专利名称：用于制造材料结合的连接的方法和空心型材连接件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有权利要求1所述特征的用于制造材料结合的连接的方法。此外，本发明还涉及一种具有权利要求21所述特征的空心型材连接件。
背景技术：
为了连接由钢和铝材制成的各构件，常常使用非热接合方法，例如铆接或螺栓连接。在此，不同的构件通过铆钉或者螺栓的形锁合被相互连接。但是，由于其点状的力传递， 这种连接的强度总是受到限制的。并且为了装入铆钉或者螺栓，原则上也需要去除材料，其带来了在连接部位的区域中额外的削弱。钢-铝-混合构件的转变具有大的重量减少潜力，并且改善尤其是在航空航天以及汽车技术领域中的产品性能。用于连接由不同的材料制成的混合构件的另一种可能性在于通过粘接连接。但是粘接连接常常不提供这样制造的连接的所要求的生产精度或耐久性。力传递的大小通过粘接受到很大的限制。此外，之前所述的冷接合方法，例如铆接工艺或粘接工艺常常不能带来必需的稳定性。此外，由现有技术也已知热接合方法，利用这种方法可以把钢合金和铝合金材料结合的相互连接。尽管这两种合金种类的熔点差别很大，但是仍能够实现材料结合的焊接。 这种焊接方法称为钎焊方法。在此由铝合金制成的构件被熔化并且与由钢制成的构件进行材料结合的连接。由钢制成的构件在这里被涂层，使得焊缝金属与涂层交联。因此，在铝构件的情况下，出现熔焊过程，在钢构件的情况下，则出现钎焊过程。在现有技术中已知的钎焊连接的缺点是，这种连接仅仅具有受限制的强度。由DE102007060116A1已知钢管-铝-浇注连接，所述钢管-铝-浇注连接借助于钢管与铝焊料填料的形锁合的环绕焊接实现。在这里首先是对钢管的一侧的部段进行扩径并且由浇注材料制成的构件设置在钢管的已扩径的部段上，随后这样地焊接由浇注材料制成的构件，使得钢管的已扩径的部段至少部分地被形锁合地包围。借此实现，钢管的已扩径的部段通过焊缝金属从后面嵌接并且因此保证在钢管的径向上和在轴向上的牢固的连接。按照DE102007060116A1的连接的缺点是，为了保证熔体流到钢管上，必须用熔剂进行加工。这样的熔剂常常具有高的腐蚀性因而对这样制造的连接的耐久性有不利影响。
发明内容
因此，本发明的目的是，提供一种用于连接钢材料和铝合金的方法，借此实现一种具有高强度的和长耐久性的连接，所述连接能相对简单且成本低廉地制造。上述目的将通过按照权利要求1所述的在由钢制成的空心型材和由铝材制成的构件之间制造材料结合的连接的方法来解决。此外，上述目的还通过按照权利要求1至20中任一项所述的方法制造的空心型材连接件来实现。
本发明的有利的其它结构形式是从属权利要求的内容。用于在由钢制成的空心型材和由铝制成的构件之间制造材料结合的连接的按照本发明的方法具有下述方法特征-提供空心型材和构件，-在待连接位置上将空心型材和构件相互对准，其中空心型材的一个端部放置在所述构件的突起部上，-通过保护气体焊接过程使空心型材的所述端部与所述构件热接合，其中焊炬在焊接位置PA相对于轴向方向成20° 40°的β角朝向待制造的接合缝设置，其中所述轴向方向与空心型材的纵轴线平行地定向。按照本发明，借此所产生的主要优点是，在钢制空心型材和铝构件之间的材料结合的连接是足够的，而不需要额外的涂层过程，尤其是钢制空心型材的涂层过程。保护气体焊接过程在这里可以在连续的焊接过程中实现或在多个阶段中实现。例如，也可以考虑以多个焊接层实现焊接。将焊炬按照本发明地设置在焊接位置PA中意味着在凹的焊接位置或焊接地点上进行对接焊缝和/或角焊缝的水平焊接。通过使焊炬相对于待连接的构件的纵轴线成20° 40°角朝向待制造的接合缝设置，因此产生特别有利的热量输入，从而按照本发明的混合连接无需对钢管进行花费巨大的涂层处理地形成材料结合的连接，这在提高生产精度的同时也节省了大量的成本。另一个优点是，通常锌涂层用于钢制空心型材并且因此在生产车间也存在提高的劳动保护措施，其形式为抽吸装置和防溅射装置。这种耗费巨大且危害健康的措施也通过按本发明的连接方法而大幅下降。在另一个优选的实施方案中，保护气体具有氩气和氦气的组分，尤其是组分为 70%的氩气和30%的氦气。这种保护气体组分也特别对待制造的材料结合的连接有积极的影响，从而阻止熔化的铝焊缝金属燃烧和/或溅射，从而在此又保证特别有利的热量输入， 尤其是把热量输入到钢制的空心型材中。结果是产生具有微少的气态夹杂物并且生产特别安全的焊缝的接合区。在焊接过程中，焊炬构造成优选固定的，而待连接的构件相对于其运动，在此优选进行插入式焊接。正是从生产技术角度考虑，通过固定式的焊炬能够特别生产安全地制造出高品质的接合缝。通过固定的焊炬和能相对于其设置的并且在焊接过程中相对运移动的焊接区，提高生产精度并且对待制造的焊接连接产生有利的影响。有利地，进行插入式焊接，即，焊炬跟随着电弧，其中实现在接合区的插入。这也有利于焊炬将热量导入待制造的接合区中。此外，已经证明有利的是，焊炬除了焊接位置PA以及沿焊炬的进给方向与纵轴线成20° 40°的β角，焊炬在径向上以α角向外倾斜。该α角也涉及焊炬相对于纵轴线的角并且角范围是20° 50°，但是与β角不同的是，所述α角在径向上相对于待制造的焊缝倾斜。除了关于焊接方向成β角，焊炬还以α角垂直于焊接方向向外倾斜。因此，α角是在径向方向上相对于待接合的构件定向，而β角在切线方向上定向。焊炬移动经过待制造的接合区的焊接速度或者说在按照本发明的范围内接合区相对于焊炬移动的焊接速度在9mm/s和16mm/s之间的范围内选择。特别是在按照本发明的范围内使用焊接填料，其中焊丝进给速度在7m/min和lOm/min之间的范围内选择。这尤其适用于Imm和1. 6mm之间的焊丝直径，尤其是1. 2mm的焊丝直径。在特别优选的实施方案中，为了热接合，实施脉冲的惰性气体保护金属极电弧焊 (MIG)。此外，优选使用由铝合金制成的焊接填料。在本方法的另外的有利的实施方案中，热接合以及在构件和空心型材之间的材料结合的连接的与其相关的制造通过形锁合的连接来补充。所述形锁合的连接通过在构件和空心型材之间的添加焊缝金属或焊接填料而生成。这样制造的材料结合的连接因此在其强度上通过形锁合而进一步提高。此外，有利的是，铝构件构造成铸件或者铣削件，并且构件在压装之前在用于空心型材的接纳区域中被切削加工。因此可以实现，将待压装的空心型材精确地放置在铝构件上。此外，加工公差也可以被限制到最低程度。铝构件优选有一个接纳芯棒，空心型材就被压装到该接纳芯棒上。通过在接纳芯棒和空心型材之间所产生的压配合在两个构件之间生成力锁合的连接。该力锁合的连接额外地补充材料结合的连接，并且在额外的形锁合的的情况下，补充在两个构件之间的组合的材料结合的连接和形锁合的连接。因而混合构件连接的强度进一步提高。在另一个优选的实施方式中，接纳芯棒在其自由端有倒角并且有一个长度，空心型材就是在该长度上被压装到接纳芯棒上。角度应该在20°和60°之间的范围内。该长度应当优选在8mm和60mm之间。通过该倒角，可以特别容易地把两个构件接合在一起，方法是，在压装过程开始时通过倒角给空心型材定中心，并且因此在接纳区域中可以容易地空心型材把压到接纳芯棒上。通过选择接纳芯棒的长度和形状可以影响力锁合的连接的强度，其中在接纳芯棒的长度较大时，可以提供大的力锁合的连接。与此相对，在接纳芯棒的长度较小时，提供较小的力锁合连接。倒角在此可以通过半径或高脚杯形状或郁金香形状构成。在按照本发明的优选的结构形式中，构件具有围绕着接纳芯棒延伸的槽形的凹部，用于接纳空心型材的变型区域，该槽形的凹部具有一个在两侧具有一半径的曲面的部分区域。优选半径在Imm和18mm之间。通过所述槽形的凹部与空心型材的变型区域的组合可以使两个构件通过焊接形锁合和材料结合地接合。在此，相对于接纳芯棒，槽形的凹部在外侧用于接纳焊缝金属并且在内侧用于接纳空心型材的变型区域。在外侧通过材料结合的连接与构件连接的焊缝金属因此形成了空心型材的变型区域的背面嵌接 (Hinterschneidung)。由此产生形锁合连接，其在静态或动态的拉伸负载，弯曲负载和扭转负载时导致特别高的强度。优选地，槽形的凹部在内侧通过接纳芯棒并且在外侧通过接纳凸起进行限制。该接纳凸起在此应该具有优选在3mm和IOmm之间的高度。同样地，该接纳凸起在其指向接纳芯棒的一侧相对于接纳芯棒的纵轴线成角度地延伸。该角度应当优选在20° 60°之间。 为了接纳焊缝金属和焊接填料，接纳凸起的上述特性在热接合时提供最优化的特性。优选地，在压装之前，空心型材在其一个待压装的端部上被变型和/或定径。有利地，通过把待压装的端部扩径成一个轮缘实施变形过程。在此，空心型材在连接区域中可以具有不同的横截面，尤其是圆形的横截面。同时，非圆形的，椭圆形的和角形的横截面也是可行的。变形因而应当与相应的轮廓类型相匹配。根据所使用的轮廓类型，在构件上对空心型材进行定径和定向，方法是空心型材的内部轮廓结合接纳芯棒使空心型材和构件相互对齐。按照本发明，空心型材和构件可以构造成四角形的或多角形的。优选地，在空心型材的待压装的端部上的变形时，在空心型材的内侧形成一个半径，该半径与槽形的凹部的内半径相同。在空心型材和构件之间所实现的压紧连接因此在端部区域没有在空心型材和构件之间的缝隙。因此排除，环境空气在热接合期间进入熔体中，其会导致差的焊接结果。同样地，也不会有来自周围环境空气的湿气进入这样制造的压紧连接中，从而不会造成缝隙腐蚀。这两个优点提高了这样制造的连接的强度和耐久性。此外，把空心型材在接纳芯棒上的镦锻也作为按照本发明的一种实施方案。通过镦锻，省去对空心型材进行机械的精加工。在另一个优选的实施方式中，在空心型材的变形的端部上在空心型材端的外侧对空心型材去毛刺。在此有利的是，在热接合过程中通过去毛刺端使在空心型材和构件之间所产生的缝隙减到最小。这同样导致这样制造的连接的强度和耐久性的改善。在一个有利的实施方式中，热接合可以单层或多层地实施。通过多层地实施接合过程可以有针对性地提出连接的要求。优点由提高的强度和在焊接区的小的热影响得出。 在多层焊接过程中，不必通过仅仅一个过程材料结合地连接许多的焊缝金属，焊接填料可以施设在多个层中。此外，有利的是，在多层的实施方式的接合过程中，在施设不同的焊接层之间对焊缝进行机械、物理和/或化学清洁。这样的清洁例如通过干冰射流实现。与未被处理的焊缝相比，清洁过的焊缝导致改善的连接并且导致对于以后待施设的焊缝更好的焊接结果。本发明的主题也涉及一种按照上述方法制造的空心型材连接件。由钢制成的空心型材与由铝材制成的构件材料结合且力锁合地连接。空心型材被压装在构件上并且额外地与该构件热接合。根据当前的几何形状可以额外地通过形锁合对所述连接进行补充。
本发明的其它优点、特征，特性和观点从下述说明得出，优选实施方式借助于附图示出。这些附图仅仅用于简单地理解本发明。附图中图1示出用按照本发明的方法制造的混合构件的横截面图；图2示出按照本发明的混合构件的第二实施变型方式的横截面图；图3示出用按照本发明的方法制造的具有两个焊层的混合构件的详图；图4示出相对于待制造的焊缝成一定角度的焊炬；图5示出按照本发明的方法的焊炬和焊接位置PA，以及图6示出按照本发明的方法的焊炬和焊接位置PA和插入式焊接运动。在这些图中，对于相同或相似的构件使用同样的附图标记，为简单起见取消了重复说明。
具体实施例方式图1示出用按照本发明的方法制造的混合构件1的横截面图。混合构件1在此包括一个由钢制成的空心型材2和一个由铝制成的构件3。空心型材2在其接近于构件3的端部4设计成直线形的。该空心型材安装在构件3的管对接形状的(rohrstumpfKrmingen) 突起部5上。在本发明的范围内，在管对接形状的突起部5和空心型材2的端部4之间也可以形成压合座6。在空心型材2的端部4和构件3之间制造材料结合的连接。材料结合的连接的特征在于，其也通过接合缝7、焊接填料和在此没有示出的焊炬在接合区8中制出。图2示出用按照本发明方法制成的混合构件1的另一实施方式。同样示出的是， 空心型材2和构件3在接合区8中材料结合地相互连接。作为对图1的补充，空心型材2 在其端部4被扩径。在此所示出的实施形式中转变成一个轮缘9。接合缝7因此在构件3 和空心型材2之间的接合区8中形成材料结合的连接并且还形成形锁合的连接，所述形锁合的连接形成在轴向10上的更好的抗拉强度和抗压强度。图3示出按照本发明制造的材料结合的连接的详图。材料结合的连在构件3和空心型材2的端部4之间制成，其中空心型材2的端部4在这里也被扩径。空心型材在接合区8又通过接合缝7与构件3连接。但是，作为对图1和图2的补充，焊接在这里以至少分两个阶段完成。第一焊接阶段以第一层11和第二层12进行。由此产生地得出材料结合的连接的两个区13，其中在此可能这两个区13可以具有不同的强度特性或此处没有示出的组织结构。图4示出按照本发明的混合构件1在其制造方法过程中。示出空心型材2位于构件3的上面，并且在该构件中通过一个焊炬14制造接合缝7。焊炬相对于空心型材2的纵轴线15成20° 50°的α角设置。图5示出按照本发明的混合构件1处在按照本发明的制造过程中。在这里空心型材2又设置在构件3的上面。在接合区8中，为了制造接合缝7在焊接位置PA插入式地实施焊接操作。这意味着，焊炬14插入式地相对于待制造的接合缝7移动。焊炬14因此沿焊接方向SR移动，其中在焊炬14的后面相应地制成接合缝7。图6示出按照本发明的混合构件1处在其制造过程中。这里非常简单地示出，焊炬 14围绕着空心型材2和构件3地制造接合缝7。焊炬14在此沿焊接方向SR围绕着接合区 8移动。在焊接位置PA实施插入式焊接运动过程中，焊炬占有相对于纵轴线15成20° 40°之间的β角的角度位置。附图标记列表
1混合构件
2空心型材
3构件
4端部
5管对接形状的突起部
6压合座
7接合缝
8接合区
9轮缘
10轴向方向
11第一层
12第二层13区14焊炬15纵轴线α角β角SR焊接方向
权利要求
1.用于在由钢制成的空心型材(2)和由铝材制成的构件(3)之间制造材料结合的连接(1)的方法，包括以下方法特征-提供空心型材(2)和构件(3)，-在待连接的位置上将空心型材(2)和构件(3)相互对准，其中空心型材(2)的一个端部(4)套装在所述构件(3)的突起部( 上，-通过保护气体焊接过程使空心型材(2)的所述端部(4)与所述构件(3)热接合，其中焊炬(14)在焊接位置PA相对于轴向方向(10)成20° 40°的角(β)朝向待制造的接合缝(7)设置，其中所述轴向方向(10)与空心型材(2)的纵轴线(15)平行地定向。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，保护气体具有氩气和氦气组分。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，焊炬(14)构造成固定的，而空心型材 (2)和构件(3)相对于其运动。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，焊炬(14)径向向外指向地相对于纵轴线(15)成20° 50°角(α)朝向待制造的接合缝(7)设置。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，焊接速度选择在9mm/s和 16mm/s 之间。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用焊接填料，所述焊接填料具有7 lOm/min的焊丝进给速度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过热接合额外地制成在构件C3)和空心型材( 之间的形锁合的连接，其中接合缝(7)从背面嵌接空心型材O)的所述端部⑷。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过脉冲的惰性气体保护金属极电弧焊实施热接合。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在热接合时，使用由铝合金组成的焊接填料。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述构件(3)构造成铝铸件或铣削件，并且构件(3)在压装之前在用于空心型材O)的接纳区域中被切削加工。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述构件(3)有接纳芯棒， 并且空心型材(2)被压装到该接纳芯棒上，其中在构件(3)和空心型材(2)之间产生力锁合的连接。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，接纳芯棒在其自由端上具有倒角，并且接纳芯棒在接纳区域中具有优选在8mm至60mm之间的长度。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，构件(3)具有围绕接纳芯棒延伸的槽形的凹部，用于接纳空心型材O)的变型区域，并且所述槽形的凹部在一个下凹区域中在两侧都具有曲面。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述槽形的凹部在内侧通过接纳芯棒形成并且在外侧通过接纳凸起形成。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，接纳凸起的高度在3mm和IOmm之间。
16.根据前述权利要求14或15任一项所述的方法，其特征在于，接纳凸起在其指向接纳芯棒的一侧相对于接纳芯棒的纵轴线成角度地延伸。
17.据权利要求11至16中任一项所述的方法，其特征在于，在压装之前，使空心型材 (2)在待压装的端部上被变型和/或定径。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，通过待压装的端部的变型，在空心型材O)的内侧形成一个半径，该半径与在内侧的所述下凹区域的半径相同。
19.根据权利要求17或18所述的方法，其特征在于，在空心型材O)的外侧(18)，在待压装的端部(15)上对空心型材(2)去毛刺。
20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述热接合多层(11，12)地实施，并且在热接合的过程中在施设各层(11,1 之间进行机械和/或化学的清洁。
21.根据前述权利要求中任一项所述的方法制造的空心型材连接件，其特征在于，由钢制成的空心型材⑵在端侧与由铝材制成的构件⑶连接，空心型材⑵被压装到所述构件(3)上并且额外地与所述构件(3)热接合。
22.根据权利要求21所述的空心型材连接件，其特征在于，接纳芯棒在接纳区域中从倒角向纵轴线延伸地具有下凹形的凹部。
全文摘要
本发明涉及一种在由钢制成的空心型材(2)和由铝材制成的构件(3)之间制造材料结合的连接的方法，所述方法为此具有以下方法特征提供空心型材(2)和构件(3)；在待连接的位置使空心型材(2)和构件(3)相互对准；通过保护气体焊接过程使空心型材(2)与构件(3)热接合，其中焊炬在焊接位置PA中相对于纵轴线(15)成20°～40°的角(β)朝向待焊接的接合缝设置。
文档编号B23K9/23GK102371423SQ201110326408
公开日2012年3月14日 申请日期2011年7月21日 优先权日2010年7月21日
发明者S·波特哈斯特, S·费克 申请人:本特勒尔汽车技术有限公司