[发明专利]用于固态连接轻质金属的设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于连接轻质金属构件和合金的设备，尤其是铝构件，包括铝合金以及含有轻质金属(尤其是铝)的混合物/复合材料。该设备采用连续挤出的原理，以向与要被连接的构件分离的槽内添加填料金属条，并且剪切变形以在槽中移除表面氧化物。

背景技术

通常，作为最初为了黑色金属的连接而开发的自适应技术，出现了用于连接金属构件的技术。

金属的连接大量采用熔焊而连接，在熔焊中基体金属和合适的焊料都由电弧、电子束或激光束熔化，以使在结晶过程中在焊池的痕迹部分处实现金属与金属的结合。在熔焊中，施加的能量中仅一部分促使焊接，并且从而促使结合。大部分施加的能量导致基体金属的局部加热及形成围绕焊缝的所谓热影响区(在文献中通常被称作HAZ)。该区域存在一个问题，因为所得到的微观结构的改变导致母材永久的机械降解。因此，焊缝区的该特性将会是工程设计中的限制因素，实际上该特性会决定构件的承载能力。此外，过量施加的能量(即热量)导致在焊缝区中高的残余应力以及整体变形和畸变。这些问题在铝的焊接中比在钢的焊接中更显著，因为在铝的情况中采取必要的预防措施的可能性是更困难的，例如通过调节基体金属的化学成分来改变HAZ的微观结构。

通常，采用更有效的焊接方法(例如激光焊接和电子束焊接)来提供狭窄得多的HAZ，就这一点来说这代表显著的改善。然而，这些技术在熔合区中引入了其他问题，涉及抗热裂纹性和气孔形成。此外，这些技术具有设备更昂贵和较不通用的缺点。而且，由于通常不添加焊料因此公差要求更严格。

在过去，进行了多次尝试以开发用于连接轻质金属的替代技术，其中摩擦焊或已知为搅拌摩擦焊(FSW)的变型可能是最出名的。在FSW中，在旋转的工具沿板材之间的界面(边缘)移动的同时，两个要连接在一起的板材坚固地压在彼此上，以去除氧化层，至少对于铝而言该氧化层通常存在于表面上。即使在旋转工具和基体铝板之间的界面处出现相当大的摩擦加热，但是所施加的能量及从而所产生的热量也少于熔焊中的，因而接头附近的基体金属不会熔化并达到液态。因此，搅拌摩擦焊是固态连接技术的一个示例，其与熔焊相比存在改善，因为减少了若干常见的问题，即高的残余应力和热裂纹的形成、孔的形成以及低的耐腐蚀性。另一方面，这种新技术也被一些缺点所妨害，一个缺点是因为不存在采用焊料的可能性，所以要被连接的表面需要彼此精确地匹配的要求。另一个缺点是要被连接的构件必须要用相当大的力来压在彼此上，这意味着本方法需要重而刚硬的设备。最后，甚至这类的摩擦焊也会造成宽的HAZ的形成，其中所造成的微观组织的改变会导致析出的强化金属的永久软化。

在硬钎焊连接的其他方法中，应该提到铆接和粘接。这些方法中的一个或多个对于一些应用领域而言可能是方便的，但是，通常这些方法具有低的防范失效的安全性，因此在承载或负重结构中它们不是实际可行的替代方案。

在WO 03/043 773中，描述了一种用于连接例如铝的轻质金属的构件的特殊方法。这种方法基于连续挤出的原理，目标是减少或消除涉及FSW方法和其他现有技术方法的过热的缺点。在WO 03/043 775中，也主要描述了一种满足要求的设备。尽管这种方法看起来有前景，但是这种方法没有发展到允许其工业使用的水平。

因此，仍然需要一种设备，该设备对基于挤出的铝构件及其他轻质金属构件的工业规模的连接是有用的。

发明内容

发明目标

本发明的目标是提供一种设备，该设备用于基于挤出原理的轻质金属构件的工业规模的连接，因而消除了过热的缺点，使得高的残余应力、变形、热裂纹或腐蚀的特别问题将不是主要的关注点。

最后，目标是提供一种用于轻质金属构件的工业规模的连接的设备，该设备是简单、便宜、可靠和坚固的，并可容易地按比例放大或缩小且可以是自动化的。

本发明涉及特征是权利要求1所述的特点的设备。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。

本设备包括特殊设计的挤出头，该挤出头组成本发明的核心。此外，本设备包括用于轴的驱动设备和马达，本发明还包括用于要被挤出的填料金属条的保持器和给送装置。这些构件可具有任何在现有技术中已知的形式，因此在本文档中不作进一步的描述。

此处所用的术语“轻质金属”应当解释为包括所述轻质金属的合金，尤其是铝及其合金。

所需的结合温度通过利用由变形和摩擦所放出的热量而获得，并且可选择性地结合局部加热，例如电阻加热、感应加热或利用激光束加热的形式。