ИНСТРУМЕНТ И СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ Российский патент 2009 года по МПК B23K20/06 B23K20/227 H05B6/10 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в целом относится к области соединения металлических деталей путем соударения этих деталей при помощи электромагнитной силы.

В частности, изобретение относится к инструменту для соединения детали из ферромагнитного материала с деталью из парамагнитного металлического материала, содержащему первый упор и первую электромагнитную катушку.

Уровень техники

Известны способы, применяемые для соединения металлических деталей между собой, согласно которым детали помещают в сильное электромагнитное поле таким образом, чтобы, по меньшей мере, одна из деталей подверглась сильному ускорению, создаваемому полями, и быстро переместилась в направлении другой металлической детали. Кинетическая энергия, развиваемая деталью во время движения, поглощается во время соударения между двумя соединяемыми металлическими деталями. Если энергия, рассеиваемая во время удара, является достаточной, то в этом случае кристаллические структуры металлических деталей, по меньшей мере, частично смешиваются, образуя, таким образом, соединение между деталями, соответствующее сварной точке.

В связи с этим многие производители инструментов для соединения металлических деталей разработали разные решения с целью повышения прочности таких соединений, а также снижения себестоимости таких соединений.

Например, инструмент для соединения описан в патентном документе WO 97/00151. Детали помещают в электромагнитную катушку и, когда на катушку подается питание, детали стремятся механически деформироваться, что, таким образом, приводит к сцеплению между этими деталями за счет смешивания поверхностных частей их кристаллических структур. Для соединения детали необходимо поместить в катушку и затем удерживать в этой катушке. Однако такое положение трудно сохранять, так как катушка мешает доступу к соединяемым деталям. Следовательно, такой процесс соединения сложно автоматизировать, чтобы обеспечить серийное производство.

Раскрытие изобретения

В таком контексте настоящим изобретением предлагаются инструмент для соединения детали из ферромагнитного материала с металлической деталью из парамагнитного материала, а также новый способ соединения таких деталей, позволяющие автоматизировать процесс соединения и облегчающие операции позиционирования деталей перед соединением.

В этой связи инструмент в соответствии с настоящим изобретением, определенный родовым понятием, приведенным выше во вступительной части, отличается тем, что содержит вторую часть со вторым упором, при этом вторую часть механически соединяют с первой частью таким образом, чтобы первый и второй упор можно было селективно приближать друг к другу или удалять друг от друга, при этом первая электромагнитная катушка выполнена с возможностью создания электромагнитного потока, при котором деталь из парамагнитного материала отталкивается в направлении второго упора и/или деталь из ферромагнитного материала притягивается в направлении первого упора, когда указанная деталь или указанные детали находится(ятся) между первым и вторым упорами.

Объектом настоящего изобретения является также способ соединения, отличающийся тем, что:

- деталь из ферромагнитного материала и деталь из металлического парамагнитного материала помещают между первым и вторым упорами;

- затем первый и второй упоры сближают таким образом, чтобы деталь из парамагнитного материала вошла в контакт с первым упором и с деталью из ферромагнитного материала и чтобы деталь из ферромагнитного материала вошла в контакт со вторым упором и с деталью из парамагнитного материала, не соприкасаясь с первым упором;

- после этого первый и второй упоры разводят и создают определенное пространство между деталями, при этом деталь из ферромагнитного материала находится в контакте со вторым упором, а деталь из парамагнитного материала находится в контакте с первым упором;

- затем на первую катушку подают питание, чтобы сообщить деталям быстрое движение для соударения друг с другом, при этом кинетическая энергия, развиваемая, по меньшей мере, одной из деталей, должна быть достаточной, чтобы после удара детали оставались соединенными друг с другом.

При помощи инструмента и способа в соответствии с настоящим изобретением можно помещать соединяемые детали между упорами без какой-либо помехи со стороны этих упоров, так как они могут раздвигаться относительно друг друга. Затем, приближая упоры друг к другу, облегчают относительное позиционирование соединяемых деталей, при этом упоры позволяют производить предварительное позиционирование деталей.

Кроме того, когда на первую катушку подают питание, чтобы, по меньшей мере, одну из деталей резко направить в направлении другой детали, по меньшей мере, один из упоров ограничивает перемещение одной из деталей, которая оказывается зажатой между этим упором и резко перемещаемой деталью, образуя, таким образом, подобие тисков, прижимающих одну деталь к другой.

При применении инструмента и способа в соответствии с настоящим изобретением максимальную амплитуду движения устремления одной детали к другой можно зафиксировать путем простого регулирования промежутка между упорами, причем этот промежуток определяет пространство между деталями. Определяя промежуток между упорами, можно заранее просто установить кинетическую энергию, которая будет сообщаться деталям во время подачи питания на первую катушку. Иначе говоря, максимальную энергию, необходимую для соединения деталей, можно устанавливать просто и по существу многократно, регулируя промежуток между упорами и электромагнитную мощность, передаваемую первой катушкой на соединяемую деталь или соединяемые детали.

Возможность фиксирования пространства между деталями и амплитуды движения между деталями позволяет автоматизировать процесс соединения деталей.

Максимальная амплитуда движения одной детали относительно другой равна расстоянию между упорами после их разведения за вычетом расстояния, остающегося между упорами, когда они прижимают детали друг к другу.

За счет этого можно точно определить максимальную амплитуду движения.

Инструмент в соответствии с настоящим изобретением можно использовать для соединения деталей разных размеров и форм, поскольку нет необходимости помещать эти детали внутри катушки.

Кроме обеспечения установки максимальной амплитуды движения деталей, по меньшей мере, один из упоров можно также использовать для создания силы сопротивления, чтобы не допустить перемещения детали, ударяемой движущейся деталью. Для этого упоры выполняют из сверхтвердого и прочного материала, такого как кованая сталь, что снижает количество энергии, поглощаемой и рассеиваемой упором во время удара. Таким образом, большая часть кинетической энергии направляется непосредственно на границу раздела между деталями и не рассеивается упором, что обеспечивает диффузию материала одной детали в другой детали.

За счет большого уровня энергии, используемой во время магнитно-импульсной сварки, можно осуществлять соединение деталей в твердом состоянии без нагрева (при окружающей температуре кузовного цеха) за очень короткое время и без использования третьего присадочного материала. Энергия соударения между деталями от 1 до 10 Дж/см² может быть достаточной для реализации соединения между парамагнитным материалом, которым является алюминий, и ферромагнитным материалом, которым является сталь.

Согласно изобретению можно предусмотреть, например, чтобы вторая часть содержала средство намагничивания, выполненное с возможностью притягивания детали из ферромагнитного материала ко второму упору, когда эту деталь помещают между первым и вторым упорами.

Поскольку деталь из ферромагнитного материала притягивается ко второму упору, она стремится остаться в контакте со вторым упором и следовать его перемещениям. Благодаря этому отличительному признаку, перемещая второй упор, перемещают также деталь из ферромагнитного материала, что облегчает локализацию ферромагнитной детали по отношению к инструменту. Тот факт, что деталь из ферромагнитного материала притягивается в направлении второго упора и остается с ним в контакте, является преимуществом в момент соударения между деталями, так как в этом случае второй упор действует на вторую деталь силой сопротивления, что обеспечивает оптимальное использование кинетической энергии, которая практически полностью идет на материализацию соединения.

Средство намагничивания может быть выполнено, например, в виде второй электромагнитной катушки. Таким образом, после сближения упоров друг с другом и перед подачей питания на первую катушку подают питание на эту вторую катушку, образующую средство намагничивания и предназначенную для притягивания детали из ферромагнитного материала (находящейся между первым и вторым упорами) в направлении второго упора.

В идеале эта вторая катушка при подаче на нее электрического питания позволяет удерживать неподвижную деталь из ферромагнитного материала относительно второго упора. Это является преимуществом при автоматизации инструмента и способа в соответствии с настоящим изобретением, так как намагничивание детали из ферромагнитного материала является селективным и зависит только от подачи напряжения на вторую катушку или от отключения от нее напряжения.

Можно также предусмотреть, чтобы инструмент содержал первый источник электрического питания, предназначенный для селективной подачи электрического питания на первую катушку, и/или чтобы он содержал второй источник электрического питания, предназначенный для селективной подачи электрического питания на вторую катушку.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 - вид инструмента в соответствии с настоящим изобретением с соединяемыми деталями в виде металлических пластин.

Фиг.2а, 2b, 2c, 2d - четыре этапа осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением при помощи инструмента в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.3 - кривые 14 и 15 силы тока в зависимости от времени, при этом кривые 14 15 соответствуют значениям силы тока на клеммах первой и второй катушки соответственно.

Осуществление изобретения

Как было указано выше, объектом настоящего изобретения является инструмент 1 для соединения детали 2 из ферромагнитного материала с деталью 3 из парамагнитного материала. В представленных примерах деталь 2 из ферромагнитного материала является стальной пластиной, а металлическая деталь 3 из парамагнитного материала является алюминиевой пластиной.

Инструмент 1 в соответствии с настоящим изобретением выполнен в виде зажима, состоящего из первой и второй частей 4, 7, соединенных между собой таким образом, чтобы обеспечивать относительное перемещение первой и второй частей в плоскости, показанной на фиг.1 и 2а-2d. Эти первая и вторая части 4, 7 соединены между собой, образуя зажим, позволяющий сжимать соединяемые детали 2, 3 между первым и вторым упорами 5, 8.

Первая часть 4 выполнена подвижной относительно второй части 7 в плоскости фиг.1. Для этого первая и вторая части выполнены подвижными вокруг оси 16, перпендикулярной к плоскости фигуры, таким образом, чтобы селективно производить раздвигание и сближение упоров 5, 8.

Первый упор 5 выполнен на конце первой части 4 напротив второго упора, выполненного на конце второй части 7 инструмента.

Первую электромагнитную катушку 6 выполняют путем намотки первого проводника вокруг первого упора, при этом первый упор 5 имеет ось 17 симметрии, которая одновременно является осью намотки первой катушки 6.

Вторую электромагнитную катушку 9 выполняют путем намотки второго проводника вокруг второго упора 8, при этом второй упор имеет свою ось 18 симметрии, которая одновременно является осью намотки второй катушки 9.

Оси 17, 18 симметрии первого и второго упоров 5, 8 по существу являются коаксиальными, поэтому упоры находятся друг против друга, что обеспечивает непосредственный контакт между соединяемой деталью и упором без соприкосновения с катушками. Эти контакты между упорами и деталями по существу происходят по одной линии вдоль осей симметрии 17 и 18 и по существу находятся на оси сердечников катушек 6 и 9.

Для селективного блокирования относительного перемещения второго упора 8 по отношению к первому упору 5 или для селективного разблокирования этого движения, в зависимости от этапа способа, используют средство 12 стопорения.

Это средство 12 стопорения может быть выполнено в виде шпонки или элемента крепления первой части со второй частью и может приводиться в действие, например, при помощи гидропривода.

Стальную пластину 2, являющуюся деталью из ферромагнитного материала, помещают напротив второго упора 8 по существу перпендикулярно к оси 18 симметрии.

Алюминиевую платину 3, являющуюся деталью из парамагнитного материала, помещают напротив первого упора 5 по существу перпендикулярно к оси 17 симметрии.

Благодаря наличию этих упоров инструмент в соответствии с настоящим изобретением может производить точечную сварку деталей в виде пластин. Второй упор имеет слегка уплощенную форму, что обеспечивает плоскую опору для пластины 2, тогда как первый упор имеет слегка выпуклую форму, чтобы, наоборот, концентрировать электромагнитное поле, создаваемое первой катушкой 6 в зоне, коаксиальной с осями 17 и 18.

С первой и второй катушками 6 и 9 соединены соответственно первый и второй источники 10 и 11 электрического питания.

Первый источник питания должен быть очень мощным (до миллиона ампер), так как он генерирует электрическую энергию питания первой катушки, которая должна за короткий промежуток времени в несколько микросекунд резко переместить алюминиевую пластину в направлении стальной пластины. Размеры инструмента определяют в зависимости от толщины и твердости пластин или листов и в зависимости от возможности раздвигания пластин перед их соударением на конце сердечников катушек (концы сердечников катушек соответствуют упорам 5 и 8 инструмента 1).

Электрические, магнитные и динамические параметры регулируют таким образом, чтобы получить высокий уровень электрической энергии, преобразуемой в кинетическую энергию, которая, в свою очередь, преобразуется в энергию металлургического соединения, образующего диффузионный слой, соединяющий оба металла. Эту сварку производят при поверхностной плотности энергии порядка нескольких килоджоулей на квадратный миллиметр.

На фиг.2а, 2b, 2с и 2d показаны различные этапы использования инструмента в соответствии с настоящим изобретением, позволяющего реализовать соединение двух пластин/листов 2, 3 и показанного на фиг.1.

Обе детали помещают между упорами таким образом, чтобы алюминиевая деталь 3 оказалась напротив первого упора 5 и сердечника первой катушки 6 и чтобы стальная деталь 2 оказалась напротив второго упора 8 и, соответственно, напротив сердечника второй катушки 9.

На первом этапе, показанном на фиг.2а, упоры приближают друг к другу, чтобы сжать пластины между упорами и сократить расстояние между пластинами до нуля. После этого измеряют расстояние 19 между упорами 5, 8, которое по существу соответствует общей толщине обеих пластин. Это измерение можно производить при помощи датчика относительного положения между первой и второй частями, и эту величину расстояния 19 заносят в память.

На втором этапе, показанном на фиг.2b, второй упор отодвигают, чтобы создать определенное расстояние 13 между деталями/пластинами 2, 3.

Для этого расстояние промежутка между упорами (предварительно измеренное и внесенное в память расстояние) увеличивают на величину пространства 13, создаваемого между пластинами 2, 3.

Путем подачи питания на вторую катушку 11 одновременно с отодвиганием второго упора 8 от первого или после отодвигания второго упора 8 стальную деталь 2 притягивают ко второму упору 8 и отодвигают от алюминиевой детали 2.

На фиг.2с стальная деталь показана прижатой ко второму плоскому упору.

Подача электрического питания на вторую катушку 9, которое позволяет прижать стальную деталь 2 ко второму упору 8, начинается незадолго до этапа, показанного на фиг.2с, что отображено на кривой 14 силы тока на фиг.3.

После фиксирования промежутка 13 между металлическими пластинами 2 и 3 (обычно этот промежуток составляет от 1 до 2 миллиметров) подают электрическое питание на первую катушку 6 от первого источника 10 электрического питания, что показано на кривой 15 силы тока на фиг.3. Сила 15 тока повышается очень быстро, за несколько микросекунд. В этот момент алюминиевая пластина 2 резко устремляется ко второму упору 2 и развивает большую кинетическую энергию, проходя через пространство 13 между пластинами. Эти пластины соударяются, и кинетическая энергия алюминиевой пластины 3 приводит к созданию металлургического соединения между деталями 2, 3.

После удара питание второй катушки 9, а затем и первой катушки 6 отключают, причем это отключение питания производят после точки 2d на фиг.3 (см. кривые 14 и 15).

Согласно частному варианту выполнения работу первой и второй частей инструмента согласуют по положению, что позволяет автоматизировать операции сближения и раздвигания упоров. Точно так же подачу питания синхронизируют, чтобы автоматизировать все этапы управления инструментом. Согласно варианту выполнения катушки могут быть выполнены на удалении от концов упоров, чтобы облегчить доступ к упорам.

Изобретения могут быть использованы для соединения деталей из ферромагнитного материала, например из стали, с деталями из парамагнитного металлического материала, например из алюминия. Инструмент содержит первую часть с первым упором и первой электромагнитной катушкой и вторую часть со вторым упором. Вторая часть инструмента механически соединена с первой частью с возможностью селективного приближения упоров друг к другу или удаления их друг от друга. Первая электромагнитная катушка выполнена с возможностью создания электромагнитного потока, при котором деталь из парамагнитного материала отталкивается в направлении второго упора и/или деталь из ферромагнитного материала притягивается в направлении первого упора при размещении указанных деталей между упорами. Вторая катушка является средством намагничивания и выполнена с возможностью притягивания детали из ферромагнитного материала ко второму упору. В соответствии со способом после размещения деталей между упорами в контакте с ними разводят первый и второй упоры с созданием определенного пространства между деталями. На первую электромагнитную катушку подают питание, обеспечивающее резкое сближение и соударение деталей. Кинетическая энергия, развиваемая, по меньшей мере, одной из деталей, должна быть достаточной для соединения деталей друг с другом. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Инструмент (1) для соединения детали (2) из ферромагнитного материала с деталью (3) из парамагнитного металлического материала, содержащий первую часть (4) с первым упором (5) и первую электромагнитную катушку (6), отличающийся тем, что содержит вторую часть (7) со вторым упором (8), при этом вторая часть (7) инструмента механически соединена с первой частью (4) с возможностью селективного приближения первого и второго упоров (5, 8) друг к другу или их удаления друг от друга, при этом первая электромагнитная катушка (6) выполнена с возможностью создания электромагнитного потока, при котором деталь (3) из парамагнитного материала отталкивается в направлении второго упора (8) и/или деталь (2) из ферромагнитного материала притягивается в направлении первого упора (5), при размещении указанной детали или деталей (2, 3) между первым и вторым упорами (5, 8).

2. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что его вторая часть (7) содержит средство (9) намагничивания, выполненное с возможностью притягивания детали (2) из ферромагнитного материала ко второму упору (8), при размещении детали (2) между первым и вторым упорами (5, 8).

3. Инструмент по п.2, отличающийся тем, что средство (9) намагничивания выполнено в виде второй электромагнитной катушки.

4. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что он содержит первый источник (10) электрического питания, предназначенный для селективной подачи электрического питания на первую катушку (6).

5. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что он содержит второй источник (11) электрического питания, предназначенный для селективной подачи электрического питания на вторую катушку (9).

6. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что он содержит средство (12) стопорения, предназначенное для селективного блокирования относительного перемещения второго упора (8) относительно первого упора (5).

7. Инструмент (1) для соединения по п.1, отличающийся тем, что первая и вторая его части (4, 7) соединены друг с другом с образованием зажима, обеспечивающего сжатие указанных деталей (2, 3) между первым и вторым упорами (5, 8).

8. Способ соединения детали (2) из ферромагнитного материала с деталью (3) из парамагнитного металлического материала, отличающийся тем, что
деталь (2) из ферромагнитного материала и деталь (3) из металлического парамагнитного материала помещают между первым и вторым упорами (5, 8);
первый и второй упоры (5, 8) сближают таким образом, чтобы деталь (3) из парамагнитного материала вошла в контакт с первым упором (5) и с деталью (2) из ферромагнитного материала и чтобы деталь (2) из ферромагнитного материала вошла в контакт со вторым упором (8) и с деталью (3) из парамагнитного материала, не соприкасаясь с первым упором (5);
разводят первый и второй упоры (5, 8) с созданием определенного пространства (13) между деталями (2, 3), при этом деталь (2) из ферромагнитного материала находится в контакте со вторым упором (8), а деталь (3) из парамагнитного материала находится в контакте с первым упором (5);
на первую электромагнитную катушку (6) подают питание, обеспечивающе резкое сближение и соударение деталей (2, 3), при этом кинетическая энергия, развиваемая, по меньшей мере, одной из деталей, должна быть достаточной для соединения деталей (2, 3) друг с другом.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что парамагнитным материалом (3) является алюминий, и тем, что ферромагнитным материалом (2) является сталь.

10. Способ по любому из пп.8 или 9, отличающийся тем, что после сближения упоров (5, 8) и перед подачей питания на первую катушку (6), подают питание на вторую катушку, являющуюся средством (9) намагничивания и выполненную с возможностью притягивания детали (2) из ферромагнитного материала ко второму упору (8) при ее размещении между первым и вторым упорами (5, 8).