本发明涉及一种摩擦焊接方洗

摩擦焊接是一种固相连接方法，这已为公众所知超过30年。在 摩擦焊接过程中，热是由一个构件在压力下摩擦另一个构件产生的。 一旦产生足够的热之后，摩擦运动可以终止，可以保持或增大压力一 个时期以促进固相连接。最普通的摩擦焊接形式是采用旋转运动，其 中一个构件在其中心轴线处于固定位置之下按单一旋转方向恒定转 动，相对另一个静止的构件进行摩擦。

在另一种已知的摩擦焊接形式—弧形摩擦焊接中，在两个待焊接 在一起的表面之间产生相对的弧形往复运动。该已知技术在先有技术 中已经被应用来连接要求有好的直线对中性的构件，例如车辆恒温厢 和汽车燃油箱。

在另一种已知的摩擦焊接形式—线性摩擦焊接中，使一个构件在 待连接平面上以一个小的直线位移往复移动。该方法已经主要应用于 塑料焊接。

再一种摩擦焊接形式是公转摩擦焊接。该方法是线性摩擦焊接和 旋转摩擦焊接的组合，其中，一个构件的中心线绕例如一个环形的二 维曲线相对另一个构件移动，以提供摩擦动作。

根据本发明，提供一种摩擦焊接方法，包括将要焊接在一起的两 构件压在一起，并在两构件之间提供相对振动以使两构件互相摩擦来 提供摩擦焊接，所述振动是由作用在所述两构件中至少一个上面的装 置来引起的，该装置包括一磁致伸缩变换器。

振动摩擦焊接包括线性的、弧形的或公转的摩擦焊接，所有这些 本身如上所述是已知的，并且它们均包含至少其中一个构件是相对 于另一构件在作振动。

振动运动的振动频率可以大于5KHz，最好约为或大于10KHz， 与先有技术中采用的低频旋转摩擦焊接不同。

磁致伸缩变换器可有利地包括至少一根磁致伸缩材料的例如 杆，再加上用以将振动磁场施加穿过该杆从而使该杆的一个尺度按振 动方式，例如在频率为5KHz或更高之下变化的装置。用以施加磁场 的装置可有利地施加一固定磁场，在其上叠加振动场，由此，上述杆 具有恒定的磁化分量，并且在磁化曲线的大致直线部分产生振动。

磁致伸缩材料最好包括一种或多种稀土金属和一种或多种选自 Fe、Ni、Co和Mn的金属。稀土金属或金属最好包含铽和其它可包 含铁的金属。举例来说，磁致伸缩材料可包括Tbp Dyq Fer，其中p 的范围是0.25至3.0，包括0.25和3.0，q的范围是0.65至0.75， 包括0.65和0.75，r的范围是1.8至2.2，包括1.8和2.2。例如，该材 料可包括Tb0.27Dy0.73Fe2，这在市场上可以买到，其商标是Terfenol- D。该材料可结合成粘接剂，例如，构成一种金属基体复合物，如由 Feredyn Europe，Seminariegatan 30，S-75228，Upsala，Sweden提供的 Magmek 91(商标名)。

当摩擦焊接是弧形摩擦焊接时，变换器可使至少其中一个构件的 一端按一个角方向作角运动。由变换器提供的振动运动可以通过一个 或多个中间构件传递到被振动的构件上。

返回角运动可由变换器提供。其之所以能够实现，如前面所述， 是因为变换器的平衡位置是处于最大伸展可能的半途，即，其具有一 个移位的平衡位置，以取得磁化循环的直线部分的优点。在循环的返 回运动中，设置的磁场趋向零，而变换器返回其真实平衡位置。该松 驰作用提供返回角运动。换句话说，变换器能够进行推和拉，只要机 械连接装置允许发生该动作。

两构件之一或者两构件可包括管状构件，其一端部被摩擦焊接至 另一构件上。为了进行弧形摩擦焊接，最好设置至少两个变换器。

在采用两个变换器的一个实例中，变换器可以按异相关系进行工 作，由此该两构件按相反的角方向运动。

在采用两个变换器进行弧形摩擦焊接的另一个实例中，变换器可 以同相工作，直接或间接作用在反作用面上，该反作用面是夹持在被 焊接在一起的两构件之一的夹紧构件上的例如凸起或翼板，反作用面 相对振动轴线角间隔180°，由此两变换器一起工作，使夹紧构件和 被其夹紧的要焊接的构件进行振动。

当摩擦焊接是线性摩擦焊接时，可以使用磁致伸缩变换器来使一 个构件往复运动。另一个构件可以是静止的，或者可以是相对第一构 件的运动反相地往复运动，由此该两构件在摩擦动作时按相反方向运 行。第二构件的往复运动可以由另一个磁致伸缩变换器来提供。每一 个往复构件另一端的位置可以由例如弹簧的复位装置来复位，该复位 装置对抗由上述磁致伸缩变换器提供的运动而起作用。换个方式，可 用另一个磁致变换器作用在该或每个往复构件的另一端，也就是说， 使磁致伸缩变换器作用在同一构件的两端。在该实例中，在两端上的 变换器按反相起作用，由此，在一端上的变换器由磁致伸缩的伸展振 动，而在另一端上的变换器承受磁致伸缩的收缩，反之亦然。

当摩擦焊接是公转摩擦焊接时，要焊接到第二构件上的第一构 件，利用至少两个磁致伸缩变换器，沿着在第一构件的表面平面上互 成角度、最好互成直角的两轴线起作用，可以在横过第二构件的表面 的两个尺度上移动(以提供摩擦)。沿着所述轴线中之一轴线的往复运 动可以由所述变换器中之一变换器来提供，而沿着另一轴线的往复运 动可以由所述变换器中的另一变换器来提供。该两往复运动可以有 90°位相差，由此，当一个变换器处于其全伸出或全缩回的位置时， 另一个变换器处于其中性位置(全伸出与全缩回之间的中途)，反之亦 然。被移动构件的位置可以由例如复位弹簧的无源的复位装置或者由 另一个磁致伸缩变换器来复位，它们对抗由磁致伸缩变换器提供的运 动作用在被移动构件的另一侧的相同轴线上。在该情况下，各对置的 成对的磁致伸缩变换器最好以反相作用在构件上，从而一个在伸出， 而另一个在缩回。这样，该装置可包括四个磁致伸缩变换器，以 90°间隔绕被运动构件的外侧配置，每个变换器在其磁致伸缩的伸一 缩循环中相对其相邻两变换器的相位差是90°。被运动构件最好具 有环形断面，例如其可以是管状构件，虽然其可以具有大致平的外侧 表面，例如正方断面构形。变换器的外端可以作用在一固定结构的内 侧表面上，该固定结构例如是一环状柱体，或是一具有平内表面者。 净效果是第一构件的中心在另一(第二)构件的表面上作圆周运动。

本发明对于将两管子焊接在一起特别有用。本发明也可用于将一 管状构件摩擦焊接至某些其它构件上。被焊接构件不需要具有细长形 式，可以是构件的一部分，例如一短截管部被焊接至一容器上。应该 理解，被焊接的构件不需要具有管状形式。

在应用本发明时有可能发生其它焊接效果，例如可能发生两构件 的熔化连接在一起。

被摩擦焊接在一起的两个表面可以是金属表面，它们可以是相同 金属，也可以是不同金属。或者，一个表面可以是金属的，而另一表 面可以是非金属的，例如是陶瓷材料或聚合材料。一个或者两个表面 可以包括复合材料，例如充填粉末复合物或增强纤维复合物，其可以 包含聚合物基体、陶瓷基体或金属基体的复合物。

当采用本发明来提供线性摩擦焊接时，两片材，例如金属片材， 包括两构件可以被焊接在一起。安装在一构件，例如焊接机臂上的振 动垫，由磁致伸缩变换器进行振动，可以在压力下施加该振动垫，将 片材摩擦和一起压靠一固定板。

本发明的焊接方法提供以下好处。其提供了一种全电气摩擦焊机 的可能性，这对于某些应用可能是非常有利的。由于增塑使采用本发 明方法来对金属高频率焊接能够实现，这样使焊接设备在处理某些应 用方面更具灵活性，并且使使用的设备与传统设备相比体积更小。本 发明方法使摩擦焊接能比在先有技术中更快速地进行，相应节省操作 时间和成本，同时增加生产速率。

下面通过实例并参照附图来对本发明的实施例进行说明，其中：

图1是两管状构件的侧视图，该两管状构件的端部以角状方式相 互振动，以提供弧形摩擦焊接。

图2是进行弧形摩擦焊接的更详细装置的透视图。

图3是沿图2中的线III-III所在平面的局部端剖视图。

图4是进行弧形摩擦焊接的另一种装置的侧视图。

图5是沿图4中所示线V-V的俯剖视图。

图6、7和8是进行线性摩擦焊接的另一种装置的局部侧视示意 图。

图9a至9e是进行公转摩擦焊接的装置的局部端视示意图，示出 装置运转的各个阶段。

图10是进行线性摩擦焊接的装置的侧视示意图。

参照图1，图中示出了本发明一种形式的原理，管子1、2形式 的两管状构件分别具有对接端部3、4。该两端部3、4(例如通过液 压或气压装置—图中未示)在压力下被压在一起，并且其中一根管子作 角状振动，即在频率约为10KHz之下沿着一弧形路径往复运动。管 子1画出的弧相对另一根管子2延伸几度。由磁致伸缩变换器(未示) 提供位移，使端部3、4产生弧形摩擦热，从而将端部3、4焊接在 一起。

参照图2和3，图中示出在另一种摩擦焊接装置中的管子5、6， 由螺丝(未示)将对开套环7、8分别夹紧在其上。套环7、8被制成 一定形状，在套环7、8的各自一侧上形成有互补的阶梯部9、10。 在各互补的阶梯部9、10之间延伸有一相应的磁致伸缩变换器11。 液压缸(未示)作用在套环7、8上，将套环7、8相互偏压，由此使 管子5、6的端部(未示)相对接。

在操作图2和图3中所示的装置时，用180°反相的交流电分别 对电磁铁(未示)供电，由电磁铁激励的变换器26使变换器11按相应 的异相关系伸缩，其结果使套环7、8从而使管子5、6在频率约为 10KHz之下彼此相对角状振动几度。管子5、6的两相邻端部之间互 相摩擦而产生足够的摩擦热以实现其焊接。

对于本发明的一些实施例，在弧形摩擦焊接装置中，可以根据为 实现套环7、8之间的振动所要求的传输扭矩的大小来采用多个变换 器11，作用在相应的阶梯部之间。对于其它一些用途，采用单个变 换器11可能已经足够，管子5、6固有的弹性挠度对套管7、8的 角状振动施加复原力。

图4和图5中示出了另一种实现弧形摩擦焊接的装置。第一管子 61要被焊接到第二管子63上去。该两根管子61和63是同轴的，要 在其相应的端部上被焊接。管子61由一固定夹具(未示)保持在静止位 置上。管子63由夹具65夹持，该夹具65绕管子63的轴线振动，使 管子63作相应的弧形振动。固定不动的管子61伸入夹具65的内腔 中，并装有一由聚四氟乙烯(PTFE)制成的支承衬套，但夹具65可绕 衬套自由振动。管子63通过轴承67支承在接近管子63的远离管子 61的一端的构件69上。

夹具65具有凸起或翼板69、71，相对管子63的轴线角状间隔 180°。一磁致伸缩杆73通过动力传输构件75作用在凸起69上，另 一磁致伸缩杆传输构件75作用在凸起69上，另一磁致伸缩杆77通 过动力传输构件79按相反方向作用在凸起71上。可以包含附加的动 力传输构件81、83(在图4中用虚线表示)，将分别由杆73、77提供 的运动在分别与构件79、75相反一侧上传递到凸起71、69上。

各杆73、73的长度根据相关连的电磁铁(未示)按振动方式变 化，该电磁铁提供电磁场，电磁场包括高频分量，叠加在如上所述的 基本恒定的分量上。两杆73、73的长度根据施加在其上的磁场同相 变化，使构件81推动凸起69，而构件83推动凸起71。

在操作图4和图5所示的装置时，管子63以高频振动方式摩擦 管子61，同时在两管子之间按方向P施加压力。在由摩擦产生足够 的热并且管子63的振动停止之后，压力可以继续保持。

图6示出一种实现线性摩擦焊接的简单装置。一构件C1在垂直 于图面平面的平面上要焊接到一构件C2上。构件C1的往复运动是由 促动器22沿着线L1所示的轴线提供的，该促动器22包括一磁致伸 缩杆24和一电磁铁26。杆24的长度根据由电磁铁26提供的磁场沿 着轴线L1而变化。该磁场包括一高频分量叠加在如上所述的一基本 恒定的分量上。杆24作用在构件C1的一端上。构件C1的另一端由 复位弹簧28推向杆24。在构件C1和C2之间，沿着如图中箭头P 所示的垂直于连接平面的轴线，按传统方式施加压力。

构件C2是静止的。在构件C1摩擦构件C2的同时施加压力。当 产生足够的热量之后，摩擦动作可以停止，但压力可以保持或增大。

图7示出用于线性摩擦焊接的另一种装置。在图7中，所示装置 大部分与图6中所示装置相同(并且相同的构件用同一标号标示)，只 是图6中的弹簧28在图7中是用与促动器22相同的促动器30来代 替，该促动器30包括改变磁致伸缩杆34的长度的电磁铁32。杆34 作用在构件C1的与杆24作用端相反的一端上。杆24和34按180° 相位差被促动，由此当杆24缩回时杆34伸出，反之亦然。压力是按 参照图6所作说明的方式来施加。

图8示出用于线性摩擦焊接的另一种装置。在图8中，所示装 置大部分与图7中所示装置相同，并且相同的物件用同一标号。在图 8中，构件C2也沿着由平行于轴线L1的线L2所示的轴线往复运动。 构件C2的运动是由促动器36、38产生的，促动器36包括电磁铁 40，该电磁铁40对作用在构件C2一端上的磁致伸缩杆42的长度产 生变化；促动器38包括电磁铁43，该电磁铁43对作用在构件C2另 一端上的磁致伸缩杆44的长度产生变化。

构件C2沿着轴线L2的运动与构件C1沿着轴线L1的运动相位 差是180°，由此，当构件C2如图8所示向上运动时，构件C1向下 运动，反之亦然。压力P按图6和图7中所示装置那样来施加。

图9a至图9e示出用于进行公转摩擦焊接的装置的各个阶段。在 该实施例中，一环状构件C3在一平行于图面平面(位于后方)的平面上 待焊接到另一构件(未示)上。各磁致伸缩杆46、48、50及52安装 在构件C3的外表面与一固定的环状柱体54的内表面之间。杆46、 48、50、52的轴线均通过装置的中心轴线，如图8a中所示，该中 心轴线在激励之前是与构件C3的中心轴线重合。杆46、48、50、 52的轴线在径向上绕图9a至图9e中的构件C3的圆周间隔90°。在 图9a至图9e中，示出各杆46、48、50、52的相应内端是平的， 它们也可以是中凹的，以与构件C3的外表面相配合，而杆46、48、 50、52的相应外端是中凸的，以与柱体54的内表面相配合。

各杆46、48、50、52受到相关连的电磁铁(未示)按上面参照 图6进行说明的方式的影响。从四个电磁铁中的每一个施加的磁场的 高频分量的相位角，与从两相邻电磁铁中的每一个施加的磁场的高频 分量的相位角相差90°。因此，杆46、48、50及52中的每一个 在其磁致伸缩循环中相对相邻者具有90°相位间隔。

这样，举例来说，当杆46处于其最大长度并且对向的杆50是处 于其最小长度，则杆48和52处于其平均或中间长度，如图9b所示， 同样，如图9c中所示，当杆48处于其最大长度并且对向的杆52是 处于其最小长度，则杆46和50处于其平均长度。杆50和52分别处 于其最大长度时的状况分别在图9d和图9e中示出。

按此方式改变杆46、48、50、52的长度的作用是构件C3作 公转运动，其具有旋转往复分量和直线往复分量。构件C3的中心本 身在图面平面上作圆周运动，这从图9b至图9e可以清楚地看到。在 构件C3和与之相连接的构件之间，按照上面参照图6所作说明的方 式(沿着垂直于图面的轴线)施加压力。

下面参照图10说明本发明涉及两片材的线性摩擦焊接的一个实 施例。片材材料可以包括相同的或不同的金属，例如铜和/或铝。举例 来说，约1mm厚的铝片材可以被焊接至约0.1mm厚的铜箔上，或者 两片约0.1mm厚的铜箔可被焊接在一起。

如图10中所示，由例如钢或钛制成的焊接机臂91用保持架93 悬挂，使该机臂被在沿其轴线的选定位置上的最小区域夹持器94夹 持住。一与terfenol(商标名)为基的变换95固定在机臂91的较宽的一 端。将压力通过压力垫97施加在机臂91的另一端。要焊接在一起的 片材99和101放置在焊接平台105的固定板103的上表面上并保持 在端头107下方，该端头107由例如碳化钨制成，固定在机臂91上 位于压力垫97下方。

在操作过程中，在变换器95的两端部设置产生超声波波腹A， 并在两端部之间的中途设置产生波节N。同样，在机臂91的两端部 设置产生波腹A，并在保持架93的两夹持器94之间设置产生波节 N。变换器95(由电磁铁—未示)的激励导致相邻的机臂91在其窄端产 生线性振动，由此使端头107沿轴线Z产生线性振动。施加在压力垫 97上的压力导致在端头107振动的同时端头107将片材99和101一 起压靠板103。从而在要焊接在一起的片材99和101之间施加振动 摩擦动作。

使用图10所示装置，并采用下述条件，可以实现0.1mm厚铜箔 与1.3mm厚的铝片材，或者0.1mm厚铜箔与0.1mm厚铜箔的成功的 焊接：

工作频率                  10KHz

加到变换器上的直流偏压    在2A下20V

输送到负载上的交流功率    500W

焊接时间                  5秒

焊接压力                  177Nmm-2