专利名称：利用软化第一部件的第一部分的预热步骤实施磁脉冲焊接操作来固定第一和第二金属部 ...的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及将两个金属部件固定在一起的磁脉冲焊接技术。尤其是涉及一种执行上述的磁脉冲焊接操作的改进方法，该方法可以最小化会产生在所述的一个或者两个金属部件中的不期望的变形量。
背景技术：
目前在大多数陆地用车中，都具有传动系系统用来从发动机/变速器总成的输出轴到驱动桥总成的输入轴传递转动力，以便可旋转地驱动车辆的一个或多个车轮。为了达到这一目的，一个典型的车辆传动系总成包括圆柱状的传动轴管，该管具有固定在其相对的末端上的第一和第二端接头。第一端接头形成第一万向接头的一部分，它提供了从发动机/变速器总成的输出轴到传动轴管的第一端的可旋转的传动连接，同时能适应这两轴旋转轴线之间有限量的角度偏差。同样地，第二端接头形成第二万向接头的一部分，它提供了从传动轴管的第二端到驱动桥总成的输入轴的可旋转的传动连接，同时允许这两轴旋转轴线之间有限量的角度偏差。
在该一般类型的车辆传动轴总成中，通常需要永久地将第一和第二端接头固定到传动轴管的末端。传统上，采用常规的焊接技术将第一和第二端接头与传动轴管的末端永久地连接。众所周知，常规的焊接技术包括对两个金属部件进行局部加热，从而使两个金属部件的材料熔合。上述常规的焊接技术可以在施加压力下进行，也可以在不施加压力下进行，并且可以包括采用填料，也可以不采用填料。虽然常规的焊接技术在过去达到令人满意的效果，但是其应用还是具有一些缺点。首先，如上所述，常规的焊接技术包括对两个金属部件进行局部加热。这样的加热会造成金属部件出现不希望有的变形和弱化。其次，尽管常规的焊接技术适合用于将由相似的金属材料制成的部件焊接在一起，但是发现将它们用来连接由不相似金属材料制成的部件则有一定的难度。第三，传统的焊接技术不容易适应标准厚度不同的部件的连接。由于车用传动轴总成的生产通常是大批量的过程，所以需要有一种改进的方法可以把金属部件永久性连接在一起，同时避免传统焊接方法的缺点。
磁脉冲焊接是一种已提出过的可选择的方法，用来把第一和第二端接头固定到传动轴管的相对端。为了达到这一目的，首先提供具有末端部分的传动轴管和具有颈部的端接头。所述端接头一般为轴管叉或者管轴。所述叉具有一对对置的臂，所述臂从叉向第一轴向延伸。一对对齐开口穿过所述叉臂形成，适合于在其中接纳万向节十字头的常规轴承杯。一般中空的颈部部分从主体部分在第二轴向轴向地延伸。为了执行所述磁脉冲焊接操作，所述传动轴管的末端部分围绕所述端接头的颈部部分同轴地安装。当所述传动轴管和所述叉以这样的方式组装好时，在所述传动轴管的末端的内表面和所述叉的颈部部分的外表面之间限定了环形间隙或空间。然后电感应器围绕所述传动轴管和叉的组件设置。所述感应器通电，以在所述传动轴管的末端部分的周围产生巨大的和瞬时的电磁场。所述电磁场在所述管的末端的外表面施加很大的力，促使它以高速向内塌陷在所述叉的颈部部分上。所述管的末端的内表面对所述叉的颈部部分的外表面产生冲击，促使其间产生焊接或分子键。
已发现，在所述磁脉冲焊接操作中所述管的末端对所述叉的颈部部分的高速冲击在有些情况下会导致所述叉臂相对于彼此永久地变形。举例来说，如果所述管的末端塌陷在所述叉的颈部部分上，所述颈部部分向内的变形会促使位于叉的另一端上的叉臂向外彼此分开。同时，由于冲击导致的通过所述叉传播的冲击波还会导致穿过所述叉臂形成的开口的尺寸略微地扩大。尤其是当所述叉是由相对轻质的材料例如铝合金制成的时候，这样的情形很可能出现。上述叉臂的变形是不希望出现的，因为会导致形成在叉臂中的各个开口的失准。当形成在所述叉臂中的开口不是精确对准时，要在其上正确地安装万向接头的其余部分以及平衡所述万向接头以便旋转是相当困难的。
所述管轴通常具有管座、支承部分或座套部分、颈缩部分和花键末端部分。因为高应力，实际中最好的满足所述管轴的生产需要的材料是中碳钢。如果所述传动轴管也是由钢材料制成的，那么通常采用传统的电弧焊接法来将所述管轴固定到传动轴管上。然而，为了减轻车辆重量、获得平稳运转和提高燃料经济性，有时优选的采用轻质材料例如铝来制造所述传动轴总成的一部分部件。在很多情况下，所述叉和传动轴管都可以由强度相对较大的铝合金制成，例如6061-T6，并可以通过使用已知的弧焊方法成功地固定在一起。然而，已发现，采用该方法来使铝制的传动轴管和钢制的管轴高质量的焊接连接起来较难，因为会形成脆弱的金属间结构，这会减弱它们之间连接部的强度。已经试验过的其它的方法在不同程度上成功地解决所述问题，即在铝制传动轴管和钢制端接头之间获得高品质的连接。现在，磁脉冲焊接和摩擦焊接技术(两者都是冷焊方法)看起来都显示了很好的效果。
摩擦焊接技术是旧有的，并且得到了较好的发展，尤其是在可利用好的生产机器的领域。然而，如果采用摩擦焊接来焊接管径大于90毫米、壁厚小于3毫米的钢-铝传动轴总成，看起来摩擦焊接法还有一些实际的限制。相比之下，磁脉冲焊接是新兴的技术，正处于发展阶段，特别是在生产机器方面，但是如果所述传动轴管的直径为50毫米至150毫米，并且壁厚为1.5毫米至3毫米的话，该方法可以获得更好的效果。因此磁脉冲焊接是一种有希望的技术，它可以解决高品质焊接钢-铝传动轴总成的问题。
在磁脉冲焊接操作的过程中管座的冲击波和变形不会在所述管轴的花键端产生显著的变形。然而，由于制造的实际局限并且不可能使需要焊接的部分自身以及相对于所述感应器轴线实现理想的同轴度，因此传动轴的焊接部位可能会弯曲超出可接受的极限。已发现，用于磁脉冲焊接的磁脉冲越强大，焊接之后的传动轴出现的变形越大。由于该弯曲和上述叉变形的影响，所述传动轴会出现高的振摆现象，这相对于通过不同的运行速度影响不平衡性的方式是一个很重要的参数。在广的速度范围内，特别是在高速下，这个参数在动平衡方面是重要的单个因素。与转速平方成比例的不平衡离心力促使产生偏斜、应力和振动，这会导致部件失效和讨厌的噪音，并且使车辆的乘客感觉不舒服。
因此，理想的是提供一种改进的执行磁脉冲焊接操作的方法，它可以最小化不希望出现的传动轴的振摆量，其中当实施磁脉冲焊接操作固定传动轴管时，所述振摆会导致叉变形或管轴焊接部位弯曲。
发明内容
本发明涉及一种改进的用于将第一和第二金属部件固定在一起的实施磁脉冲焊接操作的方法。首先，提高第一金属部件的第一部分的温度使之软化，但是基本上没有升高邻近所述第一部分的第一金属部件的第二部分的温度，也基本上不使之软化。然后，使第一金属部件的第一部分相对于第二金属部件的一部分以轴向重叠的方式设置，在它们之间留有间隙。将感应器相对于所述第一和第二金属部件轴向重叠的部分设置。给所述感应器通电，使所述第一金属部件的第一部分变形而接合所述第二金属部件的那部分，以便将第一和第二金属部件固定在一起。
对于本领域的技术人员而言，按照附图以及随后的具体实施方式
的描述，本发明的多个目的和优点是显而易见的。
图1是分解正视图，部分为剖视，显示了依照本发明的方法将传动轴管和一对端接头组装和固定在一起之前的情况；图2显示了图1所示传动轴管的一部分和其中一个端接头组装并设置在感应器内以执行磁脉冲焊接操作的剖视正视图。
图3a、3b、3c和3d显示了用于执行所述磁脉冲焊接操作的不同的布置。
图4a、4b、和4c显示了根据本发明将所述传动轴总成待焊接部分相对于彼此以及相对于感应器定位在预定位置的基本方式。
图5是截面图，显示了依照本发明设置于预热感应器内的传动轴管末端和设置于与脉冲感应器结合在一起的支承工具内的轴管叉。
图6是相对于所述轴管叉布置的轴管叉支承工具的放大的截面图。
图7是图6中所示的轴管叉支承工具的端部的正视图。
图8是截面的正视图，显示了合并在所述脉冲感应器中的管轴和支承工具。
具体实施例方式
现在参见附图，如图1和2所示，显示了传动轴管10，第一端接头，例如轴管叉20，和第二端接头，例如管轴30。尽管在上下文中本发明描述和举例说明了将第一和第二端接头20和30固定到传动轴管10上以形成传动轴总成的至少一部分，但要认识到的是，对于任意期望的目的或应用，本发明所述的方法都可用于将任意的两个金属部件固定到一起。
图示的传动轴管10一般为中空的和圆柱状的形状，它可以由任意要求的金属材料制成，例如6061-T6铝合金。优选的是，传动轴管10具有外表面和内表面，所述外表面和内表面限定基本上不变的外径和内径。因此，图示的传动轴管10具有基本上为圆柱状并且一致的壁厚，尽管这不是必须的条件。传动轴管10具有第一末端部分11和第二末端部分13，它们分别终止于端面12和端面14。
图示的第一端接头20为轴管叉，由金属材料制成，可以与制成传动轴管10的金属材料相同或者不同，例如钢或者铝合金。图示的第一端接头20包括主体部分21，所述主体部分具有一对对置的叉臂22，所述叉臂从主体部分向第一轴向延伸。一对对齐的开口23穿过所述叉臂22形成，适合于在其中接纳万向节十字头的常规轴承杯(未示出)。如果需要，可以在每个开口23内形成环形槽23a(参见图2)，以便于在其中通过各卡环(未示出)以已知的方式保持所述轴承杯。基本上中空的颈部部分24从所述主体部分21在第二轴向延伸，所述第二轴向与由叉臂22限定的第一轴向相反。所述颈部部分24具有环形肩24a和环形台阶24b，其导向表面优选以小角度缩减，例如从大约5度至大约9度。
所述颈部部分24的结构在2005年5月17日公开的美国专利No.6,892,929中有详细描述，该专利归本发明的受让人拥有。所述专利公开的内容在此作为参考引入。如果需要，如图2中虚线所示的环形槽25或类似的凹陷区域也可以在第一端接头20的内部形成。所述内部槽25的作用也已经在美国专利No.6,892,929详细说明了。
图示的第二端接头30是通常由碳钢制成的管轴。图示的第二端接头30包括主体部分31，它具有三个区域，分别是支承部分或座套部分32、减径部分33和带花键的末端部分34。基本上中空的颈部部分35具有与上述的美国专利No.6,892,929的详细描述相同的结构。特别的是，所述颈部部分35具有环形肩35a和环形台阶35b。
图2还显示了在依照本发明所述的方法执行用于将传动轴管10和第一端接头20固定在一起的磁脉冲焊接操作之前围绕组装起来的这两个部件的组件设置的感应器40。当传动轴管10和第一端接头以这样的方式组装好时，在传动轴管10的末端部分11的内表面和轴管叉20的颈部部分24的外表面之间限定了环形间隙或空间26。感应器40可以是任意的要求的结构，例如Yablochnikov在美国专利No.4,129,846显示和描述的那样。所述专利公开的内容在此作为参考引入。感应器40与示意性地显示的脉冲电源50连接。如图2所示，感应器40的第一引线连接第一电导线51，而感应器40的第二引线通过放电开关52连接到第二电导线53。多个高压电容器54或类似的储能器件连接在第一和第二电导线51和53之间。第一电导线51还连接到电能量源55，而第二电导线53通过充电开关56连接到电能量源55。控制电路的结构与操作在Yablochnikov的美国专利No.5,981,921做了详细描述，所述专利的公开内容在此作为参考引入。
执行磁脉冲焊接操作的感应器40的工作方式是现有技术中为大家所熟知的，有关的详细解释仍然可以参考上述的美国专利No.5,981,921。但是，简要地说，感应器40通过首先打开放电开关52和闭合充电开关56来工作。这样电能可以从电能量源55传递到每一个电容器54。当电容器54充到预先确定的电压时，充电开关56打开。此后，当需要操作感应器40时，放电开关52闭合。结果，高能脉冲电流从电容器54流过感应器40，从而在传动轴管10的末端部分11周围产生极大的和瞬时的电磁场。所述电磁场在传动轴管10的末端部分11的外表面上施加很大的力，促使它以高速向内塌陷在叉20的颈部部分24(或者，正如以上的讨论，管轴30的颈部部分35)上。
结果传动轴管10的末端部分11的内表面冲击叉20的颈部部分24的外表面，由于在它们共同的界面上两种金属的原子之间的电子共享，从而在它们之间形成焊接或者分子键。焊接区域的尺寸和位置的变化由多种因素决定，例如环形间隙26的尺寸，用来制成传动轴管10和叉20的金属材料的尺寸、形状和性质，感应器40的尺寸和形状，传动轴管10的末端部分11和叉20的颈部部分24之间冲击的角度和速度，以及其它因素。
正如以上的讨论，已经发现，在磁脉冲焊接操作时，传动轴管10的末端部分11以高速冲击在第一端接头20的颈部部分24上，至少在某些情况下，这会导致所述部件之一或两者的形状产生不希望出现的变形。已发现，上述变形的量随着在两个部件之间冲击速度的增加而增大。然而，随着用来制成传动轴管10的材料强度增加，传统上必须有更高的冲击速度以使得两种金属在它们的共同界面上形成原子键。为了提供上述的更高的冲击速度，传统上必须提高由脉冲电源50产生的磁场能量脉冲的量值，这会加速脉冲功率电路50的元件磨损。因此，希望改进磁脉冲焊接过程，以便通过用由脉冲电源50产生的更小量值的磁场能量脉冲来提供优质的焊接连接。
一种已知的减小由脉冲电源50产生的磁场能量脉冲量值的方法是基于减小所要变形的部件的材料屈服强度。为了达到这个目的，已知的是对传动轴管10所要变形的部分进行回归热处理。典型的回归热处理循环包括的步骤有首先用约10至15秒的时间把传动轴管10的指定区域感应加热到约1000，之后将加热的传动轴管10放在室温下的水中淬火。在执行回归热处理之后，6061-T6铝合金的屈服强度一般从40ksi下降到约10ksi，这就可以使得执行磁脉冲焊接过程所需的磁场能量脉冲量值明显减少。
然而，在执行磁脉冲焊接操作的情况下，进行回归热处理的一个不利之处是在冷却的步骤中，用来加热传动轴管10的能量(比在磁脉冲焊接操作中使用的能量要大约20倍)不但浪费了，而且作为焊接过程理论上的优点而不能利用。实际上，为了焊接金属件，通过接受任何类型的能量来激活表面原子。加热是一种给原子提供激活所需能量的便利的和有效的方法。因此，理论上，只给管端预热应该会比仅仅使用回归热处理工艺更好地在传动轴上执行磁脉冲焊接操作。
与磁脉冲技术中的感应预热相关的许多重要的革新在美国专利No.3,126,937中提出过，该专利所公开的内容在此作为参考引入。尽管在磁脉冲焊接过程中进行预热的思想本身不是新的，但本发明使这个技术更上了一个台阶。在预热和产生磁脉冲的大部分现有技术中，相同的感应器用于上述两个目的，并且待焊接件在预热循环开始之前就组装在感应器内部。此方案根本的不利之处在于在焊接过程中需要将所述感应器从加热源转换为脉冲源。如果待焊接件直径相对较小(举例来说约25毫米)，那么可以相对轻易地实现转换，因为在脉冲感应器中的电流是相对低的。然而，如果待焊接件的直径是相对大的(举例来说约100毫米至约150毫米，对于车辆传动轴来说这是典型的)，那么转换就较难，因为电流幅值可以大于一百万安培。另一个问题在于为用于加热和用于产生强大的磁脉冲的感应器提供冷却。在预热过程中大部分的热量被所述感应器吸收，并且该热量通常非常高以致于只能借助于水冷系统来去除它。使人遗憾地是，已经发现在美国专利No.4,129,846中公开的感应器设计中使用水冷是不能实行的，特别是对于磁脉冲焊接相对大直径的管件而言。
采用分别的感应器来预热和产生磁脉冲也是已知的。特别地，美国专利N0.3,621,175公开了一种包括感应加热线圈和磁性焊接线圈的装置，所述两线圈位于沿着两个待焊接件移动路线上隔开的位置处，其中这两个待焊接件借助于传送带而同时移动。所述待焊接元件可以是管状的和同心的，且内部元件的外表面与外部元件的内表面相邻。利，该发明可以进行连续焊接，尤其是连续焊接管道和初步滑动配合的内衬套。在实施中，管道和衬套都被加热到相同的温度，并且在依靠滚子以大约15米/分钟的速度喂送通过加热线圈和焊接线圈且焊接线圈每秒激活10次的过程中被焊接。由焊接线圈和它的控制电路所限定的参数被选择，以致于电流脉冲具有一个特征频率，该特征频率在管道和衬套中产生感应电流，其穿透深度大于两个重叠导体中其中一个的厚度(并且优选的是大于重叠导体的总厚度)。因此，产生在管道和衬套中的磁力促使它们向着彼此地吸引。
在本发明中，在预热过程中和在脉冲感应器的内部组装待焊接件的过程中，有一个间隙把传动轴管10的末端部分11的待焊接表面和第一端接头20的颈部部分24的待焊接表面隔开。在预热过程中，待焊接件可以相互分开，或者相对于彼此的待焊接表面可以重叠并且接触，但仅仅是通过待焊接件的待焊接表面外侧的待焊接管端的内部的环状脊接触。可选择的是，可以使用另外的加热感应器对配合颈部预热。由脉冲感应器和放电电路限定的参数被选择，以致于在传动轴管中的穿透深度小于管壁厚度。因此，在传动轴管和脉冲感应器之间产生的磁力促使管端被所述感应器排斥，这就使得待焊接管和配合部分可以高速塌陷。
出于解释的目的，本发明所述方法此后分成两步描述。第一步描述实现所述方法的总体设计。第二步更加详细地描述可用来实施此方法的装置和工具。第一步中的总体设计如图3a至3d所示，其中
图3a显示了借助于一套感应器(例如一个主要的加热感应器和一个脉冲感应器)将传动轴管10的第一末端部分11焊接到第一端接头20磁脉冲焊接过程，其中装配工具仅设置在所述脉冲感应器的一侧(可以选择性地使用另外的感应器来预热第一端接头20的颈部部分24)；图3b显示了如图3a所示首先焊接了传动轴管10的第一末端部分11之后，并且接着在把传动轴管10端到端地翻转之后，把传动轴管10的第二末端部分13焊接到第二端接头30的磁脉冲焊接过程(可以选择性地使用另外的感应器来预热第二端接头30的颈部部分35)；图3c显示了借助于一套感应器用磁脉冲焊接方法把传动轴管10的末端部分11和13分别焊接至第一端接头20和第二端接头30的过程，其中将装配工具设置在脉冲感应器的两侧，并且在磁脉冲焊接了所述第一末端之后，将传动轴管10通过预热感应器和脉冲感应器从一端传送到另一端(可以选择性地使用另外的感应器来预热第一和第二端接头20和30的颈部部分24和35)；并且图3d显示了借助于两组感应器用磁脉冲焊接方法焊接传动轴管10的两个末端部分11和13的过程，其中装配工具仅设置在每个脉冲感应器的一侧，将传动轴管预先地设置在主要的预热感应器之间，并且在磁脉冲焊接了所述第一末端之后，在相反方向上传送传动轴管10以便于磁脉冲焊接所述第二末端(可以选择性地使用两个另外的感应器来分别预热第一和第二端接头20和30的颈部部分24和35)。
如图3a和3b所示的过程首先是将传动轴管10的第一末端部分11插入预热感应器61中和将叉20的颈部部分24插入上述的脉冲感应器40，如图3a所示。预热感应器61通过高频源62通电，并且脉冲电源50的电容器电池充电到预定的电压。在将传动轴管10的末端部分11预热到预定的温度之后，高频源62切断。然后，在轴向迅速地将传动轴管10移动到脉冲感应器40中，并且当传动轴管10的第一末端部分11相对于第一端接头20位于正确的位置时停止移动，如图2所示。然后通过如上所述的脉冲功率源50的电容器放电来激励脉冲感应器40，这就完成了焊接传动轴管10的第一末端部分11的磁脉冲焊接循环。
然后，焊接了一半的传动轴管10从所述感应器40和61移开，并且调转，以便传动轴管10的第二末端部分13插入预热感应器61中，如图3b所示。然后，对第二端接头30重复如上所述的焊接循环。可选择的是，在分别将所述端接头20和30的颈部部分24和35插入脉冲感应器40中之前，可以借助于另外加热感应器(例如61′所示)对它们的一个或两个预热，该另外的加热感应器61’可以由例如62′所示的另外的高频源激励。在这一情况下，所述端接头20或者30将在插入传动轴管10的相关的预热的末端部分11或13之前或者是与其同时地插入到脉冲感应器40中。
从所述描述中可以看出，该方法不是非常适用于大批量生产，而传动轴制造一般是大批量生产的。然而，当搬运简单、相对廉价的工具可与脉冲感应器结合时，该方法适用于小批量生产，这将在下文中介绍。
如图3c所示的过程首先是以如图3a所示的方式把传动轴管10的第一末端部分11与轴管叉20焊接起来。然而，在这种情况下，为了焊接所述传动轴管10的第二末端部分13，要把所述第二端接头30预先插入到所述传动轴管10的第二末端部分13中，且其用于把所述传动轴管10的第二末端部分13推到预热感应器61中。为此，所述传动轴管10的第二末端部分13和第二端接头30将以一种方式相互接触，该方式将在后面描述。在预热以后，所述传动轴管10和第二端接头30被传送到所述脉冲感应器40内，并且对其执行磁脉冲焊接操作。该过程更适合于大量生产，但是它的生产率有点受限，因为需要在两个焊接循环之间传送传动轴管10的全部长度，并且需要在单个脉冲功率源50的情况下准备两个顺序的电容器放电。
如图3d所示用于焊接所述传动轴管10的两个末端部分11和13的过程与结合图3a描述的基本一样。然而，在这种情况下，提供了两个预热感应器61和161(以及与它们关联的高频源62和162)和两个脉冲感应器40和140(以及与它们关联的脉冲电源50和150)。因为提供了两组感应器，因此所述传动轴管10在磁脉冲焊接操作中仅仅需要在一个相对短的距离往复移动，首先在所述预热感应器61和161中的必要位置处停止及随后在所述脉冲感应器40和140中的必要位置处停止。在将两个端接头20和30分别焊接到末端部分11和13之后，所述传动轴管10位于加热感应器61和161之间的中间位置，然后相对于由上述的感应器61和161限定的轴线横向地移开。可选择的是，在分别将所述端接头20和30的颈部部分24和35插入所述脉冲感应器40和140之前，可以借助于与上述类似的另外的加热感应器61′和161′对它们预热。在最后这种情况中，所述端接头20或者30将就在插入所述传动轴管10的相关的预热的末端部分11或13之前或者是与其同时地分别插入到脉冲感应器40和140中。该过程是最适合于大量生产的，因为所述工具和传动轴需要输送的距离短，而且对于两个脉冲电源50而言，准备两个顺序的电容器放电的时间不是关键问题。
图4a、4b和4c显示相对于所述第二端接头30的颈部部分35和相对于感应器40和61而言的传动轴管10的第二末端部分13的基本位置，可以采用在所有上述的设计中。如图4a所示的位置可以通过适当的工具提供，举例来说，因为所述第二端接头30的颈部部分35的形状不利于它与所述传动轴管10的第二末端部分13在脉冲感应器40通电之前接触。这种方案可以被许多磁脉冲焊接操作的应用接受，但是它对于生产汽车传动轴而言不是最好的选择。焊接之后传动轴要求的精度很高，以致于用如图4b和4c所示的颈部形状就可能来满足此精度要求。这样的形状总的如上所述，在这里只是通过描述所述颈部部分35的外表面来做补充，颈部部分35的外表面在提供高品质和高精度的磁脉冲焊接中是很重要的。
如图4b和4c所示，在所述颈部部分35上可以提供第一锥形表面35c，它能使所述颈部部分35更方便地插入所述传动轴管10的末端部分13。所述第一锥形表面35c在最大的外径过渡区35d终止，该过渡区35d优选的是在组装时为两个部件10和30提供初步的径向定向。所提供的第二锥形表面35e是用于在所述磁脉冲焊接过程中提升焊接的高品质。第三锥形表面35g提供在环形台阶35b上，为所组装的部件10和30提供最后的径向定向。最后，所述环形肩35a为上述的部件10和30提供精确的轴向定位。
为了焊接的精度，理想的是，在使用如图3b所示的设计时，在预热之后所述第三锥形表面35g的最大直径基本上等于传动轴管10的待焊接的末端部分13的内径，如图4b所示。举例来说，传动轴管10由6061-T6铝合金形成，其初始内径为127毫米，壁厚2毫米，作为预热到700-1000的温度的结果该传动轴管将膨胀大约2毫米，而上述温度是依照本发明的用于焊接的最佳温度。因此，不把该膨胀考虑在内，所焊接的传动轴的振摆为1毫米，而这是不能接受的。
如果使用如图3b所示的布置，那么优选的是在预热之前，最大外径过渡区35d和第二端接头30的颈部部分35的第三锥形表面35g的最小外径基本上等于所述传动轴管10的待焊接的末端部分13的内径，如图4c所示。所述第三锥形表面35g的最大外径优选的是在预热之后基本上等于所述传动轴管10的待焊接末端部分13的内径，如图4b所示。因此，如图4c所示，在预热之前，在所述感应器61内的所述传动轴管10的待焊接末端部分13的内部的环状脊与第二端接头30的颈部部分35的第三锥形表面35g的开始部分接触。为了在预热过程中保证这样的接触，可以施加轴向力(如图4c中两个箭头所示)移动所述传动轴管10直到停止在所述肩35a处。然而，需要注意的是，如上所述的各个部件可以具有任意的要求的尺寸。
为了在采用所述的磁脉冲焊接方法大量生产传动轴总成时提供所有管和接头的位移，理想的但不是必要的是使用完全机械化的和自动的工具。这种工具的讨论超出了本发明的范围。然而，出于解释的目的，下文结合可用来实施本发明方法的设备和一种型式的工具来描述本发明的方法。更具体地说，如图5所示的设备包括用于预热传动轴管10的末端部分11的装置60，以及用于执行磁脉冲焊接操作的装置70。如图中所示，所述预热装置60包括与高频电源62连接的加热感应器61，和冷却器63，所述冷却器具有一个或多个用于循环水的通道64。插件65借助于轴向移动装置(未显示)来操作。所述冷却器63和插件65优选的是由热传导率高的金属材料制成，例如黄铜。
磁脉冲焊接装置70包括脉冲感应器40、引导衬套71、带有联结螺母73的工具衬套72、叉衬套74、销75及通过减震器77保持的底模76。所述感应器40由一系列的金属环41和绝缘环42组装成，这些环被成形为相对较薄的板并由一排强大的电绝缘螺栓43挤压，螺栓43穿过成形为相对较厚板的绝缘环44和金属环45。所述螺栓43在所述环41、42、44和45中精密加工的开口穿过(仅仅显示了所述感应器元件的中心部分)。所述工具衬套72可以由金属或者绝缘材料制成，取决于感应器40的接地方式。所述感应器40还包括组合式夹具46，其目的将在下文中解释。
在插入所述感应器40之前，所述轴管叉20和所述叉工具(包括所述叉衬套74和底模76)优选的是预先在磁脉冲焊接装置70外组装，具体方式如图6和7所示。为了便于组装，所述轴管叉和所述叉衬套74具有相互匹配的锥形表面区域。在所述轴管叉20上，所述的锥形区域是作为所述叉臂22的外表面的部分提供的，靠近所述对齐的开口23，如图6中所示的22a。因为所述轴管叉20通常由毛坯锻造而成，所述表面区域22a是在加工完所述开口23和凹槽或凹座25之后原始锻造表面的剩余。过后，所述表面区域22a具有锻造的拔模斜度，通常为大约3至5度。如果所述轴管叉20由另一种方法制成，可以预先地加工出所述锥形表面区域。所述叉衬套74的至少一端具有内部锥形表面74a，它限定了角度74b(如图6中稍微夸张的显示)，该角度74b与所述表面区域22a的角度相等或接近。同时，所述叉衬套74可以具有凹座74c(参见图5)，用于在其中接纳销75的末端。所述底模76设置在所述叉衬套74内，且其中形成有弧形的凹座76a，凹座76a限定了一对相对的底模臂76b。所述底模76还可以包括弹性减震器77。有关底模76和减震器77的作用将在下文中解释。
在预组装过程中，首先把销75插入所述叉20的开口23。然后，带有销75的叉20插入所述叉衬套74，以致于销75的末端可沿着凹座74c滑动。最后，施加轴向载荷以把叉20压入叉衬套74内的预定距离处，以使它们的相匹配的锥形表面22a和74a通过摩擦而可靠的连接。接下来，所述底模76可以在预组装阶段或者是当预先装配的部件放入所述装置70之后设置在所述叉衬套74的内部。
现在将解释在执行将所述传动轴管10与所述轴管叉20焊接在一起的磁脉冲焊接的顺序操作中所述加热装置60和磁脉冲焊接装置70的使用。所述顺序包括加载操作和实际的焊接操作。首先，如图5所示，所述传动轴管10设置在所述冷却器63和所述加热感应器61内，以致于末端部分11设置在所述感应器61内，并且管端面12至少近似地与感应器61的侧表面61a对齐。驱动插件65轴向地移动到冷却器63的锥形孔中，以夹住传动轴管10，并且冷却剂(例如水)在冷却器63的通道64中循环流动。所述叉20、销75、叉衬套74和底模76是如上所述预先装配的，然后插入所述工具衬套72并在其中固定，例如通过把联结螺母73拧到工具衬套72的螺纹端上。所述叉20的颈部部分24相对于所述感应器40的适当的轴向和径向位置是由所述叉衬套74的尺寸限定的。在所述联结螺母73紧固的过程中，所述底模76通过减震环77驱动，以朝向所述端接头20轴向地移动，直到所述叉臂22的外部接纳在形成在底模76中的弧形凹座76a内。所述减震环77优选的是足够软的，以避免在所述联结螺母73紧固的过程中分离所述叉20和衬套74。如图6最好地所示，所述叉20的叉臂22接合所述相对的底模臂76b，以便在轴向(即从图5中看时是自上而下的)相对于底模臂而积极地定位。
此后，执行实际的焊接操作。高频交变电流从电源62传送通过所述加热感应器61，并且充电开关56闭合以将电能从电源55传递到电容器54(参见图2)。所述交变电流施加足够长的时间，以将所述传动轴管10的末端部分11加热到预定温度，该预定温度由温度计控制，例如红外温度计(未示出)。之后，切断交变电流，驱动所述插件65从所述冷却器63中移出，以松开所述传动轴管10，并且借助于线性致动器(未示出)或其它的符合要求的机构来驱动所述传动轴管10，使其移动通过引导衬套71而进入脉冲感应器40，以将末端部分11围绕所述轴管叉20的环形台阶24b设置，优选的是与肩24a抵靠，以便限定传动轴管10的端面12的轴向位置。当传动轴管10已经以上述的方式被正确地定位好时，驱动组合式夹具46以将传动轴管保持在该位置上。
在所述传动轴管10的端面12与肩24a接触之前，优选的将电容器54充到预定的电压。这使得所述放电开关52可在传动轴管10的端面12接触肩24a之后马上闭合(或者仅仅有一个很短的延时)。因此，随后激励所述感应器40执行磁脉冲焊接操作，如上所述。
正如先前的讨论，在磁脉冲焊接操作时，传动轴管10的末端部分11以高速冲击在叉20的颈部部分24上，在某些情况下，这会导致所述叉臂22相对于彼此永久地变形，并致使所述开口23的尺寸扩大。通过预热传动轴管10的末端部分11来减少磁脉冲的能量可以显著地减少所述叉的变形量。如果变形的水平是可接受的，那么可以使用更简单的工具。然而，如果上述的永久变形和扩大是不能接受的，当如上所述轴管叉20通过叉衬套74和底模76接合和支撑时，可以进一步地减少或消除上述的变形。在磁脉冲焊接操作中，叉衬套74防止叉臂22向外彼此分开，从而导致所述颈部部分24向内变形。同时，底模76和减震器77吸收由磁脉冲焊接过程中的冲击引起的通过叉20传播的冲击波的能量，从而消除穿过叉臂22形成的开口23的结构变形。冲击波降低了叉20的锥形表面22a和与之匹配的叉衬套74的锥形表面74a之间摩擦接合的强度，这有利于在磁脉冲焊接操作结束之后将所述传动轴从磁脉冲焊接装置70中卸载。
将要认识到的是，冷却器63的使用不属于本发明的磁脉冲焊接过程的必要部分。当热影响的管区域不得不很小时，使用冷却器是有益的，但是加热源62的功率相对的低，以便于足够快速的加热管末端11。如果加热系统的功率足以在大约4至6秒的时间提供上述的加热，那么所述冷却器63可以完全除去，或者作为选择，只用简单的引导衬套来替代。同时，使用联结螺母73来把预组装部件保持在所述工具衬套72内是解决这样的问题的最简单的方法。当然，为了大量生产，也能使用其它的众所周知的机械化的和自动的工艺装置。此外，上述的预装配操作可以借助于与磁脉冲焊接装置70结合的工具执行。
如图8所示，显示了与将传动轴管10与管轴30磁脉冲焊接在一起相关的预热装置60和磁脉冲焊接装置70。实际的焊接操作与上述的有关传动轴管10和轴管叉20的磁脉冲焊接操作一致。在这种情况下，提供了具有内套筒部分81和外套筒部分82的管轴衬套80。在预组装过程中，管轴30插入管轴衬套80的内套筒部分81，以便支承部分或者座套部分32精确地设置在套筒81内部。此外，带花键的末端34的封闭花键可以与设在所述内套筒部分81内侧上的盲槽相对齐。接下来，管轴30和管轴衬套80的组件插入所述工具衬套72内。如果需要，可执行传统的定相操作，以使管轴30相对于固定在传动轴管10另一端的轴管叉20正确地角度定位。为了便于连接和使用传统的定相装置(未显示)，所述衬套80的外套筒部分82具有设在其中的一个或多个凹座83。最后，执行如上所述的磁脉冲焊接循环。
对铝管制成的传动轴焊接是本发明实现的许多目的中的一个。然而，在某些情况下，这样的方法对于焊接钢管传动轴是很有利的，尤其是如果所述管由高强度钢制成并且壁厚非常薄的情况。因为钢的导电率相对较低，在不使用由高导电率材料(例如铝或者铜)制成的传动元件(板或环)的情况下，对由这样的材料制成的部件进行磁脉冲处理通常是很困难的。为了实现钢管的磁脉冲焊接，传动环通常在把待焊接部分插入所述脉冲感应器之前预先地压配合到管端上。然而，这样连接传动环的便利方法不能用于本发明，因为传动环材料的熔化温度一般比预热钢必需的温度要低得多。
为了解决这样的限制，传动环可以预先设置在所述脉冲感应器内。在预热之后，传动环的内径应该比待焊接管端的外径大，以允许该管端插入该传动环。定位传动环最好的方法如图8所示，其中传动环90，例如可由薄板材料冲压而成，其预先压配合到装配颈部35的环形肩35a上，并且与颈部35一起插入感应器40中。传动环90的形状可以是不同的，取决于端接头的结构。为了将传动轴管10的末端部分13与管轴30磁脉冲焊接起来，具有圆柱段91和扁平段92的传动环90更合适，因为颈部35的肩35a的轴向尺寸小。为将传动轴管10的末端部分13焊接到叉20，采用仅具有圆柱段91的传动环90将会更加合适。
预热和直接磁脉冲焊接的操作与以上的描述相同。通常，在完成磁脉冲焊接过程之后，传动环90对于焊接接头是一个不想要的元件。它可以在焊接之后留下，如果这样是可接受的话；或者它可以切除。然而，在传动轴管磁脉冲焊接应用中，传动环90(一般是紧紧地折压或者甚至通过磁脉冲焊接方法焊接在传动轴管末端部分的外表面上)可以被用来通过接触焊(电阻焊)、弧焊或者其它适当的焊接方法来连接配重。通常，上述的配重紧邻所述叉和管轴地焊接到传动轴管上。这些焊点通常是传动轴上最薄弱的地方，疲劳裂缝会从这些地方开始产生。因此，将所述配重焊接到所述传动环90提供了解决在所述传动轴总成的生产中遇到的另外的问题的机会。所述配重通常由钢制成，它与任意铝合金之间的可焊接性是不好的。因为铜和许多铜合金没有上述的问题，因此它们是制作传动环最好的材料，如果所述传动环是计划用于通过焊接来连接配重的话。
在任何磁脉冲焊接过程中，清洁待焊接金属表面以提供优质的焊接连接是一个重要的步骤。然而，还没有任何公认标准来评价表面的纯净度，也没有在磁脉冲焊接工艺中的清洁的方法。通常使用不同的化学清洗方法，这些方法本身对环境不友好并具有其它的缺点。为此，为了寻找更好的清洁方法已经作了大量的尝试，但是就焊接连接的品质保证而言还没有发现可以胜过化学方法的方法。对传动轴应用的调查发现，与其它的机械方法例如珩磨、砂纸打磨、喷砂和干冰喷射等相比，通过干法切削或利用丙酮或者乙醇的润滑切削来机加工金属的待焊接表面(刮整)，可以获得最好的效果。然而，就疲劳寿命而言，没有预热的经过化学方法清洁的磁脉冲焊接连接的品质比那些在机械刮整后焊接的要更好。
已发现，通过干法切削或利用丙酮或者乙醇的润滑切削来机械刮整6061-T6铝合金的待焊接表面都可以使通过本发明所述的磁脉冲焊接过程得到的焊接连接质量比得上化学清洗方法。
接下来将描述几个本发明所述方法的例子。
例子1使用如图3a所示的布置，依照本发明所述的方法，将由6061-T6铝合金制成的114毫米×2.5毫米的传动轴管的一端与由6061-T6铝合金制成的一端部叉焊接。依照如图3b所示的布置，将所述管的第二端与由热处理的钢4140制成的管轴焊接。用于支撑端接头的工具被部分地与图5和8所示的脉冲感应器结合在一起。依照美国专利No.4,129,846设置单匝脉冲感应器40和脉冲电源50(参见图2)。电池54具有的电容大约为8.4×10-3F，最大的电压大约是5kV，最大的的充电能量大约是105kJ。放电电路具有的频率大约为10kHz，并且如果采用的电池电压大约为3.5kV则振幅电流大约是1.4MA。感应加热系统60(参见图3)具有最大功率大约是10kW的电源62和频率大约30kHz的水冷单匝感应器61。预热温度通过Flucke 5III温度计测量。焊接之前铝部件是通过Arcal″WeId-O″(包含5％的氢氟酸)化学清洁的，并且在冷水中冲洗，而钢制配件是利用丙酮清洁的。
已发现，对于由操作者控制的磁脉冲焊接过程来说，对于铝-铝和铝-钢连接而言，管端预热到大约是700到900的温度是最佳的。还发现，对于自动控制的磁脉冲焊接过程来说，最佳温度可以更高，例如大约1000。如果所述温度为750，则最大的电压为约2.6kV，最大的充电能量是约28.4kJ，对于铝-铝和铝-钢连接而言，这足够得到优质的焊接连接。不预热，使用的最大电压大约是4.0kV，最大的充电能量大约是67.2Id，对于铝-铝或铝-钢连接而言，这是不足以得到焊痕的。在另一方面，如果所述温度大于或等于大约400，相对容易用实验方法找到得到优质的铝-铝连接所必需的最大的电压。然而，这对于铝-钢连接来说却不容易做到，这是因为在焊缝中形成的脆弱的铝-钢的金属间结构的影响。一般的趋势是把温度升的更高，以便于找到提供优质的铝-钢焊接连接所必需的最大的电压。不使用衬套74和减震器76(参见图5)的情况下，叉耳变形是可接受的；在紧邻装配颈部处塑性更高的小的、圆周方向上均匀的管区域的存在只是稍微减少了传动轴的最大静扭矩，且对于延长它的疲劳寿命是非常有利的。在相同的试验条件下通过直接的比较显示出，依照本发明所述的磁脉冲焊接方法与那些不预热的磁脉冲焊接方法相比使传动轴的疲劳寿命延长了约50％，而与普通的电弧焊相比，疲劳寿命延长了2-3倍。
例子2利用如图3a和3b所示的布置，依照本发明所述的方法将由6061-T6铝合金制造的127毫米×2毫米的传动轴管的两端与由6061-T6铝合金制成的端部叉焊接起来。所使用的工具和设备与以上的描述类似。使用大约750的温度和最大的电压大约为2.4kV(最大的充电能量大约为24.2kJ)实现了优良的铝-铝焊接接头。对在许多轴上的金属原子连接表面的区域形状作超声波测量并未显示出存在不均匀性，而此不均匀性会与单匝加热感应器的缝隙区域中的不均匀电磁场有关。因此，利用本发明，不必如公知的那样在预热过程中旋转管来消除管感应加热的圆周不均匀性。
按照专利法规，本发明操作的原理和模式已经结合上面的优选实施例解释说明清楚了。然而，必须明确的是，在不偏离其精神实质或范围的情况下，可采用所具体解释和说明之外的其它方式实施本发明。
权利要求
1.一种执行磁脉冲焊接操作将第一和第二金属部件固定在一起的方法，包括以下的步骤(a)提供第一和第二金属部件；(b)提高第一金属部件的第一部分的温度使之软化，但是基本上不增加靠近所述第一部分的第一金属部件的第二部分的温度，也基本上不使之软化；(c)使第一金属部件的第一部分相对于第二金属部件的一部分以轴向重叠的方式设置，在它们之间留有间隙；(d)将感应器相对于所述第一和第二金属部件轴向重叠的部分设置；以及(e)给所述感应器通电，以使所述第一金属部件的第一部分变形而接合所述第二金属部件的那部分，从而将第一和第二金属部件固定在一起。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(b)是这样实施的，通过将所述第一金属部件的第一部分设置在预热感应器内，并且给所述预热感应器通电来增加所述第一金属部件的第一部分的温度以使之软化。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述步骤(b)进一步地是这样实施的，在所述预热感应器通电时将所述第一金属部件的第二部分设置在冷却装置内，以防止所述第一金属部件的第二部分的温度实质性地升高。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述步骤(b)是这样实施的，提供的所述冷却装置具有与所述第一金属部件的第二部分接合的插件，从而防止所述第一金属部件的第二部分的温度实质性地升高。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(a)是这样实施的，使所述第二金属部件具有锥形表面，该锥形表面的最大直径在所述步骤(b)完成之后基本上等于所述第一金属部件的第一部分的内径。
6.根据权利要求1所述方法，其中所述步骤(b)包括给所述第二金属部件的那部分预热的步骤。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(c)的实施是通过在第一和第二金属部件上施加轴向力。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(c)是这样实施的，在工具衬套中支撑第二金属部件，并将所述第一金属部件的第一部分相对于所述工具衬套和所述第二金属部件的那部分以轴向重叠的方式设置。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(a)是通过提供传动轴管和端接头实施的。
10.一种用于执行磁脉冲焊接操作将第一和第二金属部件固定在一起的的方法，包括以下的步骤(a)提供第一和第二金属部件；(b)提供第一和第二感应器；(c)把所述第一金属部件定向成使得它的第一部分设置在所述第一感应器内，并且它的与所述第一部分相邻的第二部分不是设置在所述第一感应器内；(d)给所述第一感应器通电，以提高所述第一金属部件的第一部分的温度使之软化，但是基本上不增加所述第一金属部件的第二部分的温度，也基本上不使之软化；(e)使所述第一金属部件的第一部分相对于第二金属部件的一部分和所述第二感应器以轴向重叠的方式设置，在所述第一金属部件的第一部分和所述第二金属部件的那部分之间留有间隙；以及(f)给所述第二感应器通电，以使所述第一金属部件的第一部分变形而接合所述第二金属部件的那部分，从而将第一和第二金属部件固定在一起。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述步骤(b)是这样实施的，通过将所述第一金属部件的第一部分设置在预热感应器内，以及给所述预热感应器通电来增加所述第一金属部件的第一部分的温度，使之软化。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述步骤(b)进一步地是这样实施的，当所述预热感应器通电时将所述第一金属部件的第二部分设置在冷却装置内，以防止所述第一金属部件的第二部分的温度实质性地升高。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述步骤(b)是这样实施的，给所述冷却装置提供与所述第一金属部件的第二部分接合的插件，以防止所述第一金属部件的第二部分的温度实质性地升高。
14.根据权利要求10所述的方法，其中所述步骤(a)是这样实施的，为所述第二金属部件提供锥形表面，该锥形表面的最大直径在所述步骤(b)完成之后基本上等于所述第一金属部件的第一部分的内径。
15.根据权利要求10所述方法，其中所述步骤(b)包括给所述第二金属部件的那部分预热的步骤。
16.根据权利要求10所述的方法，其中所述步骤(c)的实施是通过在第一和第二金属部件上施加轴向力。
17.根据权利要求10所述的方法，其中所述步骤(c)是这样实施的，在工具衬套中支撑所述第二金属部件，和将所述第一金属部件的第一部分相对于所述工具衬套和所述第二金属部件的那部分以轴向重叠的方式设置。
18.根据权利要求10所述的方法，其中所述步骤(a)是通过提供传动轴管和端接头实施的。
19.一种用于执行磁脉冲焊接操作将第一和第二金属部件固定在一起的方法，包括以下的步骤(a)提供脉冲感应器和预热感应器；(b)将第一金属部件定向成使得它的一部分设置在所述预热感应器内；(c)给所述预热感应器通电，以增加所述第一金属部件的所述部分的温度，从而基本上减少所述第一金属部件的相邻部分的加热；(d)移动所述第一金属部件，以使其加热的部分在所述脉冲感应器内相对于所述第二金属部件的一部分以轴向重叠的方式且其间具有间隙地设置；以及(e)给所述脉冲感应器通电来执行磁脉冲焊接操作，以将所述第一金属部件的那部分与所述第二金属部件的那部分固定在一起。
全文摘要
执行磁脉冲焊接操作将第一和第二金属部件(10、20)固定在一起的方法，包括首先提高所述第一金属部件的第一部分(11)的温度使之软化，但是基本上不提高与所述第一部分(11)相邻的第一金属部件的第二部分的温度，也不使所述第二部分软化。然后，将所述第一金属部件的第一部分(11)以轴向重叠的方式相对于所述第二金属部件(20)的一部分设置，并在其间留有间隙。将感应器(40)相对于所述第一和第二金属部件(10、20)的轴向重叠的部分设置。给所述感应器(40)通电，使得所述第一金属部件(10)的第一部分(11)变形而接合所述第二金属部件(20)的那部分，从而将所述第一和第二金属部件(10、20)固定在一起。
文档编号B62D27/02GK101065210SQ200580040386
公开日2007年10月31日 申请日期2005年11月23日 优先权日2004年11月24日
发明者B·A·亚布洛奇尼科夫 申请人:达纳公司