专利名称：多头－摩擦焊接方法
技术领域：
本发明涉及一种同时对开口或闭合的异型框的接合面进行焊接的多头-摩擦焊接方法。
作为摩擦焊接方法已公知，其中通过相对移动和同时加压产生摩擦，在有待焊接的面上生成必要的熔融能量。在此首先涉及的是线性对称和旋转对称的焊接，所述焊接并不适用于诸如用于窗框和门框的异型杆材等非对称体的焊接。
目前，在采用塑料型材制作窗框和门框时通常的作法是利用镜焊接方法对被切割成斜面的接合面进行连接(DE-A-41 18 258)。作为加压对接焊利用焊镜对这种异型框的斜面进行同时的焊接已经公知，其中利用焊镜将各接合面熔融并将焊镜去掉后将接合面在挤压力的作用下接合在一起(DE-A-1 950 236)。这种多头-加压对接焊的缺点特别在于，加工时间过长，即用于熔融、接合和硬化所需的时间过长。由于加工的热量只能缓慢地由焊缝段流失，所以在加工时形成的很大的不可避免的焊瘤只能在几分钟以后才可以通过切削加工消除掉，特别是在里面部分和角段的该切削加工是非常费工、费时的。由于在不进行焊接的时候也必须将焊镜持续地保持在焊接温度上，因而这种多头-加压对接焊接设备需要非常多的能量。而且在镜的表面将形成氧化皮，所以必须将这层氧化皮消除掉，为此通常必须采用由聚四氟乙烯构成的镜保护覆层，此点又提高了制作成本。
所以本发明的目的在于，提出一种多头-摩擦焊接方法和一种实施此方法适用的装置，其中克服了在采用多头-加压对接焊接时存在的缺点并且可同时以与镜焊接方法相比大大缩短的加工时间并且不会形成大的焊瘤的情况下实现由异型杆材构成的异型框的多个和所有的接合面的焊接。
就多头-摩擦焊接方法而言，根据发明该目的的实现方案是，将异型框的各个异型杆材在接合面两侧附近固定夹紧在摩擦焊接头内和将接合面相互顶压，利用摩擦焊接头使接合面两侧的自由端置于振动状态，其中两个摩擦焊接头基本在X、Z-和Y、Z-方向基本反相振动，和配属给每个异型杆材的两个自由端的摩擦焊接头同样基本反相振动。出于实现在异型型材纵向上尽可能小的合矢量的考虑，两个摩擦焊接头相位固定偏移180°进行振动。
采取本发明的措施的优点是，由于大大缩短了加工时间，因而明显地提高了异型框的制作经济性。此点是通过熔融时间以及接合-和硬化时间特别短并且通常等于或小于1分钟实现的。由于仅需加入很少的加工热量，所以不会形成很大的焊瘤。所以通常紧接着焊接过程即可开始对外表面的处理，即尚在固定-/冷却时可开始处理，此点被证明是特别有益的。
为了尽可能避免在同时对异型框的接合面进行焊接时出现不可靠和不可再现的焊接过程，根据本发明，摩擦焊接头由反相相位开始同步起振，和在焊接过程中对摩擦焊接头的相角精确地进行调节或控制。
根据本发明一特别有益的设计，由摩擦焊接头以椭圆形的振动对异型杆材的自由端加载。在椭圆形振动的特殊情况下，即采用循环振动，则可以形成特别有利的前提条件，这是因为通过摩擦焊接头的同步可以促使沿被夹固的异型材的轴向上产生的合矢量可以不受限制地振动并不会将纵向力加在异型材夹固件上。作为加在异型材上的力仅是具有很小的纵向的合矢量的径向力，因此由于180°的相移将产生在异型材加固件之间的轴向振动的转动。同时不会产生向外的自由力矩。
当椭圆轴a或b接近于零时，本发明的优点也适用于椭圆振动的极限条件。
采用多头-摩擦焊接方法对由塑料型材制成的门异型型材和窗异型型材进行焊接是特别有益的。为此根据本发明在直至将接合面贴合的焊接之前将门框或窗框设置在安装平面上，用异型材夹固件使异型杆材的端部的摩擦焊接头贴邻接合面并且在焊接时进行进给并且根据振动频率、振幅和挤压力等参数短时间地启动，以便同时将摩擦焊接能加入所有的接合面上。
在一个四角框的情况下，其中每个斜切面或接合平面分别有两个振动头，相移为180°以及振动头同步，可以实现沿被夹固的异型型材的合矢量的自由振动并且没有纵向力作用在异型材夹固件上。由于相移180°，所以所有异型杆材轴向上同时顺时针并接着又逆时针振动。另外在每个异型杆材的相对端上产生循环移动，所述异型杆材循环移动抵消掉在接合平面上的相邻的异型框的相对端反相循环移动，从而就接合平面而言不会有向外的自由力矩起作用。在此情况下可以相对地消除自由力矩，因而对于摩擦焊接方法的设计是特别有益的。
为实现根据本发明的方法对开口的或闭合的异型框的接合面的焊接，根据本发明采用一个具有多个，优选四个在床身上可进给设置的摩擦焊接单元的多头-摩擦焊接装置。其中摩擦焊接单元由两个摩擦焊接头构成，摩擦焊接头的振动板分别与夹固单元固定连接，每个夹固单元具有一个以第二夹固板为基准可相对移动的第一夹固板，异型框的异型杆材的自由端分别被该第一夹固板夹固，两个配属给接合面的摩擦焊接头利用其夹固单元被相对可运行地固定在安装板上，使其抵住接合平面并向异型框的精确的尺寸进给，并且安装板用于对摩擦焊接头进行定位，在床身的平行的导轨和/或可调的角导轨上向接合平面的角位置移动并旋转对准接合面。
由于根据本发明安装在安装板上的摩擦焊接头和分别与前者连接的夹固单元进给时在接合平面的方向上反向移动并且另外有待焊接的框的进给是同步的，因而可以以简单的方式在保持所需的异型框的精确的尺寸的情况下实现焊接。
由于由塑料构成的异型杆材的内部具有的连接条很细，所以不能承受过高的夹固力，所以根据本发明，为对作用于塑料异型杆材的夹固力进行限制，采用金属衬垫，所述金属衬垫分别小于异型杆材的夹固尺寸的1/10mm至10/10mm。与摩擦焊接头的振动板连接的夹固单元具有一个异型杆材的U-形容纳段，其中在U-形容纳段内设置有一个第一移动夹固板，所述第一夹固板利用一异型夹固缸，优选利用一汽缸垂直抵住嵌入的异型杆材实现对后者的夹固，其中异型杆材支承在一作为反压面的U-形容纳段的一个腿件上。
最后夹固单元的俯视形状优选为一直角三角形，其中U-形容纳段的基座垂直于接合平面。通过夹固单元的该设计既可以实现对相互钝头连接的异型杆材，又可以实现几乎任意的斜切角的情况下相互贴合的接合面在夹固单元中的紧固，以便可以保证总是垂直于接合平面的进给。
为了对具有相应较短的异型杆材的窗框进行焊接时也可以采用本发明的摩擦焊接装置，其中标准的窗子的最小框长通常为26cm，根据本发明用于对摩擦焊接头进行驱动的电动机与振动头平行并位于其后并对振动头通过齿形带驱动。采用此方式可以使两个设置在相邻的接合平面上的摩擦焊接头相互紧邻设置，因而对即使最短的异型杆材也可以实现焊接。
下面将对照实施例并结合权利要求和附图对本发明的优点和特征加以说明。图中示出
图1为用于说明本发明的工作方式的异型框的示意图；图2为摩擦焊接单元以及两个线性的有待焊接的异型杆材段的俯视图；图3为图2示出的摩擦焊接头在北-南向的侧视图；图4略有放大的夹固单元的放大侧视图；图5为摩擦焊接头及两个焊接成直角的异型型材段的俯视图；图6为在将一直的异型杆材与一弧形型材焊接时的摩擦焊接单元的俯视图；图7为在焊接一直角的异型框时的多头-摩擦焊接单元的俯视图；和图8为在制作非直角连接时的异型框的多头-摩擦焊接头。
在下面的对实施例的说明中将对相同的部件用相同的附图标记加以标示。
图1示出一个具有四个异型杆材1、2、3和4的多角框，所述异型杆材在纵向上成45°伸展的接合面上相互连接在一起，图中示出本发明的工作原理。
利用一下面举例说明的具有两个摩擦焊接头44的摩擦焊接单元30将用于实现摩擦焊接接合加入的振动能加在有待焊接的角段上。为此每个摩擦焊接头44具有一个夹固单元64，利用该夹固单元64将异型杆材端固定并将振动能加在该端上。两个摩擦焊接头44在摩擦焊接单元30中的设置应使在接合平面上的接合面相互抵压在一起。利用摩擦焊接头44使被夹持在夹固单元64内的异型杆材1、2、3和4端在接合平面两侧振动，从而使相互贴在一起的接合面进行基本反相的振动，所述振动通过局部摩擦造成异型框的非对称或非旋转对称的端部的融化。反相振动优选由轨道-以及循环振动构成。这种加入振动能的方式将允许采用较低的工作频率并因而可以避免生成令人难以忍受的躁声。
另外根据本发明，在四角框的每个斜角处设置有一个具有两个摩擦焊接头44的摩擦焊接单元30，其中对摩擦焊接头进行控制，使其分别在每个异型杆材1、2、3和4的相对的自由端上同时进行基本反相的振动。因此在所有振动头44同时同步的前提下可以使在异型杆材的纵向上基本不会出现牵拉力以及压力，而是合矢量20与异型杆材一起自由振动。
所以在图1中所示的四角框中必须对8个作用在框上的摩擦焊接头44进行同步，使同时分别在四个角点接合面两侧的相邻的异型杆材4∶1，1∶2，2∶3，3∶4在X、Z-和Y、Z-方向基本反相地进行振动。其中要注意的是，使每个异型杆材的自由端同样基本反相地振动。就图1中所示出的循环振动而言，振动11、12、13和14与振动15、16、17和18反相。由于加入的振动能的相位的不同，因而振动被分解成轴向和径向分量，使与合矢量20相符的轴向分量对异型框的所有异型杆材的振动总是同向的，并因而在异型框上不会产生牵拉力和压力。其中径向分量21、22、23和24的振动与径向分量25、26、27和28反相。从而在角4∶1；1∶2；2∶3和3∶4的接合面上进行反相的摩擦振动，该摩擦振动使在接合平面上的异型杆材的材料液化并使之在垂直作用于接合平面的压力作用下相互融合并将两个异型杆材连接在一起。在摩擦过程中局部产生的有限热量仅少量地进入异型杆材，从而在摩擦过程后异型杆材可以实现非常迅速的冷却。
作为摩擦焊接过程的参数产生四个量值，即振动的频率和振幅以及压力和两个接合面被相互挤压在一起的时间。
就一个加在所有异型杆材的循环振动的频率而言，分别根据异型杆材采用的材料的不同频率在20Hz和500Hz之间，其中振动的最大的振幅小于3mm。焊接冷却的时间小于30秒。
在特殊的情况下，即一个异型杆材或异型杆材端被固定并将振动加入下一个异型杆材以及下一个异型杆材端时，则被固定的异型杆材以及异型杆材端的频率为0Hz。
分别根据异型杆材所采用的材料的不同，频率值的差异很大。在采用E-形的大约为2800Nm的热塑塑料(聚氯乙烯)在室温条件下预期在其振动频率为75Hz并且振幅大约为0.4mm时焊接过程在几秒钟后即可以结束。该条件对避免躁声的出现是非常有利的。
如在DE-OS4436857中披露的一种摩擦焊接头特别适用于实施上述的摩擦焊接。采用这种摩擦焊接头的优点是，可以很容易地实现多个摩擦焊接头的同步并可以实现非常好的起振同步，从而以所需的相位开始摩擦焊接过程并可可靠地保持各个摩擦焊接头之间的相位。在采用这种已知的实施方式时，摩擦焊接头配备有控制偏心轮和一个平行导轨，通过前两者输入端的旋转能被转换成循环平行导向的移动能。为实现起振同步，各摩擦焊接头的所有偏心轮被置于满偏转并且接着将每个第二个摩擦焊接头置于偏移180°的初始相位。在反相的位置异型杆材被夹固并且接着启动进行摩擦焊接的摩擦焊接头。
图2为具有两个这种已知的振动头的摩擦焊接单元的俯视图。该摩擦焊接单元30设置在与基板31可相对旋转的转盘32上，转盘32的旋转方位可利用一固定螺钉33进行固定。在转盘32上固定有一个安装板35，所述安装板35可在如图2中所示北-南方向上移动。为此设置有一个轴向缸37，该轴向缸的位移轴36作用于安装板35并可使安装板35沿在滚珠轴套导向件39中的导向轴38前后移动。在安装板35上滑板40的一侧在异型导轨上可在如图2所示东-西向移动。
在滑板40上分别安装有两个配属于摩擦焊接单元30和在下面被称作偏心振动头44的摩擦焊接头，所述摩擦焊接头分别由一电动机46优选利用一齿形带47驱动。该电动机46优选在北-南向上设置在偏心振动头44的后面，以便使摩擦焊接单元30的结构尽可能地窄，从而实现对尽可能短的异型杆材构成的异型框的摩擦焊接。
利用轴缸50可以实现滑板40和偏心振动头44垂直于图2所示的北-南向的移动，所述轴缸50固定在安装板35两侧的壁51上。由轴缸50伸出的缸杆52固定在配属的滑板40上并能实现滑板向位于偏心振动头之间的同样北-南向伸展的接合平面的移动。为实现固定在安装壁50上的导向杆53的导向，为此必须保证滑板40的无倾斜的移动。但其它任意的移动装置也是适宜的。这些导向杆同样可以与惯用方式的滚珠轴套导向件配合。
由偏心振动头44通过偏心轴60和振动板62将摩擦焊接所需的振动能传递给夹固单元64。夹固单元的俯视形状为一个直角三角形并且在图4所示的侧视图中具有一U-形的容纳段71，所述容纳段的基座65垂直于接合平面伸展。在俯视图中呈三角形的上腿66和下腿67对有待加工的异型杆材的整个宽度进行夹固，所述异型杆材利用夹板68固定在U-形的容纳段71内。夹板68利用异型夹固缸69垂直抵住嵌入的异型杆材实现对其的夹固。为对例如热塑塑料异型杆材承受的夹固力进行限制，可以在夹固单元64的U-形容纳段71内嵌入金属衬垫72，所述金属衬垫例如小于塑料异型型材的尺寸2/10mm并因而可以对由异型夹固缸69所加的多余的力吸收。因而可以实现对夹持力的限制，当然在确定摩擦焊接的参数时必须对此加以考虑。
在图2所示的摩擦焊接单元30的夹固单元64中绘出了两个异型杆材70的部分段，所述异型杆材在接合平面上相互钝焊接。在图5中示出在45°角焊接时的异型杆材的设置，而在图6中示出一直的异型杆材与一成弧形的异型杆材75的焊接。
由上述的描述可以得出，采用夹固单元64的上腿件66和下腿件67可以实现两个异型杆材的几乎任意角度的焊接。
在图7中示出一对直角的四角-异型框进行焊接时的多头-摩擦焊接装置。为了实现对四个角的同时焊接，必须将摩擦焊接单元30首先置放在一个位置上，使异型杆材1、2、3和4的接合面相互贴合嵌入夹固单元64内。为此摩擦焊接单元30相应可移动地设置在床身80上，在图中用设置在摩擦焊接单元侧的双箭头示出该移动。由于对此有多种惯用的措施供使用，所以对用于移动各摩擦焊接单元的装置不再赘述。
在将异型杆材1、2、3和4精确吻合地嵌入各摩擦焊接单元30后并在夹紧前，通过上述的起振同步可以使所有的摩擦焊接头相位正确地起振，以避免在夹固状态下出现移动。摩擦移动的协调配合可以实现多个角的同时焊接，其中如上所述异型杆材上的纵向力实际上是不相关的。此点还满足了焊接时对夹固异型杆材的夹固力应相对较小的要求。在加入振动能的整个时间内接合面被压力加载，以便随着材料的软化实现精确地与最终尺寸相符的异型框的焊接。
在图8中示出在图7中所述的多头-摩擦焊接装置对具有大于或小于90°的角连接的四角-异型框的摩擦焊接。其中图中所示的右上角的接合面的斜切角度大于45°，同时右下角的斜切角度小于45°。为了实现在接合平面上的接合面上的正确位置并使摩擦焊接头对准接合面，使转盘32对基板31做相对旋转并利用固定螺钉33将转盘固定在一相应的导向槽上。在将摩擦焊接单元30对准接合平面和在床身80上相应的移动摩擦焊接单元30之后，并在将异型杆材嵌入并夹固在摩擦焊接单元之后，根据上述步骤对异型框进行焊接。为了即使在此情况下也要尽可能地避免在轴向上出现合矢量，必须将加入的振动的振幅与斜切角适配。其中对小于45°的锐角要调整到比大于45°的角要小的振幅。
由于在进行摩擦焊接时根据本发明的措施焊接深度非常小，因而冷却时间很短并因此产生的焊刺很小，所以在必要时也仅需要很少的后期处理。如果需要将焊刺，尤其是异型框内部段上的焊刺去除掉，则可以紧接着摩擦焊接之后进行。
本发明的措施主要优点在于，与镜焊接相比焊接处理的时间明显的要短并且由于焊缝可以迅速冷却，所以可以在焊接后直接进行消除焊刺的对焊接段的后期处理。
尽管未做详述，但采取本发明的措施也可以毫无困难地制作具有一个、两个或三个角或偶数的角的开口的框和具有四个以上的奇数角的闭合的框。
上述描述建立在利用偏心振动头加入循环振动的基础上的，其中可以实现大约100％的能量加入。当然只要满足相位和偏心振动头同步的要求，也可以采用诸如椭圆和线性振动方式等其它振动方式。
权利要求
1.一种用于同时对开口的或闭合的型框的接合面进行多头-摩擦焊接的方法，其特征在于，将型框各个异型杆材接合面两侧附近固定夹紧在摩擦焊接头内和将接合面相互顶压，利用摩擦焊接头使接合面两侧的自由端置于振动状态，其中两个摩擦焊接头在X、Z-和Y、Z-方向基本反相振动，和配属给每个异型杆材的两个自由端的摩擦焊接头同样基本反相振动。
2.按照权利要求1所述的多头-摩擦焊接方法，其特征在于，两个摩擦焊接头相移180°振动。
3.按照权利要求1所述的多头-摩擦焊接方法，其特征在于，摩擦焊接头由反相相位开始同步起振，和在焊接过程中对摩擦焊接头的相角精确的调节或控制。
4.按照权利要求1、2或3所述的多头-摩擦焊接方法，其特征在于，由摩擦焊接头以椭圆形的振动对异型杆材的自由端加载。
5.按照权利要求1至4中任一项所述的多头-摩擦焊接方法，其特征在于，所述方法用于对由塑料-或金属异型材构成的门框和窗框进行焊接。
6.按照权利要求5所述的多头-摩擦焊接方法，其特征在于，在焊接前直至接合面贴合在一起将窗框设置在一个安装平面上，利用异型夹将摩擦焊接头在异型杆材端在接合面附近位置进行紧固并在焊接时进行进给，在将摩擦焊接能加入所有的接合面的同时根据振动频率、振动幅度和夹紧压力等参数使摩擦焊接头短时间地工作。
7.按照权利要求6所述的多头-摩擦焊接方法，其特征在于，在对窗异型框焊接前将平板玻璃及填充材料嵌入玻璃嵌槽中。
8.在按照权利要求1至7中任一项或多项所述的多头-摩擦焊接方法，其特征在于，用频率为20Hz至500Hz和振幅＜3mm的循环振动对异型杆材进行短于30秒钟的加载。
9.一种多头-摩擦焊接装置，具有多个，优选四个可进给设置在一床身(80)上的摩擦焊接单元(30)，用于对开口和闭合的异型框的接合面进行焊接，所述多头-摩擦焊接装置用于实施按照权利要求1至8中任一项或多项所述的方法，其特征在于，摩擦焊接单元(30)由两个摩擦焊接头(44)构成，其振动板(62)分别与一夹固单元(64)固定连接，每个夹固单元(64)具有一个以第二夹固板(下腿件67)为基准可相对移动的第一夹固板(68)，异型框的异型杆材(70)的自由端分别被该第一夹固板(68)加固，两个配属给接合面的摩擦焊接头(64)利用其夹固单元(64)被相对可运行地固定在安装板(35)上，使其向接合面进给，并且安装板(35)用于对摩擦焊接头(44)进行定位，在床身(80)上平行的导轨和/或可调的角导轨上向接合平面的接合面的角位置移动并旋转对准接合平面。
10.按照权利要求9所述的多头-摩擦焊接装置，其特征在于，安装在安装板(35)上的摩擦焊接头(44)和分别与前者连接的夹固单元(64)可向接合面的方向逆向移动，并且对向有待焊接的框的端规的进给进行同步。
11.按照权利要求10所述的多头-摩擦焊接装置，其特征在于，为对加在塑料异型杆材的夹固力进行限制采用金属衬垫，所述金属衬垫分别小于异型杆材夹固量1/10至10/10mm。
12.按照权利要求8至11中任一项所述的多头-摩擦焊接装置，其特征在于，与振动板(62)连接的夹固单元(64)具有一用于容纳异型杆材(70)的容纳段(71)和第一可移动的夹固板(68)，并且第一夹固板(68)利用异型紧固缸(69)，优选利用气动缸垂直抵住嵌入的异型杆材(70)，对其实现夹固。
13.按照权利要求8至12中任一项或多项所述的多头-摩擦焊接装置，其特征在于，夹固单元(64)具有一成直角三角形的俯视形状，其中U-形容纳段(71)的基座(65)垂直于接合平面。
14.按照权利要求8至13中任一项或多项所述的多头-摩擦焊接装置，其特征在于，用于驱动其中一个摩擦焊接头(44)的电动机(46)平行地位于摩擦焊接头的后面并通过一齿形带(47)对摩擦焊接头进行驱动。
15.按照权利要求8至14中任一项或多项所述的多头-摩擦焊接装置，其特征在于，安装有用于对在相邻的双-摩擦焊接单元(30)之间出现的内部力进行吸收的连锁杆。
全文摘要
在制作斜面焊接的异型型材(1、2、3、4)以及异型框时,采用摩擦焊接单元进行摩擦焊接,利用该摩擦焊接单元既可以制作开口的又可以制作闭合的异型框。根据一特殊的实施方式,在进行多头－摩擦焊接时可以以非常短的时间和非常小的焊刺同时实现所有的斜面焊接。
文档编号B29C65/06GK1370109SQ00811755
公开日2002年9月18日 申请日期2000年6月20日 优先权日1999年8月12日
发明者莱昂哈德·克拉塞尔 申请人:莱昂哈德·克拉塞尔