成一個半徑，該半徑與在內側的所述下凹區域的半徑相同。
19.根據權利要求17或18所述的方法，其特徵在於，在空心型材O)的外側(18)，在待壓裝的端部(15)上對空心型材(2)去毛刺。
20.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，所述熱接合多層(11，12)地實施，並且在熱接合的過程中在施設各層(11,1 之間進行機械和/或化學的清潔。
21.根據前述權利要求中任一項所述的方法製造的空心型材連接件，其特徵在於，由鋼製成的空心型材⑵在端側與由鋁材製成的構件⑶連接，空心型材⑵被壓裝到所述構件(3)上並且額外地與所述構件(3)熱接合。
22.根據權利要求21所述的空心型材連接件，其特徵在於，接納芯棒在接納區域中從倒角向縱軸線延伸地具有下凹形的凹部。
全文摘要
本發明涉及一種在由鋼製成的空心型材(2)和由鋁材製成的構件(3)之間製造材料結合的連接的方法，所述方法為此具有以下方法特徵提供空心型材(2)和構件(3)；在待連接的位置使空心型材(2)和構件(3)相互對準；通過保護氣體焊接過程使空心型材(2)與構件(3)熱接合，其中焊炬在焊接位置PA中相對於縱軸線(15)成20°～40°的角(β)朝向待焊接的接合縫設置。
文檔編號B23K9/23GK102371423SQ201110326408
公開日2012年3月14日 申請日期2011年7月21日 優先權日2010年7月21日
發明者S·波特哈斯特, S·費克 申請人:本特勒爾汽車技術有限公司