專利名稱：利用軟化第一部件的第一部分的預(yù)熱步驟實(shí)施磁脈沖焊接操作來固定第一和第二金屬部 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及將兩個(gè)金屬部件固定在一起的磁脈沖焊接技術(shù)。尤其是涉及一種執(zhí)行上述的磁脈沖焊接操作的改進(jìn)方法，該方法可以最小化會(huì)產(chǎn)生在所述的一個(gè)或者兩個(gè)金屬部件中的不期望的變形量。
背景技術(shù)：
目前在大多數(shù)陸地用車中，都具有傳動(dòng)系系統(tǒng)用來從發(fā)動(dòng)機(jī)/變速器總成的輸出軸到驅(qū)動(dòng)橋總成的輸入軸傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)力，以便可旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動(dòng)車輛的一個(gè)或多個(gè)車輪。為了達(dá)到這一目的，一個(gè)典型的車輛傳動(dòng)系總成包括圓柱狀的傳動(dòng)軸管，該管具有固定在其相對的末端上的第一和第二端接頭。第一端接頭形成第一萬向接頭的一部分，它提供了從發(fā)動(dòng)機(jī)/變速器總成的輸出軸到傳動(dòng)軸管的第一端的可旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)連接，同時(shí)能適應(yīng)這兩軸旋轉(zhuǎn)軸線之間有限量的角度偏差。同樣地，第二端接頭形成第二萬向接頭的一部分，它提供了從傳動(dòng)軸管的第二端到驅(qū)動(dòng)橋總成的輸入軸的可旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)連接，同時(shí)允許這兩軸旋轉(zhuǎn)軸線之間有限量的角度偏差。
在該一般類型的車輛傳動(dòng)軸總成中，通常需要永久地將第一和第二端接頭固定到傳動(dòng)軸管的末端。傳統(tǒng)上，采用常規(guī)的焊接技術(shù)將第一和第二端接頭與傳動(dòng)軸管的末端永久地連接。眾所周知，常規(guī)的焊接技術(shù)包括對兩個(gè)金屬部件進(jìn)行局部加熱，從而使兩個(gè)金屬部件的材料熔合。上述常規(guī)的焊接技術(shù)可以在施加壓力下進(jìn)行，也可以在不施加壓力下進(jìn)行，并且可以包括采用填料，也可以不采用填料。雖然常規(guī)的焊接技術(shù)在過去達(dá)到令人滿意的效果，但是其應(yīng)用還是具有一些缺點(diǎn)。首先，如上所述，常規(guī)的焊接技術(shù)包括對兩個(gè)金屬部件進(jìn)行局部加熱。這樣的加熱會(huì)造成金屬部件出現(xiàn)不希望有的變形和弱化。其次，盡管常規(guī)的焊接技術(shù)適合用于將由相似的金屬材料制成的部件焊接在一起，但是發(fā)現(xiàn)將它們用來連接由不相似金屬材料制成的部件則有一定的難度。第三，傳統(tǒng)的焊接技術(shù)不容易適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)厚度不同的部件的連接。由于車用傳動(dòng)軸總成的生產(chǎn)通常是大批量的過程，所以需要有一種改進(jìn)的方法可以把金屬部件永久性連接在一起，同時(shí)避免傳統(tǒng)焊接方法的缺點(diǎn)。
磁脈沖焊接是一種已提出過的可選擇的方法，用來把第一和第二端接頭固定到傳動(dòng)軸管的相對端。為了達(dá)到這一目的，首先提供具有末端部分的傳動(dòng)軸管和具有頸部的端接頭。所述端接頭一般為軸管叉或者管軸。所述叉具有一對對置的臂，所述臂從叉向第一軸向延伸。一對對齊開口穿過所述叉臂形成，適合于在其中接納萬向節(jié)十字頭的常規(guī)軸承杯。一般中空的頸部部分從主體部分在第二軸向軸向地延伸。為了執(zhí)行所述磁脈沖焊接操作，所述傳動(dòng)軸管的末端部分圍繞所述端接頭的頸部部分同軸地安裝。當(dāng)所述傳動(dòng)軸管和所述叉以這樣的方式組裝好時(shí)，在所述傳動(dòng)軸管的末端的內(nèi)表面和所述叉的頸部部分的外表面之間限定了環(huán)形間隙或空間。然后電感應(yīng)器圍繞所述傳動(dòng)軸管和叉的組件設(shè)置。所述感應(yīng)器通電，以在所述傳動(dòng)軸管的末端部分的周圍產(chǎn)生巨大的和瞬時(shí)的電磁場。所述電磁場在所述管的末端的外表面施加很大的力，促使它以高速向內(nèi)塌陷在所述叉的頸部部分上。所述管的末端的內(nèi)表面對所述叉的頸部部分的外表面產(chǎn)生沖擊，促使其間產(chǎn)生焊接或分子鍵。
已發(fā)現(xiàn)，在所述磁脈沖焊接操作中所述管的末端對所述叉的頸部部分的高速?zèng)_擊在有些情況下會(huì)導(dǎo)致所述叉臂相對于彼此永久地變形。舉例來說，如果所述管的末端塌陷在所述叉的頸部部分上，所述頸部部分向內(nèi)的變形會(huì)促使位于叉的另一端上的叉臂向外彼此分開。同時(shí)，由于沖擊導(dǎo)致的通過所述叉?zhèn)鞑サ臎_擊波還會(huì)導(dǎo)致穿過所述叉臂形成的開口的尺寸略微地?cái)U(kuò)大。尤其是當(dāng)所述叉是由相對輕質(zhì)的材料例如鋁合金制成的時(shí)候，這樣的情形很可能出現(xiàn)。上述叉臂的變形是不希望出現(xiàn)的，因?yàn)闀?huì)導(dǎo)致形成在叉臂中的各個(gè)開口的失準(zhǔn)。當(dāng)形成在所述叉臂中的開口不是精確對準(zhǔn)時(shí)，要在其上正確地安裝萬向接頭的其余部分以及平衡所述萬向接頭以便旋轉(zhuǎn)是相當(dāng)困難的。
所述管軸通常具有管座、支承部分或座套部分、頸縮部分和花鍵末端部分。因?yàn)楦邞?yīng)力，實(shí)際中最好的滿足所述管軸的生產(chǎn)需要的材料是中碳鋼。如果所述傳動(dòng)軸管也是由鋼材料制成的，那么通常采用傳統(tǒng)的電弧焊接法來將所述管軸固定到傳動(dòng)軸管上。然而，為了減輕車輛重量、獲得平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)和提高燃料經(jīng)濟(jì)性，有時(shí)優(yōu)選的采用輕質(zhì)材料例如鋁來制造所述傳動(dòng)軸總成的一部分部件。在很多情況下，所述叉和傳動(dòng)軸管都可以由強(qiáng)度相對較大的鋁合金制成，例如6061-T6，并可以通過使用已知的弧焊方法成功地固定在一起。然而，已發(fā)現(xiàn)，采用該方法來使鋁制的傳動(dòng)軸管和鋼制的管軸高質(zhì)量的焊接連接起來較難，因?yàn)闀?huì)形成脆弱的金屬間結(jié)構(gòu)，這會(huì)減弱它們之間連接部的強(qiáng)度。已經(jīng)試驗(yàn)過的其它的方法在不同程度上成功地解決所述問題，即在鋁制傳動(dòng)軸管和鋼制端接頭之間獲得高品質(zhì)的連接?，F(xiàn)在，磁脈沖焊接和摩擦焊接技術(shù)(兩者都是冷焊方法)看起來都顯示了很好的效果。
摩擦焊接技術(shù)是舊有的，并且得到了較好的發(fā)展，尤其是在可利用好的生產(chǎn)機(jī)器的領(lǐng)域。然而，如果采用摩擦焊接來焊接管徑大于90毫米、壁厚小于3毫米的鋼-鋁傳動(dòng)軸總成，看起來摩擦焊接法還有一些實(shí)際的限制。相比之下，磁脈沖焊接是新興的技術(shù)，正處于發(fā)展階段，特別是在生產(chǎn)機(jī)器方面，但是如果所述傳動(dòng)軸管的直徑為50毫米至150毫米，并且壁厚為1.5毫米至3毫米的話，該方法可以獲得更好的效果。因此磁脈沖焊接是一種有希望的技術(shù)，它可以解決高品質(zhì)焊接鋼-鋁傳動(dòng)軸總成的問題。
在磁脈沖焊接操作的過程中管座的沖擊波和變形不會(huì)在所述管軸的花鍵端產(chǎn)生顯著的變形。然而，由于制造的實(shí)際局限并且不可能使需要焊接的部分自身以及相對于所述感應(yīng)器軸線實(shí)現(xiàn)理想的同軸度，因此傳動(dòng)軸的焊接部位可能會(huì)彎曲超出可接受的極限。已發(fā)現(xiàn)，用于磁脈沖焊接的磁脈沖越強(qiáng)大，焊接之后的傳動(dòng)軸出現(xiàn)的變形越大。由于該彎曲和上述叉變形的影響，所述傳動(dòng)軸會(huì)出現(xiàn)高的振擺現(xiàn)象，這相對于通過不同的運(yùn)行速度影響不平衡性的方式是一個(gè)很重要的參數(shù)。在廣的速度范圍內(nèi)，特別是在高速下，這個(gè)參數(shù)在動(dòng)平衡方面是重要的單個(gè)因素。與轉(zhuǎn)速平方成比例的不平衡離心力促使產(chǎn)生偏斜、應(yīng)力和振動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致部件失效和討厭的噪音，并且使車輛的乘客感覺不舒服。
因此，理想的是提供一種改進(jìn)的執(zhí)行磁脈沖焊接操作的方法，它可以最小化不希望出現(xiàn)的傳動(dòng)軸的振擺量，其中當(dāng)實(shí)施磁脈沖焊接操作固定傳動(dòng)軸管時(shí)，所述振擺會(huì)導(dǎo)致叉變形或管軸焊接部位彎曲。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的用于將第一和第二金屬部件固定在一起的實(shí)施磁脈沖焊接操作的方法。首先，提高第一金屬部件的第一部分的溫度使之軟化，但是基本上沒有升高鄰近所述第一部分的第一金屬部件的第二部分的溫度，也基本上不使之軟化。然后，使第一金屬部件的第一部分相對于第二金屬部件的一部分以軸向重疊的方式設(shè)置，在它們之間留有間隙。將感應(yīng)器相對于所述第一和第二金屬部件軸向重疊的部分設(shè)置。給所述感應(yīng)器通電，使所述第一金屬部件的第一部分變形而接合所述第二金屬部件的那部分，以便將第一和第二金屬部件固定在一起。
對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，按照附圖以及隨后的具體實(shí)施方式
的描述，本發(fā)明的多個(gè)目的和優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。


圖1是分解正視圖，部分為剖視，顯示了依照本發(fā)明的方法將傳動(dòng)軸管和一對端接頭組裝和固定在一起之前的情況；圖2顯示了圖1所示傳動(dòng)軸管的一部分和其中一個(gè)端接頭組裝并設(shè)置在感應(yīng)器內(nèi)以執(zhí)行磁脈沖焊接操作的剖視正視圖。
圖3a、3b、3c和3d顯示了用于執(zhí)行所述磁脈沖焊接操作的不同的布置。
圖4a、4b、和4c顯示了根據(jù)本發(fā)明將所述傳動(dòng)軸總成待焊接部分相對于彼此以及相對于感應(yīng)器定位在預(yù)定位置的基本方式。
圖5是截面圖，顯示了依照本發(fā)明設(shè)置于預(yù)熱感應(yīng)器內(nèi)的傳動(dòng)軸管末端和設(shè)置于與脈沖感應(yīng)器結(jié)合在一起的支承工具內(nèi)的軸管叉。
圖6是相對于所述軸管叉布置的軸管叉支承工具的放大的截面圖。
圖7是圖6中所示的軸管叉支承工具的端部的正視圖。
圖8是截面的正視圖，顯示了合并在所述脈沖感應(yīng)器中的管軸和支承工具。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參見附圖，如圖1和2所示，顯示了傳動(dòng)軸管10，第一端接頭，例如軸管叉20，和第二端接頭，例如管軸30。盡管在上下文中本發(fā)明描述和舉例說明了將第一和第二端接頭20和30固定到傳動(dòng)軸管10上以形成傳動(dòng)軸總成的至少一部分，但要認(rèn)識到的是，對于任意期望的目的或應(yīng)用，本發(fā)明所述的方法都可用于將任意的兩個(gè)金屬部件固定到一起。
圖示的傳動(dòng)軸管10一般為中空的和圓柱狀的形狀，它可以由任意要求的金屬材料制成，例如6061-T6鋁合金。優(yōu)選的是，傳動(dòng)軸管10具有外表面和內(nèi)表面，所述外表面和內(nèi)表面限定基本上不變的外徑和內(nèi)徑。因此，圖示的傳動(dòng)軸管10具有基本上為圓柱狀并且一致的壁厚，盡管這不是必須的條件。傳動(dòng)軸管10具有第一末端部分11和第二末端部分13，它們分別終止于端面12和端面14。
圖示的第一端接頭20為軸管叉，由金屬材料制成，可以與制成傳動(dòng)軸管10的金屬材料相同或者不同，例如鋼或者鋁合金。圖示的第一端接頭20包括主體部分21，所述主體部分具有一對對置的叉臂22，所述叉臂從主體部分向第一軸向延伸。一對對齊的開口23穿過所述叉臂22形成，適合于在其中接納萬向節(jié)十字頭的常規(guī)軸承杯(未示出)。如果需要，可以在每個(gè)開口23內(nèi)形成環(huán)形槽23a(參見圖2)，以便于在其中通過各卡環(huán)(未示出)以已知的方式保持所述軸承杯。基本上中空的頸部部分24從所述主體部分21在第二軸向延伸，所述第二軸向與由叉臂22限定的第一軸向相反。所述頸部部分24具有環(huán)形肩24a和環(huán)形臺(tái)階24b，其導(dǎo)向表面優(yōu)選以小角度縮減，例如從大約5度至大約9度。
所述頸部部分24的結(jié)構(gòu)在2005年5月17日公開的美國專利No.6,892,929中有詳細(xì)描述，該專利歸本發(fā)明的受讓人擁有。所述專利公開的內(nèi)容在此作為參考引入。如果需要，如圖2中虛線所示的環(huán)形槽25或類似的凹陷區(qū)域也可以在第一端接頭20的內(nèi)部形成。所述內(nèi)部槽25的作用也已經(jīng)在美國專利No.6,892,929詳細(xì)說明了。
圖示的第二端接頭30是通常由碳鋼制成的管軸。圖示的第二端接頭30包括主體部分31，它具有三個(gè)區(qū)域，分別是支承部分或座套部分32、減徑部分33和帶花鍵的末端部分34?；旧现锌盏念i部部分35具有與上述的美國專利No.6,892,929的詳細(xì)描述相同的結(jié)構(gòu)。特別的是，所述頸部部分35具有環(huán)形肩35a和環(huán)形臺(tái)階35b。
圖2還顯示了在依照本發(fā)明所述的方法執(zhí)行用于將傳動(dòng)軸管10和第一端接頭20固定在一起的磁脈沖焊接操作之前圍繞組裝起來的這兩個(gè)部件的組件設(shè)置的感應(yīng)器40。當(dāng)傳動(dòng)軸管10和第一端接頭以這樣的方式組裝好時(shí)，在傳動(dòng)軸管10的末端部分11的內(nèi)表面和軸管叉20的頸部部分24的外表面之間限定了環(huán)形間隙或空間26。感應(yīng)器40可以是任意的要求的結(jié)構(gòu)，例如Yablochnikov在美國專利No.4,129,846顯示和描述的那樣。所述專利公開的內(nèi)容在此作為參考引入。感應(yīng)器40與示意性地顯示的脈沖電源50連接。如圖2所示，感應(yīng)器40的第一引線連接第一電導(dǎo)線51，而感應(yīng)器40的第二引線通過放電開關(guān)52連接到第二電導(dǎo)線53。多個(gè)高壓電容器54或類似的儲(chǔ)能器件連接在第一和第二電導(dǎo)線51和53之間。第一電導(dǎo)線51還連接到電能量源55，而第二電導(dǎo)線53通過充電開關(guān)56連接到電能量源55?？刂齐娐返慕Y(jié)構(gòu)與操作在Yablochnikov的美國專利No.5,981,921做了詳細(xì)描述，所述專利的公開內(nèi)容在此作為參考引入。
執(zhí)行磁脈沖焊接操作的感應(yīng)器40的工作方式是現(xiàn)有技術(shù)中為大家所熟知的，有關(guān)的詳細(xì)解釋仍然可以參考上述的美國專利No.5,981,921。但是，簡要地說，感應(yīng)器40通過首先打開放電開關(guān)52和閉合充電開關(guān)56來工作。這樣電能可以從電能量源55傳遞到每一個(gè)電容器54。當(dāng)電容器54充到預(yù)先確定的電壓時(shí)，充電開關(guān)56打開。此后，當(dāng)需要操作感應(yīng)器40時(shí)，放電開關(guān)52閉合。結(jié)果，高能脈沖電流從電容器54流過感應(yīng)器40，從而在傳動(dòng)軸管10的末端部分11周圍產(chǎn)生極大的和瞬時(shí)的電磁場。所述電磁場在傳動(dòng)軸管10的末端部分11的外表面上施加很大的力，促使它以高速向內(nèi)塌陷在叉20的頸部部分24(或者，正如以上的討論，管軸30的頸部部分35)上。
結(jié)果傳動(dòng)軸管10的末端部分11的內(nèi)表面沖擊叉20的頸部部分24的外表面，由于在它們共同的界面上兩種金屬的原子之間的電子共享，從而在它們之間形成焊接或者分子鍵。焊接區(qū)域的尺寸和位置的變化由多種因素決定，例如環(huán)形間隙26的尺寸，用來制成傳動(dòng)軸管10和叉20的金屬材料的尺寸、形狀和性質(zhì)，感應(yīng)器40的尺寸和形狀，傳動(dòng)軸管10的末端部分11和叉20的頸部部分24之間沖擊的角度和速度，以及其它因素。
正如以上的討論，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在磁脈沖焊接操作時(shí)，傳動(dòng)軸管10的末端部分11以高速?zèng)_擊在第一端接頭20的頸部部分24上，至少在某些情況下，這會(huì)導(dǎo)致所述部件之一或兩者的形狀產(chǎn)生不希望出現(xiàn)的變形。已發(fā)現(xiàn)，上述變形的量隨著在兩個(gè)部件之間沖擊速度的增加而增大。然而，隨著用來制成傳動(dòng)軸管10的材料強(qiáng)度增加，傳統(tǒng)上必須有更高的沖擊速度以使得兩種金屬在它們的共同界面上形成原子鍵。為了提供上述的更高的沖擊速度，傳統(tǒng)上必須提高由脈沖電源50產(chǎn)生的磁場能量脈沖的量值，這會(huì)加速脈沖功率電路50的元件磨損。因此，希望改進(jìn)磁脈沖焊接過程，以便通過用由脈沖電源50產(chǎn)生的更小量值的磁場能量脈沖來提供優(yōu)質(zhì)的焊接連接。
一種已知的減小由脈沖電源50產(chǎn)生的磁場能量脈沖量值的方法是基于減小所要變形的部件的材料屈服強(qiáng)度。為了達(dá)到這個(gè)目的，已知的是對傳動(dòng)軸管10所要變形的部分進(jìn)行回歸熱處理。典型的回歸熱處理循環(huán)包括的步驟有首先用約10至15秒的時(shí)間把傳動(dòng)軸管10的指定區(qū)域感應(yīng)加熱到約1000，之后將加熱的傳動(dòng)軸管10放在室溫下的水中淬火。在執(zhí)行回歸熱處理之后，6061-T6鋁合金的屈服強(qiáng)度一般從40ksi下降到約10ksi，這就可以使得執(zhí)行磁脈沖焊接過程所需的磁場能量脈沖量值明顯減少。
然而，在執(zhí)行磁脈沖焊接操作的情況下，進(jìn)行回歸熱處理的一個(gè)不利之處是在冷卻的步驟中，用來加熱傳動(dòng)軸管10的能量(比在磁脈沖焊接操作中使用的能量要大約20倍)不但浪費(fèi)了，而且作為焊接過程理論上的優(yōu)點(diǎn)而不能利用。實(shí)際上，為了焊接金屬件，通過接受任何類型的能量來激活表面原子。加熱是一種給原子提供激活所需能量的便利的和有效的方法。因此，理論上，只給管端預(yù)熱應(yīng)該會(huì)比僅僅使用回歸熱處理工藝更好地在傳動(dòng)軸上執(zhí)行磁脈沖焊接操作。
與磁脈沖技術(shù)中的感應(yīng)預(yù)熱相關(guān)的許多重要的革新在美國專利No.3,126,937中提出過，該專利所公開的內(nèi)容在此作為參考引入。盡管在磁脈沖焊接過程中進(jìn)行預(yù)熱的思想本身不是新的，但本發(fā)明使這個(gè)技術(shù)更上了一個(gè)臺(tái)階。在預(yù)熱和產(chǎn)生磁脈沖的大部分現(xiàn)有技術(shù)中，相同的感應(yīng)器用于上述兩個(gè)目的，并且待焊接件在預(yù)熱循環(huán)開始之前就組裝在感應(yīng)器內(nèi)部。此方案根本的不利之處在于在焊接過程中需要將所述感應(yīng)器從加熱源轉(zhuǎn)換為脈沖源。如果待焊接件直徑相對較小(舉例來說約25毫米)，那么可以相對輕易地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，因?yàn)樵诿}沖感應(yīng)器中的電流是相對低的。然而，如果待焊接件的直徑是相對大的(舉例來說約100毫米至約150毫米，對于車輛傳動(dòng)軸來說這是典型的)，那么轉(zhuǎn)換就較難，因?yàn)殡娏鞣悼梢源笥谝话偃f安培。另一個(gè)問題在于為用于加熱和用于產(chǎn)生強(qiáng)大的磁脈沖的感應(yīng)器提供冷卻。在預(yù)熱過程中大部分的熱量被所述感應(yīng)器吸收，并且該熱量通常非常高以致于只能借助于水冷系統(tǒng)來去除它。使人遺憾地是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在美國專利No.4,129,846中公開的感應(yīng)器設(shè)計(jì)中使用水冷是不能實(shí)行的，特別是對于磁脈沖焊接相對大直徑的管件而言。
采用分別的感應(yīng)器來預(yù)熱和產(chǎn)生磁脈沖也是已知的。特別地，美國專利N0.3,621,175公開了一種包括感應(yīng)加熱線圈和磁性焊接線圈的裝置，所述兩線圈位于沿著兩個(gè)待焊接件移動(dòng)路線上隔開的位置處，其中這兩個(gè)待焊接件借助于傳送帶而同時(shí)移動(dòng)。所述待焊接元件可以是管狀的和同心的，且內(nèi)部元件的外表面與外部元件的內(nèi)表面相鄰。利，該發(fā)明可以進(jìn)行連續(xù)焊接，尤其是連續(xù)焊接管道和初步滑動(dòng)配合的內(nèi)襯套。在實(shí)施中，管道和襯套都被加熱到相同的溫度，并且在依靠滾子以大約15米/分鐘的速度喂送通過加熱線圈和焊接線圈且焊接線圈每秒激活10次的過程中被焊接。由焊接線圈和它的控制電路所限定的參數(shù)被選擇，以致于電流脈沖具有一個(gè)特征頻率，該特征頻率在管道和襯套中產(chǎn)生感應(yīng)電流，其穿透深度大于兩個(gè)重疊導(dǎo)體中其中一個(gè)的厚度(并且優(yōu)選的是大于重疊導(dǎo)體的總厚度)。因此，產(chǎn)生在管道和襯套中的磁力促使它們向著彼此地吸引。
在本發(fā)明中，在預(yù)熱過程中和在脈沖感應(yīng)器的內(nèi)部組裝待焊接件的過程中，有一個(gè)間隙把傳動(dòng)軸管10的末端部分11的待焊接表面和第一端接頭20的頸部部分24的待焊接表面隔開。在預(yù)熱過程中，待焊接件可以相互分開，或者相對于彼此的待焊接表面可以重疊并且接觸，但僅僅是通過待焊接件的待焊接表面外側(cè)的待焊接管端的內(nèi)部的環(huán)狀脊接觸。可選擇的是，可以使用另外的加熱感應(yīng)器對配合頸部預(yù)熱。由脈沖感應(yīng)器和放電電路限定的參數(shù)被選擇，以致于在傳動(dòng)軸管中的穿透深度小于管壁厚度。因此，在傳動(dòng)軸管和脈沖感應(yīng)器之間產(chǎn)生的磁力促使管端被所述感應(yīng)器排斥，這就使得待焊接管和配合部分可以高速塌陷。
出于解釋的目的，本發(fā)明所述方法此后分成兩步描述。第一步描述實(shí)現(xiàn)所述方法的總體設(shè)計(jì)。第二步更加詳細(xì)地描述可用來實(shí)施此方法的裝置和工具。第一步中的總體設(shè)計(jì)如圖3a至3d所示，其中
圖3a顯示了借助于一套感應(yīng)器(例如一個(gè)主要的加熱感應(yīng)器和一個(gè)脈沖感應(yīng)器)將傳動(dòng)軸管10的第一末端部分11焊接到第一端接頭20磁脈沖焊接過程，其中裝配工具僅設(shè)置在所述脈沖感應(yīng)器的一側(cè)(可以選擇性地使用另外的感應(yīng)器來預(yù)熱第一端接頭20的頸部部分24)；圖3b顯示了如圖3a所示首先焊接了傳動(dòng)軸管10的第一末端部分11之后，并且接著在把傳動(dòng)軸管10端到端地翻轉(zhuǎn)之后，把傳動(dòng)軸管10的第二末端部分13焊接到第二端接頭30的磁脈沖焊接過程(可以選擇性地使用另外的感應(yīng)器來預(yù)熱第二端接頭30的頸部部分35)；圖3c顯示了借助于一套感應(yīng)器用磁脈沖焊接方法把傳動(dòng)軸管10的末端部分11和13分別焊接至第一端接頭20和第二端接頭30的過程，其中將裝配工具設(shè)置在脈沖感應(yīng)器的兩側(cè)，并且在磁脈沖焊接了所述第一末端之后，將傳動(dòng)軸管10通過預(yù)熱感應(yīng)器和脈沖感應(yīng)器從一端傳送到另一端(可以選擇性地使用另外的感應(yīng)器來預(yù)熱第一和第二端接頭20和30的頸部部分24和35)；并且圖3d顯示了借助于兩組感應(yīng)器用磁脈沖焊接方法焊接傳動(dòng)軸管10的兩個(gè)末端部分11和13的過程，其中裝配工具僅設(shè)置在每個(gè)脈沖感應(yīng)器的一側(cè)，將傳動(dòng)軸管預(yù)先地設(shè)置在主要的預(yù)熱感應(yīng)器之間，并且在磁脈沖焊接了所述第一末端之后，在相反方向上傳送傳動(dòng)軸管10以便于磁脈沖焊接所述第二末端(可以選擇性地使用兩個(gè)另外的感應(yīng)器來分別預(yù)熱第一和第二端接頭20和30的頸部部分24和35)。
如圖3a和3b所示的過程首先是將傳動(dòng)軸管10的第一末端部分11插入預(yù)熱感應(yīng)器61中和將叉20的頸部部分24插入上述的脈沖感應(yīng)器40，如圖3a所示。預(yù)熱感應(yīng)器61通過高頻源62通電，并且脈沖電源50的電容器電池充電到預(yù)定的電壓。在將傳動(dòng)軸管10的末端部分11預(yù)熱到預(yù)定的溫度之后，高頻源62切斷。然后，在軸向迅速地將傳動(dòng)軸管10移動(dòng)到脈沖感應(yīng)器40中，并且當(dāng)傳動(dòng)軸管10的第一末端部分11相對于第一端接頭20位于正確的位置時(shí)停止移動(dòng)，如圖2所示。然后通過如上所述的脈沖功率源50的電容器放電來激勵(lì)脈沖感應(yīng)器40，這就完成了焊接傳動(dòng)軸管10的第一末端部分11的磁脈沖焊接循環(huán)。
然后，焊接了一半的傳動(dòng)軸管10從所述感應(yīng)器40和61移開，并且調(diào)轉(zhuǎn)，以便傳動(dòng)軸管10的第二末端部分13插入預(yù)熱感應(yīng)器61中，如圖3b所示。然后，對第二端接頭30重復(fù)如上所述的焊接循環(huán)?？蛇x擇的是，在分別將所述端接頭20和30的頸部部分24和35插入脈沖感應(yīng)器40中之前，可以借助于另外加熱感應(yīng)器(例如61′所示)對它們的一個(gè)或兩個(gè)預(yù)熱，該另外的加熱感應(yīng)器61’可以由例如62′所示的另外的高頻源激勵(lì)。在這一情況下，所述端接頭20或者30將在插入傳動(dòng)軸管10的相關(guān)的預(yù)熱的末端部分11或13之前或者是與其同時(shí)地插入到脈沖感應(yīng)器40中。
從所述描述中可以看出，該方法不是非常適用于大批量生產(chǎn)，而傳動(dòng)軸制造一般是大批量生產(chǎn)的。然而，當(dāng)搬運(yùn)簡單、相對廉價(jià)的工具可與脈沖感應(yīng)器結(jié)合時(shí)，該方法適用于小批量生產(chǎn)，這將在下文中介紹。
如圖3c所示的過程首先是以如圖3a所示的方式把傳動(dòng)軸管10的第一末端部分11與軸管叉20焊接起來。然而，在這種情況下，為了焊接所述傳動(dòng)軸管10的第二末端部分13，要把所述第二端接頭30預(yù)先插入到所述傳動(dòng)軸管10的第二末端部分13中，且其用于把所述傳動(dòng)軸管10的第二末端部分13推到預(yù)熱感應(yīng)器61中。為此，所述傳動(dòng)軸管10的第二末端部分13和第二端接頭30將以一種方式相互接觸，該方式將在后面描述。在預(yù)熱以后，所述傳動(dòng)軸管10和第二端接頭30被傳送到所述脈沖感應(yīng)器40內(nèi)，并且對其執(zhí)行磁脈沖焊接操作。該過程更適合于大量生產(chǎn)，但是它的生產(chǎn)率有點(diǎn)受限，因?yàn)樾枰趦蓚€(gè)焊接循環(huán)之間傳送傳動(dòng)軸管10的全部長度，并且需要在單個(gè)脈沖功率源50的情況下準(zhǔn)備兩個(gè)順序的電容器放電。
如圖3d所示用于焊接所述傳動(dòng)軸管10的兩個(gè)末端部分11和13的過程與結(jié)合圖3a描述的基本一樣。然而，在這種情況下，提供了兩個(gè)預(yù)熱感應(yīng)器61和161(以及與它們關(guān)聯(lián)的高頻源62和162)和兩個(gè)脈沖感應(yīng)器40和140(以及與它們關(guān)聯(lián)的脈沖電源50和150)。因?yàn)樘峁┝藘山M感應(yīng)器，因此所述傳動(dòng)軸管10在磁脈沖焊接操作中僅僅需要在一個(gè)相對短的距離往復(fù)移動(dòng)，首先在所述預(yù)熱感應(yīng)器61和161中的必要位置處停止及隨后在所述脈沖感應(yīng)器40和140中的必要位置處停止。在將兩個(gè)端接頭20和30分別焊接到末端部分11和13之后，所述傳動(dòng)軸管10位于加熱感應(yīng)器61和161之間的中間位置，然后相對于由上述的感應(yīng)器61和161限定的軸線橫向地移開?？蛇x擇的是，在分別將所述端接頭20和30的頸部部分24和35插入所述脈沖感應(yīng)器40和140之前，可以借助于與上述類似的另外的加熱感應(yīng)器61′和161′對它們預(yù)熱。在最后這種情況中，所述端接頭20或者30將就在插入所述傳動(dòng)軸管10的相關(guān)的預(yù)熱的末端部分11或13之前或者是與其同時(shí)地分別插入到脈沖感應(yīng)器40和140中。該過程是最適合于大量生產(chǎn)的，因?yàn)樗龉ぞ吆蛡鲃?dòng)軸需要輸送的距離短，而且對于兩個(gè)脈沖電源50而言，準(zhǔn)備兩個(gè)順序的電容器放電的時(shí)間不是關(guān)鍵問題。
圖4a、4b和4c顯示相對于所述第二端接頭30的頸部部分35和相對于感應(yīng)器40和61而言的傳動(dòng)軸管10的第二末端部分13的基本位置，可以采用在所有上述的設(shè)計(jì)中。如圖4a所示的位置可以通過適當(dāng)?shù)墓ぞ咛峁?，舉例來說，因?yàn)樗龅诙私宇^30的頸部部分35的形狀不利于它與所述傳動(dòng)軸管10的第二末端部分13在脈沖感應(yīng)器40通電之前接觸。這種方案可以被許多磁脈沖焊接操作的應(yīng)用接受，但是它對于生產(chǎn)汽車傳動(dòng)軸而言不是最好的選擇。焊接之后傳動(dòng)軸要求的精度很高，以致于用如圖4b和4c所示的頸部形狀就可能來滿足此精度要求。這樣的形狀總的如上所述，在這里只是通過描述所述頸部部分35的外表面來做補(bǔ)充，頸部部分35的外表面在提供高品質(zhì)和高精度的磁脈沖焊接中是很重要的。
如圖4b和4c所示，在所述頸部部分35上可以提供第一錐形表面35c，它能使所述頸部部分35更方便地插入所述傳動(dòng)軸管10的末端部分13。所述第一錐形表面35c在最大的外徑過渡區(qū)35d終止，該過渡區(qū)35d優(yōu)選的是在組裝時(shí)為兩個(gè)部件10和30提供初步的徑向定向。所提供的第二錐形表面35e是用于在所述磁脈沖焊接過程中提升焊接的高品質(zhì)。第三錐形表面35g提供在環(huán)形臺(tái)階35b上，為所組裝的部件10和30提供最后的徑向定向。最后，所述環(huán)形肩35a為上述的部件10和30提供精確的軸向定位。
為了焊接的精度，理想的是，在使用如圖3b所示的設(shè)計(jì)時(shí)，在預(yù)熱之后所述第三錐形表面35g的最大直徑基本上等于傳動(dòng)軸管10的待焊接的末端部分13的內(nèi)徑，如圖4b所示。舉例來說，傳動(dòng)軸管10由6061-T6鋁合金形成，其初始內(nèi)徑為127毫米，壁厚2毫米，作為預(yù)熱到700-1000的溫度的結(jié)果該傳動(dòng)軸管將膨脹大約2毫米，而上述溫度是依照本發(fā)明的用于焊接的最佳溫度。因此，不把該膨脹考慮在內(nèi)，所焊接的傳動(dòng)軸的振擺為1毫米，而這是不能接受的。
如果使用如圖3b所示的布置，那么優(yōu)選的是在預(yù)熱之前，最大外徑過渡區(qū)35d和第二端接頭30的頸部部分35的第三錐形表面35g的最小外徑基本上等于所述傳動(dòng)軸管10的待焊接的末端部分13的內(nèi)徑，如圖4c所示。所述第三錐形表面35g的最大外徑優(yōu)選的是在預(yù)熱之后基本上等于所述傳動(dòng)軸管10的待焊接末端部分13的內(nèi)徑，如圖4b所示。因此，如圖4c所示，在預(yù)熱之前，在所述感應(yīng)器61內(nèi)的所述傳動(dòng)軸管10的待焊接末端部分13的內(nèi)部的環(huán)狀脊與第二端接頭30的頸部部分35的第三錐形表面35g的開始部分接觸。為了在預(yù)熱過程中保證這樣的接觸，可以施加軸向力(如圖4c中兩個(gè)箭頭所示)移動(dòng)所述傳動(dòng)軸管10直到停止在所述肩35a處。然而，需要注意的是，如上所述的各個(gè)部件可以具有任意的要求的尺寸。
為了在采用所述的磁脈沖焊接方法大量生產(chǎn)傳動(dòng)軸總成時(shí)提供所有管和接頭的位移，理想的但不是必要的是使用完全機(jī)械化的和自動(dòng)的工具。這種工具的討論超出了本發(fā)明的范圍。然而，出于解釋的目的，下文結(jié)合可用來實(shí)施本發(fā)明方法的設(shè)備和一種型式的工具來描述本發(fā)明的方法。更具體地說，如圖5所示的設(shè)備包括用于預(yù)熱傳動(dòng)軸管10的末端部分11的裝置60，以及用于執(zhí)行磁脈沖焊接操作的裝置70。如圖中所示，所述預(yù)熱裝置60包括與高頻電源62連接的加熱感應(yīng)器61，和冷卻器63，所述冷卻器具有一個(gè)或多個(gè)用于循環(huán)水的通道64。插件65借助于軸向移動(dòng)裝置(未顯示)來操作。所述冷卻器63和插件65優(yōu)選的是由熱傳導(dǎo)率高的金屬材料制成，例如黃銅。
磁脈沖焊接裝置70包括脈沖感應(yīng)器40、引導(dǎo)襯套71、帶有聯(lián)結(jié)螺母73的工具襯套72、叉襯套74、銷75及通過減震器77保持的底模76。所述感應(yīng)器40由一系列的金屬環(huán)41和絕緣環(huán)42組裝成，這些環(huán)被成形為相對較薄的板并由一排強(qiáng)大的電絕緣螺栓43擠壓，螺栓43穿過成形為相對較厚板的絕緣環(huán)44和金屬環(huán)45。所述螺栓43在所述環(huán)41、42、44和45中精密加工的開口穿過(僅僅顯示了所述感應(yīng)器元件的中心部分)。所述工具襯套72可以由金屬或者絕緣材料制成，取決于感應(yīng)器40的接地方式。所述感應(yīng)器40還包括組合式夾具46，其目的將在下文中解釋。
在插入所述感應(yīng)器40之前，所述軸管叉20和所述叉工具(包括所述叉襯套74和底模76)優(yōu)選的是預(yù)先在磁脈沖焊接裝置70外組裝，具體方式如圖6和7所示。為了便于組裝，所述軸管叉和所述叉襯套74具有相互匹配的錐形表面區(qū)域。在所述軸管叉20上，所述的錐形區(qū)域是作為所述叉臂22的外表面的部分提供的，靠近所述對齊的開口23，如圖6中所示的22a。因?yàn)樗鲚S管叉20通常由毛坯鍛造而成，所述表面區(qū)域22a是在加工完所述開口23和凹槽或凹座25之后原始鍛造表面的剩余。過后，所述表面區(qū)域22a具有鍛造的拔模斜度，通常為大約3至5度。如果所述軸管叉20由另一種方法制成，可以預(yù)先地加工出所述錐形表面區(qū)域。所述叉襯套74的至少一端具有內(nèi)部錐形表面74a，它限定了角度74b(如圖6中稍微夸張的顯示)，該角度74b與所述表面區(qū)域22a的角度相等或接近。同時(shí)，所述叉襯套74可以具有凹座74c(參見圖5)，用于在其中接納銷75的末端。所述底模76設(shè)置在所述叉襯套74內(nèi)，且其中形成有弧形的凹座76a，凹座76a限定了一對相對的底模臂76b。所述底模76還可以包括彈性減震器77。有關(guān)底模76和減震器77的作用將在下文中解釋。
在預(yù)組裝過程中，首先把銷75插入所述叉20的開口23。然后，帶有銷75的叉20插入所述叉襯套74，以致于銷75的末端可沿著凹座74c滑動(dòng)。最后，施加軸向載荷以把叉20壓入叉襯套74內(nèi)的預(yù)定距離處，以使它們的相匹配的錐形表面22a和74a通過摩擦而可靠的連接。接下來，所述底模76可以在預(yù)組裝階段或者是當(dāng)預(yù)先裝配的部件放入所述裝置70之后設(shè)置在所述叉襯套74的內(nèi)部。
現(xiàn)在將解釋在執(zhí)行將所述傳動(dòng)軸管10與所述軸管叉20焊接在一起的磁脈沖焊接的順序操作中所述加熱裝置60和磁脈沖焊接裝置70的使用。所述順序包括加載操作和實(shí)際的焊接操作。首先，如圖5所示，所述傳動(dòng)軸管10設(shè)置在所述冷卻器63和所述加熱感應(yīng)器61內(nèi)，以致于末端部分11設(shè)置在所述感應(yīng)器61內(nèi)，并且管端面12至少近似地與感應(yīng)器61的側(cè)表面61a對齊。驅(qū)動(dòng)插件65軸向地移動(dòng)到冷卻器63的錐形孔中，以夾住傳動(dòng)軸管10，并且冷卻劑(例如水)在冷卻器63的通道64中循環(huán)流動(dòng)。所述叉20、銷75、叉襯套74和底模76是如上所述預(yù)先裝配的，然后插入所述工具襯套72并在其中固定，例如通過把聯(lián)結(jié)螺母73擰到工具襯套72的螺紋端上。所述叉20的頸部部分24相對于所述感應(yīng)器40的適當(dāng)?shù)妮S向和徑向位置是由所述叉襯套74的尺寸限定的。在所述聯(lián)結(jié)螺母73緊固的過程中，所述底模76通過減震環(huán)77驅(qū)動(dòng)，以朝向所述端接頭20軸向地移動(dòng)，直到所述叉臂22的外部接納在形成在底模76中的弧形凹座76a內(nèi)。所述減震環(huán)77優(yōu)選的是足夠軟的，以避免在所述聯(lián)結(jié)螺母73緊固的過程中分離所述叉20和襯套74。如圖6最好地所示，所述叉20的叉臂22接合所述相對的底模臂76b，以便在軸向(即從圖5中看時(shí)是自上而下的)相對于底模臂而積極地定位。
此后，執(zhí)行實(shí)際的焊接操作。高頻交變電流從電源62傳送通過所述加熱感應(yīng)器61，并且充電開關(guān)56閉合以將電能從電源55傳遞到電容器54(參見圖2)。所述交變電流施加足夠長的時(shí)間，以將所述傳動(dòng)軸管10的末端部分11加熱到預(yù)定溫度，該預(yù)定溫度由溫度計(jì)控制，例如紅外溫度計(jì)(未示出)。之后，切斷交變電流，驅(qū)動(dòng)所述插件65從所述冷卻器63中移出，以松開所述傳動(dòng)軸管10，并且借助于線性致動(dòng)器(未示出)或其它的符合要求的機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)所述傳動(dòng)軸管10，使其移動(dòng)通過引導(dǎo)襯套71而進(jìn)入脈沖感應(yīng)器40，以將末端部分11圍繞所述軸管叉20的環(huán)形臺(tái)階24b設(shè)置，優(yōu)選的是與肩24a抵靠，以便限定傳動(dòng)軸管10的端面12的軸向位置。當(dāng)傳動(dòng)軸管10已經(jīng)以上述的方式被正確地定位好時(shí)，驅(qū)動(dòng)組合式夾具46以將傳動(dòng)軸管保持在該位置上。
在所述傳動(dòng)軸管10的端面12與肩24a接觸之前，優(yōu)選的將電容器54充到預(yù)定的電壓。這使得所述放電開關(guān)52可在傳動(dòng)軸管10的端面12接觸肩24a之后馬上閉合(或者僅僅有一個(gè)很短的延時(shí))。因此，隨后激勵(lì)所述感應(yīng)器40執(zhí)行磁脈沖焊接操作，如上所述。
正如先前的討論，在磁脈沖焊接操作時(shí)，傳動(dòng)軸管10的末端部分11以高速?zèng)_擊在叉20的頸部部分24上，在某些情況下，這會(huì)導(dǎo)致所述叉臂22相對于彼此永久地變形，并致使所述開口23的尺寸擴(kuò)大。通過預(yù)熱傳動(dòng)軸管10的末端部分11來減少磁脈沖的能量可以顯著地減少所述叉的變形量。如果變形的水平是可接受的，那么可以使用更簡單的工具。然而，如果上述的永久變形和擴(kuò)大是不能接受的，當(dāng)如上所述軸管叉20通過叉襯套74和底模76接合和支撐時(shí)，可以進(jìn)一步地減少或消除上述的變形。在磁脈沖焊接操作中，叉襯套74防止叉臂22向外彼此分開，從而導(dǎo)致所述頸部部分24向內(nèi)變形。同時(shí)，底模76和減震器77吸收由磁脈沖焊接過程中的沖擊引起的通過叉20傳播的沖擊波的能量，從而消除穿過叉臂22形成的開口23的結(jié)構(gòu)變形。沖擊波降低了叉20的錐形表面22a和與之匹配的叉襯套74的錐形表面74a之間摩擦接合的強(qiáng)度，這有利于在磁脈沖焊接操作結(jié)束之后將所述傳動(dòng)軸從磁脈沖焊接裝置70中卸載。
將要認(rèn)識到的是，冷卻器63的使用不屬于本發(fā)明的磁脈沖焊接過程的必要部分。當(dāng)熱影響的管區(qū)域不得不很小時(shí)，使用冷卻器是有益的，但是加熱源62的功率相對的低，以便于足夠快速的加熱管末端11。如果加熱系統(tǒng)的功率足以在大約4至6秒的時(shí)間提供上述的加熱，那么所述冷卻器63可以完全除去，或者作為選擇，只用簡單的引導(dǎo)襯套來替代。同時(shí)，使用聯(lián)結(jié)螺母73來把預(yù)組裝部件保持在所述工具襯套72內(nèi)是解決這樣的問題的最簡單的方法。當(dāng)然，為了大量生產(chǎn)，也能使用其它的眾所周知的機(jī)械化的和自動(dòng)的工藝裝置。此外，上述的預(yù)裝配操作可以借助于與磁脈沖焊接裝置70結(jié)合的工具執(zhí)行。
如圖8所示，顯示了與將傳動(dòng)軸管10與管軸30磁脈沖焊接在一起相關(guān)的預(yù)熱裝置60和磁脈沖焊接裝置70。實(shí)際的焊接操作與上述的有關(guān)傳動(dòng)軸管10和軸管叉20的磁脈沖焊接操作一致。在這種情況下，提供了具有內(nèi)套筒部分81和外套筒部分82的管軸襯套80。在預(yù)組裝過程中，管軸30插入管軸襯套80的內(nèi)套筒部分81，以便支承部分或者座套部分32精確地設(shè)置在套筒81內(nèi)部。此外，帶花鍵的末端34的封閉花鍵可以與設(shè)在所述內(nèi)套筒部分81內(nèi)側(cè)上的盲槽相對齊。接下來，管軸30和管軸襯套80的組件插入所述工具襯套72內(nèi)。如果需要，可執(zhí)行傳統(tǒng)的定相操作，以使管軸30相對于固定在傳動(dòng)軸管10另一端的軸管叉20正確地角度定位。為了便于連接和使用傳統(tǒng)的定相裝置(未顯示)，所述襯套80的外套筒部分82具有設(shè)在其中的一個(gè)或多個(gè)凹座83。最后，執(zhí)行如上所述的磁脈沖焊接循環(huán)。
對鋁管制成的傳動(dòng)軸焊接是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的許多目的中的一個(gè)。然而，在某些情況下，這樣的方法對于焊接鋼管傳動(dòng)軸是很有利的，尤其是如果所述管由高強(qiáng)度鋼制成并且壁厚非常薄的情況。因?yàn)殇摰膶?dǎo)電率相對較低，在不使用由高導(dǎo)電率材料(例如鋁或者銅)制成的傳動(dòng)元件(板或環(huán))的情況下，對由這樣的材料制成的部件進(jìn)行磁脈沖處理通常是很困難的。為了實(shí)現(xiàn)鋼管的磁脈沖焊接，傳動(dòng)環(huán)通常在把待焊接部分插入所述脈沖感應(yīng)器之前預(yù)先地壓配合到管端上。然而，這樣連接傳動(dòng)環(huán)的便利方法不能用于本發(fā)明，因?yàn)閭鲃?dòng)環(huán)材料的熔化溫度一般比預(yù)熱鋼必需的溫度要低得多。
為了解決這樣的限制，傳動(dòng)環(huán)可以預(yù)先設(shè)置在所述脈沖感應(yīng)器內(nèi)。在預(yù)熱之后，傳動(dòng)環(huán)的內(nèi)徑應(yīng)該比待焊接管端的外徑大，以允許該管端插入該傳動(dòng)環(huán)。定位傳動(dòng)環(huán)最好的方法如圖8所示，其中傳動(dòng)環(huán)90，例如可由薄板材料沖壓而成，其預(yù)先壓配合到裝配頸部35的環(huán)形肩35a上，并且與頸部35一起插入感應(yīng)器40中。傳動(dòng)環(huán)90的形狀可以是不同的，取決于端接頭的結(jié)構(gòu)。為了將傳動(dòng)軸管10的末端部分13與管軸30磁脈沖焊接起來，具有圓柱段91和扁平段92的傳動(dòng)環(huán)90更合適，因?yàn)轭i部35的肩35a的軸向尺寸小。為將傳動(dòng)軸管10的末端部分13焊接到叉20，采用僅具有圓柱段91的傳動(dòng)環(huán)90將會(huì)更加合適。
預(yù)熱和直接磁脈沖焊接的操作與以上的描述相同。通常，在完成磁脈沖焊接過程之后，傳動(dòng)環(huán)90對于焊接接頭是一個(gè)不想要的元件。它可以在焊接之后留下，如果這樣是可接受的話；或者它可以切除。然而，在傳動(dòng)軸管磁脈沖焊接應(yīng)用中，傳動(dòng)環(huán)90(一般是緊緊地折壓或者甚至通過磁脈沖焊接方法焊接在傳動(dòng)軸管末端部分的外表面上)可以被用來通過接觸焊(電阻焊)、弧焊或者其它適當(dāng)?shù)暮附臃椒▉磉B接配重。通常，上述的配重緊鄰所述叉和管軸地焊接到傳動(dòng)軸管上。這些焊點(diǎn)通常是傳動(dòng)軸上最薄弱的地方，疲勞裂縫會(huì)從這些地方開始產(chǎn)生。因此，將所述配重焊接到所述傳動(dòng)環(huán)90提供了解決在所述傳動(dòng)軸總成的生產(chǎn)中遇到的另外的問題的機(jī)會(huì)。所述配重通常由鋼制成，它與任意鋁合金之間的可焊接性是不好的。因?yàn)殂~和許多銅合金沒有上述的問題，因此它們是制作傳動(dòng)環(huán)最好的材料，如果所述傳動(dòng)環(huán)是計(jì)劃用于通過焊接來連接配重的話。
在任何磁脈沖焊接過程中，清潔待焊接金屬表面以提供優(yōu)質(zhì)的焊接連接是一個(gè)重要的步驟。然而，還沒有任何公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)來評價(jià)表面的純凈度，也沒有在磁脈沖焊接工藝中的清潔的方法。通常使用不同的化學(xué)清洗方法，這些方法本身對環(huán)境不友好并具有其它的缺點(diǎn)。為此，為了尋找更好的清潔方法已經(jīng)作了大量的嘗試，但是就焊接連接的品質(zhì)保證而言還沒有發(fā)現(xiàn)可以勝過化學(xué)方法的方法。對傳動(dòng)軸應(yīng)用的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，與其它的機(jī)械方法例如珩磨、砂紙打磨、噴砂和干冰噴射等相比，通過干法切削或利用丙酮或者乙醇的潤滑切削來機(jī)加工金屬的待焊接表面(刮整)，可以獲得最好的效果。然而，就疲勞壽命而言，沒有預(yù)熱的經(jīng)過化學(xué)方法清潔的磁脈沖焊接連接的品質(zhì)比那些在機(jī)械刮整后焊接的要更好。
已發(fā)現(xiàn)，通過干法切削或利用丙酮或者乙醇的潤滑切削來機(jī)械刮整6061-T6鋁合金的待焊接表面都可以使通過本發(fā)明所述的磁脈沖焊接過程得到的焊接連接質(zhì)量比得上化學(xué)清洗方法。
接下來將描述幾個(gè)本發(fā)明所述方法的例子。
例子1使用如圖3a所示的布置，依照本發(fā)明所述的方法，將由6061-T6鋁合金制成的114毫米×2.5毫米的傳動(dòng)軸管的一端與由6061-T6鋁合金制成的一端部叉焊接。依照如圖3b所示的布置，將所述管的第二端與由熱處理的鋼4140制成的管軸焊接。用于支撐端接頭的工具被部分地與圖5和8所示的脈沖感應(yīng)器結(jié)合在一起。依照美國專利No.4,129,846設(shè)置單匝脈沖感應(yīng)器40和脈沖電源50(參見圖2)。電池54具有的電容大約為8.4×10-3F，最大的電壓大約是5kV，最大的的充電能量大約是105kJ。放電電路具有的頻率大約為10kHz，并且如果采用的電池電壓大約為3.5kV則振幅電流大約是1.4MA。感應(yīng)加熱系統(tǒng)60(參見圖3)具有最大功率大約是10kW的電源62和頻率大約30kHz的水冷單匝感應(yīng)器61。預(yù)熱溫度通過Flucke 5III溫度計(jì)測量。焊接之前鋁部件是通過Arcal″WeId-O″(包含5％的氫氟酸)化學(xué)清潔的，并且在冷水中沖洗，而鋼制配件是利用丙酮清潔的。
已發(fā)現(xiàn)，對于由操作者控制的磁脈沖焊接過程來說，對于鋁-鋁和鋁-鋼連接而言，管端預(yù)熱到大約是700到900的溫度是最佳的。還發(fā)現(xiàn)，對于自動(dòng)控制的磁脈沖焊接過程來說，最佳溫度可以更高，例如大約1000。如果所述溫度為750，則最大的電壓為約2.6kV，最大的充電能量是約28.4kJ，對于鋁-鋁和鋁-鋼連接而言，這足夠得到優(yōu)質(zhì)的焊接連接。不預(yù)熱，使用的最大電壓大約是4.0kV，最大的充電能量大約是67.2Id，對于鋁-鋁或鋁-鋼連接而言，這是不足以得到焊痕的。在另一方面，如果所述溫度大于或等于大約400，相對容易用實(shí)驗(yàn)方法找到得到優(yōu)質(zhì)的鋁-鋁連接所必需的最大的電壓。然而，這對于鋁-鋼連接來說卻不容易做到，這是因?yàn)樵诤缚p中形成的脆弱的鋁-鋼的金屬間結(jié)構(gòu)的影響。一般的趨勢是把溫度升的更高，以便于找到提供優(yōu)質(zhì)的鋁-鋼焊接連接所必需的最大的電壓。不使用襯套74和減震器76(參見圖5)的情況下，叉耳變形是可接受的；在緊鄰裝配頸部處塑性更高的小的、圓周方向上均勻的管區(qū)域的存在只是稍微減少了傳動(dòng)軸的最大靜扭矩，且對于延長它的疲勞壽命是非常有利的。在相同的試驗(yàn)條件下通過直接的比較顯示出，依照本發(fā)明所述的磁脈沖焊接方法與那些不預(yù)熱的磁脈沖焊接方法相比使傳動(dòng)軸的疲勞壽命延長了約50％，而與普通的電弧焊相比，疲勞壽命延長了2-3倍。
例子2利用如圖3a和3b所示的布置，依照本發(fā)明所述的方法將由6061-T6鋁合金制造的127毫米×2毫米的傳動(dòng)軸管的兩端與由6061-T6鋁合金制成的端部叉焊接起來。所使用的工具和設(shè)備與以上的描述類似。使用大約750的溫度和最大的電壓大約為2.4kV(最大的充電能量大約為24.2kJ)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)良的鋁-鋁焊接接頭。對在許多軸上的金屬原子連接表面的區(qū)域形狀作超聲波測量并未顯示出存在不均勻性，而此不均勻性會(huì)與單匝加熱感應(yīng)器的縫隙區(qū)域中的不均勻電磁場有關(guān)。因此，利用本發(fā)明，不必如公知的那樣在預(yù)熱過程中旋轉(zhuǎn)管來消除管感應(yīng)加熱的圓周不均勻性。
按照專利法規(guī)，本發(fā)明操作的原理和模式已經(jīng)結(jié)合上面的優(yōu)選實(shí)施例解釋說明清楚了。然而，必須明確的是，在不偏離其精神實(shí)質(zhì)或范圍的情況下，可采用所具體解釋和說明之外的其它方式實(shí)施本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種執(zhí)行磁脈沖焊接操作將第一和第二金屬部件固定在一起的方法，包括以下的步驟(a)提供第一和第二金屬部件；(b)提高第一金屬部件的第一部分的溫度使之軟化，但是基本上不增加靠近所述第一部分的第一金屬部件的第二部分的溫度，也基本上不使之軟化；(c)使第一金屬部件的第一部分相對于第二金屬部件的一部分以軸向重疊的方式設(shè)置，在它們之間留有間隙；(d)將感應(yīng)器相對于所述第一和第二金屬部件軸向重疊的部分設(shè)置；以及(e)給所述感應(yīng)器通電，以使所述第一金屬部件的第一部分變形而接合所述第二金屬部件的那部分，從而將第一和第二金屬部件固定在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述步驟(b)是這樣實(shí)施的，通過將所述第一金屬部件的第一部分設(shè)置在預(yù)熱感應(yīng)器內(nèi)，并且給所述預(yù)熱感應(yīng)器通電來增加所述第一金屬部件的第一部分的溫度以使之軟化。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述步驟(b)進(jìn)一步地是這樣實(shí)施的，在所述預(yù)熱感應(yīng)器通電時(shí)將所述第一金屬部件的第二部分設(shè)置在冷卻裝置內(nèi)，以防止所述第一金屬部件的第二部分的溫度實(shí)質(zhì)性地升高。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述步驟(b)是這樣實(shí)施的，提供的所述冷卻裝置具有與所述第一金屬部件的第二部分接合的插件，從而防止所述第一金屬部件的第二部分的溫度實(shí)質(zhì)性地升高。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述步驟(a)是這樣實(shí)施的，使所述第二金屬部件具有錐形表面，該錐形表面的最大直徑在所述步驟(b)完成之后基本上等于所述第一金屬部件的第一部分的內(nèi)徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其中所述步驟(b)包括給所述第二金屬部件的那部分預(yù)熱的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述步驟(c)的實(shí)施是通過在第一和第二金屬部件上施加軸向力。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述步驟(c)是這樣實(shí)施的，在工具襯套中支撐第二金屬部件，并將所述第一金屬部件的第一部分相對于所述工具襯套和所述第二金屬部件的那部分以軸向重疊的方式設(shè)置。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述步驟(a)是通過提供傳動(dòng)軸管和端接頭實(shí)施的。
10.一種用于執(zhí)行磁脈沖焊接操作將第一和第二金屬部件固定在一起的的方法，包括以下的步驟(a)提供第一和第二金屬部件；(b)提供第一和第二感應(yīng)器；(c)把所述第一金屬部件定向成使得它的第一部分設(shè)置在所述第一感應(yīng)器內(nèi)，并且它的與所述第一部分相鄰的第二部分不是設(shè)置在所述第一感應(yīng)器內(nèi)；(d)給所述第一感應(yīng)器通電，以提高所述第一金屬部件的第一部分的溫度使之軟化，但是基本上不增加所述第一金屬部件的第二部分的溫度，也基本上不使之軟化；(e)使所述第一金屬部件的第一部分相對于第二金屬部件的一部分和所述第二感應(yīng)器以軸向重疊的方式設(shè)置，在所述第一金屬部件的第一部分和所述第二金屬部件的那部分之間留有間隙；以及(f)給所述第二感應(yīng)器通電，以使所述第一金屬部件的第一部分變形而接合所述第二金屬部件的那部分，從而將第一和第二金屬部件固定在一起。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述步驟(b)是這樣實(shí)施的，通過將所述第一金屬部件的第一部分設(shè)置在預(yù)熱感應(yīng)器內(nèi)，以及給所述預(yù)熱感應(yīng)器通電來增加所述第一金屬部件的第一部分的溫度，使之軟化。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述步驟(b)進(jìn)一步地是這樣實(shí)施的，當(dāng)所述預(yù)熱感應(yīng)器通電時(shí)將所述第一金屬部件的第二部分設(shè)置在冷卻裝置內(nèi)，以防止所述第一金屬部件的第二部分的溫度實(shí)質(zhì)性地升高。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述步驟(b)是這樣實(shí)施的，給所述冷卻裝置提供與所述第一金屬部件的第二部分接合的插件，以防止所述第一金屬部件的第二部分的溫度實(shí)質(zhì)性地升高。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述步驟(a)是這樣實(shí)施的，為所述第二金屬部件提供錐形表面，該錐形表面的最大直徑在所述步驟(b)完成之后基本上等于所述第一金屬部件的第一部分的內(nèi)徑。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述方法，其中所述步驟(b)包括給所述第二金屬部件的那部分預(yù)熱的步驟。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述步驟(c)的實(shí)施是通過在第一和第二金屬部件上施加軸向力。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述步驟(c)是這樣實(shí)施的，在工具襯套中支撐所述第二金屬部件，和將所述第一金屬部件的第一部分相對于所述工具襯套和所述第二金屬部件的那部分以軸向重疊的方式設(shè)置。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述步驟(a)是通過提供傳動(dòng)軸管和端接頭實(shí)施的。
19.一種用于執(zhí)行磁脈沖焊接操作將第一和第二金屬部件固定在一起的方法，包括以下的步驟(a)提供脈沖感應(yīng)器和預(yù)熱感應(yīng)器；(b)將第一金屬部件定向成使得它的一部分設(shè)置在所述預(yù)熱感應(yīng)器內(nèi)；(c)給所述預(yù)熱感應(yīng)器通電，以增加所述第一金屬部件的所述部分的溫度，從而基本上減少所述第一金屬部件的相鄰部分的加熱；(d)移動(dòng)所述第一金屬部件，以使其加熱的部分在所述脈沖感應(yīng)器內(nèi)相對于所述第二金屬部件的一部分以軸向重疊的方式且其間具有間隙地設(shè)置；以及(e)給所述脈沖感應(yīng)器通電來執(zhí)行磁脈沖焊接操作，以將所述第一金屬部件的那部分與所述第二金屬部件的那部分固定在一起。
全文摘要
執(zhí)行磁脈沖焊接操作將第一和第二金屬部件(10、20)固定在一起的方法，包括首先提高所述第一金屬部件的第一部分(11)的溫度使之軟化，但是基本上不提高與所述第一部分(11)相鄰的第一金屬部件的第二部分的溫度，也不使所述第二部分軟化。然后，將所述第一金屬部件的第一部分(11)以軸向重疊的方式相對于所述第二金屬部件(20)的一部分設(shè)置，并在其間留有間隙。將感應(yīng)器(40)相對于所述第一和第二金屬部件(10、20)的軸向重疊的部分設(shè)置。給所述感應(yīng)器(40)通電，使得所述第一金屬部件(10)的第一部分(11)變形而接合所述第二金屬部件(20)的那部分，從而將所述第一和第二金屬部件(10、20)固定在一起。
文檔編號B62D27/02GK101065210SQ200580040386
公開日2007年10月31日 申請日期2005年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月24日
發(fā)明者B·A·亞布洛奇尼科夫 申請人:達(dá)納公司