本发明涉及一种用于摩擦电流接合两个或更多个工件的方法和装置。
背景技术
由实践已知通过摩擦焊接来接合两个或更多个工件，其中工件在其接合面上相互接触并且在低挤压压力下通过相互的相对运动而短促地打磨(angerieben)。在随后的挤压压力明显提高且持续相对运动的摩擦阶段中，工件在其接触的接合面上通过摩擦热量被塑化，然后在镦锻阶段通过高镦锻压力被压在一起。在摩擦阶段和镦锻阶段中，在工件接合面之间的接合区中，塑化材料会在形成凸起的情况下被推压在一起，其中还会发生工件缩短。这种传统的摩擦焊接方法可能会导致接合区的纤维偏转和硬化。
专利文献DE29922396U1教导了这样一种包括打磨和摩擦阶段的摩擦焊接，其被设计用于具有非常不同的熔化特性的待摩擦焊接的关键工件。利用附加的供热装置，除了摩擦熔化热量以外，还可以有针对性地将更多的热能单侧作用地或单侧加强作用地施加在待摩擦焊接的工件之一上，以对不同的熔化特性进行补偿并对难熔化的工件进行附加的供暖。该附加的供热装置优选是感应加热，在此可以是利用热空气、明火或者利用铺设于工件上的电阻加热等的变型。
此外由实践已知，待焊接的工件在摩擦焊接中是以电感应的方式被预热，或者是在接合过程之后再对所接合的焊接件进行电后加热(elektrisch)。专利文献DE102016217024Al和WO2010/054627Al教导了在工件的摩擦阶段和摩擦相对运动期间对工件的感应加热。
专利文献DE69313131T2涉及工件的磨损焊接(Abriebschweiβen)，这些工件被夹紧地交错插入并进而沿插入方向相对于彼此运动，在接触点或夹紧点上形成磨损并通过电加热在相对运动过程中加强磨损。在此，被磨掉的颗粒通过焊接形成具有增强扩散结合的磨损连接。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种改进的接合技术。本发明通过方法和装置独立权利要求中的特征来实现该目的。
所要求保护的接合技术，即用于摩擦电流接合的方法和装置，具有多种优点。
根据本发明，工件是在多阶段过程中被摩擦接合，该过程分为接近阶段、随后的打磨阶段以及随后的利用电传导加热(elektrischer konduktiver)的镦锻阶段。
传统摩擦焊接中存在的附加摩擦阶段被省略，该附加摩擦阶段包括在高挤压压力下的摩擦相对运动和由产生的摩擦热所引起的工件深度塑化。替代于此地，在本发明中是通过电传导加热使工件被加热和塑化。由此，在本发明中消除了停止摩擦相对运动时的高扭矩峰值，这种高扭矩峰值会给传统的摩擦焊接机带来很大的机械负荷。
该过程可以从在前的校准开始，其中工件在位置检测和零点校准的情况下发生接触，然后通过距离测量再次拉开距离，随后开始接近阶段。在摩擦电流接合过程中，优选使用距离控制或距离调节来设定所接合的制成构件的期望长度。
待接合的工件在接近阶段中以它们相互面向的接合面彼此靠近并接触。这可以沿着一个共同的过程轴线或机器轴线进行。接合面横向于、特别是垂直于该过程轴线。该轴线优选水平地布置并且具有主要为水平的方向分量。
在打磨阶段，发生接触的接合面只是在挤压压力下通过彼此相对运动被打磨和拉平(egalisiert)。这种彼此相对运动横向于过程轴线发生。在此，接合面可以被平整、相互适应并全面贴靠。这有利于更好的电流流动。在打磨阶段引入的摩擦能量和热量仅用于将接触的接合面拉平。其不足以使各个相邻的工件区域塑化和熔化。
挤压压力可以沿着所述过程轴线作用。摩擦相对运动优选是围绕过程轴线的旋转运动，其可以连续地或以振荡的方式发生。打磨阶段开始于接合面的接触。工件的相对运动可以在接触之前在工件还间隔开的情况下开始。在打磨阶段，可以消除接合面上的形状误差、斜切、污染、油浸等。
工件可以分别具有多个接合面。通过打磨，所有接触的接合面可以相互对齐，并且平坦且全面地彼此以用于随后的接合。这有利于在利用电传导加热进行摩擦电流接合期间对所有接合面进行均匀加热。
在打磨阶段结束时，工件或者说接触的接合面停止。摩擦相对运动的结束优选是永久性的，即，摩擦相对运动在紧接下来的墩锻阶段中不再恢复。
在镦锻阶段中，工件或接触的接合面在挤压压力下并在利用电流进行电传导加热的情况下被推压在一起、塑化并接合。挤压压力沿着过程轴线作用。电流优选是调节的恒定电流。使用直流电是有利的。电流密度优选可以为例如30-50A/mm2。
工件具有导电材料。特别适合并优选用于摩擦电流接合的是含铁金属，尤其是钢或含铁铸造材料。金属钛材料或镍基合金也是优选适用的。
在镦锻阶段中的轴向挤压压力可以与打磨阶段中的大小相同，或者优选稍微增加。电传导加热在墩锻阶段开始时立即出现并在墩锻阶段持续。
在一种优选的实施方式中，电压或电流只在摩擦相对运动结束之后才接通，特别是在工件处于静止接触以及在挤压压力下时才接通。工件在挤压压力下的塑化和接合主要是通过在镦锻阶段中的电传导加热进行。接合所需的热量基本是通过电传导加热引入。在镦锻阶段有利的是，工件不进行任何相互摩擦的相对运动。
所要求保护的摩擦电流接合技术提供了接合技术和所制造接合部件的高再现性和质量。始终能够转换相同数量的能量并用于接合过程。通过相关接合面的均匀电流流动以及对接合面区域的均匀加热确保了高且均匀的接合质量。接触的接合面和邻接的工件区域通过电流热量被塑化。在摩擦焊接中常见的由接合面上的腐蚀、粗糙、润滑膜等所引起的加热波动能够被避免。
已知的对工件的感应加热不能实现与根据本发明的利用电传导加热的摩擦电流接合相同的质量。这种感应加热也更低效。
与其它的接合技术相比，所要求保护的摩擦电流接合技术实现了更小的工件缩短，并且能够更好、更准确地符合用于接合件或焊接件的尺寸规定。在摩擦电流接合过程中，可以更容易并且更准确地进行接合件或焊接件的长度调节。
此外，在接合过程中用于工件的定位、特别是转动定位所需要力和力矩更小。该定位可以在打磨时被容易、准确地调节，并且在随后利用镦锻和电传导加热进行接合时不必再改变定位。可能的位置设定，例如工件在完成的接合或焊接部件上的转动位置，可以被精确地遵守。在工件的接合区上形成的凸起可以被避免，或者至少相比于摩擦焊接明显地减少。
在摩擦电流接合过程中，由于对工件的电传导加热，能够更好地监督和控制接合区中的和其它工件区域中的温度，并在必要时进行调节。结合温度检测，可以通过使用金属的与温度相关的转变特性和相特性以及相关的ZTU图来优化金属的摩擦电流接合过程。所期望的组织形态(Gefügeausbildung)可以有针对性地、可靠地并且可重复地实现。
温度可以被直接或间接地检测，例如通过电阻R，例如用于过程监视的目的。电阻R还可以用于控制或调节打磨过程，例如结合低电流密度。这对于节省周期时间、可再现性、过程保护以及质量保证方面是有优势的。
与现有技术相比，所要求保护的摩擦电流接合技术具有更短的过程时间和更经济的能源使用。通过利用电流对待接合工件的传导加热，能够均匀、快速和可精确控制地加热工件。与传统的摩擦焊接相比，升温或者说加热不仅发生在接合区的被严格限制的区域内，而且还发生在相邻的其它被电流流过的工件区域中。在摩擦电流接合过程中，加热区显著加宽。加热可以在工件的接合面的横截面上均匀地进行。由此可以避免或至少减少在传统摩擦焊接中常见的接合区中接合部件的硬化。
由于待接合的工件是被均匀地电传导加热，因此镦锻阶段的挤压压力明显小于在传统摩擦焊接中的挤压压力，并且足以用于摩擦电流接合过程。例如对于工件配对钢/钢来说，相比于通常高达250Mpa的传统摩擦焊接，其可以是125MPa，特别是100MPa或更小。在所要求保护的摩擦电流接合中，在打磨阶段和可能的镦锻阶段中的轴向挤压压力可以是例如20-40Mpa。该挤压压力被计算为工件的接触接合面的单位面积上的挤压力。
较小的挤压压力和墩锻压力避免或减少了在接合区处工件材料中的纤维偏转。在减少的挤压压力下的短打磨时间也有利于这一点。此外，可以实现均质的组织形态。这对于改善和增加接合区区域中的强度、特别是疲劳强度和防腐蚀方面具有优势。均质的接合不易被腐蚀。此外，还可以避免被卷起的凸起及其腐蚀问题。
在所要求保护的摩擦电流接合中，取消了在传统摩擦焊接中存在的摩擦阶段，该摩擦阶段包括工件在高挤压压力和摩擦加热下的相对运动。所要求保护的摩擦电流接合技术具有明显更小的力或力矩和明显更低的能量需求。用于惯性摩擦焊接的回转质量不是必需的。与传统的摩擦焊机相比，这一方面能够减小摩擦电流接合装置的尺寸，或者在尺寸保持不变的情况下能够连接明显更大的工件和更大的接合面。
在所要求保护的摩擦电流接合技术中，具有低挤压压力的打磨阶段用于将接触的接合面拉平(Egalisierung)。据此消除了不平整处，并且使接触面上的有效接触区域被扩大和均匀化。这对于在接触的接合面上的全面和均匀的电流流动和对工件的相应均匀的加热是有利的。对于这种打磨而言，前述的低挤压压力和极短打磨时间就足够了。极短打磨时间可以例如是一秒或更少。根据工件和材料配对，该时间也可以略微增加。
在打磨阶段中，有利的是不对工件加载电流。替代地，也可以仅短时地和脉冲式地加载电流和低电流密度。通过将电流集中在接合面的不平整处的尖端上，能够容易地去除这些不平整处。在该情况下，所引入的热能非常低。这有利于将用于打磨和工件相对运动所需的驱动能量保持在较低水平。接合面上的不平整处可以更容易且更快地平整，由此避免或至少显著减少了接触接合面上的会增加摩擦的粘附现象(Hafterscheinung)。
在所要求保护的摩擦电流接合技术中，工件在接合区的塑化以及接合连接的形成基本上或者是仅在镦锻阶段中并且是在电流和传导加热的作用下发生。由于所述的拉平，塑化和传导加热在打磨阶段是均匀的，并且可以在整个接合面尺寸上发生。加热不仅局部地发生在接合区上，而且还延伸到达了相邻工件区域的较大轴向长度。
工件在其接触的接合面上的摩擦相对运动可以在打磨阶段之后结束。因此不再需要在正常的摩擦焊接中常见的较长摩擦阶段。随后的墩锻阶段可以在摩擦相对运动结束时或结束后进行。优选地，在进一步的镦锻阶段过程中，工件的摩擦相对运动也被取消。
对工件的电流加载及其传导加热主要发生在镦锻阶段。电压或电流的施加可以在打磨阶段或摩擦相对运动结束时或结束后进行。可以在墩锻阶段结束时切断电流，在此同时取消挤压压力。也可以在墩锻阶段和挤压压力结束前切断电流。
在打磨阶段，工件可以在它们接触的接合面上相对于彼此连续地转动和/或振荡地运动。转动运动特别有利于对接合面的拉平和精确以及可定义的适配。替代地或附加地，振荡相对运动可以是平移的。此外有利的是，接近运动和挤压以及墩锻力是沿着摩擦电流接合装置的墩锻轴线或机器轴线发生。过程轴线可以是墩锻轴线。
电源和用于待接合工件或者与待接合工件相连接的装置部件、特别是工件接收部的供电部能够以任何合适的方式构造。用于在镦锻阶段对工件进行电传导加热的电流接通可以在工件或工件接收部的静止位置上进行。其也可以在打磨阶段在例如低速下进行。
对于优选转动的工件接收部而言，可以在静止状态下递进的电极(例如以夹爪形式)或永久性(permanente，固定)电滑动触点(例如电刷)是有利的。另一个工件接收部可以持久地与供电部导电地连接。为了补偿轴向工件递进，供电部可以配备弹性导线或者被设计为以其它方式可跟踪的。
有利的是可编程的以及可控制和调节的电源。特别有利的是具有恒定电流调节以精确符合程序控制的过程电流的直流电源。
此外，电源和电流引导部(stromführenden Teile，载流部)采用中频技术组件是有利的。这种具有例如1000Hz的中频技术是标准化的且成本低廉。在劳动保护和电磁兼容性(即所谓的EMV)方面也是有优势的。
电流引导点处的电压、特别是电极上的电压可能很低。它们可以在例如5-30V的直流电的范围内。这对于事故预防和安全方面是有利的。
对于可能出现在摩擦电流接合装置和工件上的磁化，可以提供消磁装置。消磁装置能够以不同的方式来构造和起作用。例如，其在利用直流电进行传导加热时可以产生相反极性的可能是脉冲式的消磁电流。该消磁电流的电流强度低于加热电流，其足以达到被磁化材料的矫顽磁力这种利用例如一个或几个电流脉冲进行的消磁可以在墩锻阶段进行。
作为所要求保护的摩擦电流接合技术的补充，可以根据需要在接合之后对工件进行电后加热。这同样可以通过传导加热来实现，替代地或附加地也可以通过感应加热来实现。在接合之前进行电预热也是可能的，但是不太期望。
所要求保护的摩擦电流接合技术的特别优点在于在传导加热过程中的均质性和均匀的电流流动以及被加载接合面的均匀加热。在面或直径上的均匀加热会使得强度和硬度相应均衡。其它的优点涉及到具有多个接合面的工件，这些接合面可以特别有利地被摩擦电流接合。在旋转摩擦焊接的情况下，加热会由于运动而不均匀。其在外部的工件边缘上要大于内部区域。
此外，由相同或不同的导电材料制成的工件能够以有利的方式被摩擦电流接合。导电材料可以例如是不同的金属，或者也可以是其它相同的或不同的材料组合，例如钢与含铁铸造材料。与传统摩擦焊接技术相比，传导加热能够节省大量的过程时间和工件材料。此外，可以显著改善接合特性。对于在接合面上具有不同厚度的工件的摩擦电流接合，特别是对于相对薄壁的管件，可以获得特别的优势。
所要求保护的摩擦电流接合技术的另一优点是减少了来自接合区的轴向散热。在传统摩擦焊接中，轴向温度梯度和散热是很高的。而在摩擦电流接合中，其会由于均匀的传导加热而明显地减少。在摩擦电流接合中，可以避免或者至少显著地减少与特别是金属工件的强温度梯度相关的不利接合变化。
在摩擦电流接合中，通过均匀的电传导加热，将足够的热量引入到工件和所形成的接合件中，这对于实现稳定的、可管理的以及必要时可适应特殊材料要求、特别是接合规范的接合过程是有利的。此外，还能够更容易地和质量更好地去除接合区上的可能的凸起。
利用所要求保护的摩擦电流接合技术，还可以安全可靠地接合重工件材料，特别是含有铬和/或锰的钢等等，虽然这些工件材料通常是不可焊的或非常难以焊接的。这特别适用于含铬钢，例如102Cr 6等。其它的临界材料(kritische Werkstoffe)，例如脆性、特别是冷脆性的烧结材料，铸造材料以及在热特性方面不同和有问题的材料组合，也能够被良好、高质量地摩擦电流接合。轻金属也可以彼此摩擦电流接合。
另一个特别的优点是已经提到的避免或减少了在接合区上的材料接合中的硬化。通过所要求保护的摩擦电流接合，能够在接合件上实现硬塑性的和可延展的接合和连接区域。与传统摩擦焊接中常见的脆化和延展性损失相比，即使是临界材料，例如含铬钢，在接合区域上也呈现出弯曲回弹特性。此外，通过在摩擦电流接合期间使接合区域上的材料接合适度均衡避免或至少显著减少了内部切口应力和由此带来的腐蚀敏感性。
本发明的其它优选实施方式在从属权利要求中给出。
附图说明
在附图中示例性和示意性地示出了本发明。其中：
图1以示意性侧视图示出了摩擦电流接合装置，
图2至图5以多个步骤示出了两个工件的接合过程的流程，
图6示意性示出了挤压压力、相对运动速度和电流的时间变化曲线，图7至图10以不同视图示出了供电部及其部件，和
图11和图12示出了消磁装置的两种变型。
具体实施方式
本发明涉及用于两个或更多个工件(2，3)的摩擦电流接合的方法和装置(1)。本发明还涉及一种利用所要求保护的方法由工件(2，3)制成的接合件(6)。
工件(2，3)可以由相同或不同的导电材料制成。特别地，它们可以由相同或不同的金属构成。这种金属可以是例如含铁的钢或铸造材料、钛或镍基合金等。特别地，一个或多个工件(2，3)可以由焊接临界的含铬和必要时含锰的钢制成，例如102Cr 6。
工件(2，3)可以具有可不同设计的形状和特别是横截面设计。它们可以被构造为中空体、特别是管，或者由实心材料制成。工件(2，3)具有相互面对的接合面(4，5)、特别是端面，在其上建立接合连接。在每个工件(2，3)上可以布置有一个或多个接合面(4，5)。细长的工件形状是有利的。
在所示实施例中，两个工件(2，3)相互摩擦电流接合。为此使用的摩擦电流接合装置(1)可以被构造为例如所谓的单头机。替代地，可以通过一次夹紧(Aufspannung)同时或依次接合三个或更多个工件(2，3)。为此，例如可以使用所谓的双头机或者也可以使用两个单头机。在图1中，工件(2，3)是在已经接合的状态下被示出为接合件(6)。
在图1中示出的摩擦电流接合装置(1)具有摩擦装置(7)和墩锻装置(8)以及机架(9)和电源(16)。机架(9)例如被构造为机座，摩擦装置(7)和墩锻装置(8)布置在其上。电源(16)可以被安放在机架(9)、特别是机座之中或之上。
通过摩擦装置(7)，待接合的工件(2，3)能够以述方式在挤压压力和摩擦接触下彼此相对运动。通过墩锻装置(8)，可以实现工件(2，3)的相对递进和接触。此外，可以向接触的工件(2，3)施加用于摩擦电流接合的挤压压力。所述的递进和挤压力或者说挤压压力的施加可以沿着优选平躺的、特别是水平的轴线(10)进行。该轴线可以是所谓的机器轴线或过程轴线，或者也可以是接合轴线或镦锻轴线。接合面(4，5)在所示实施例中垂直于轴线(10)取向。
摩擦电流接合装置(1)具有工件接收部(14，15)，用于接纳一个或多个待接合的工件(2，3)。工件接收部(14，15)例如被构造为手动或机械操作或运行的卡盘。其可以特别是所谓的中心夹具(Zentrumspanner)。
墩锻装置(8)将待接合的工件(2，3)从根据图2的初始间隔开的装载位置运送至以它们的接合面(4，5)彼此接触，并产生可控制的且优选可调节的挤压力(F)。该挤压力例如沿轴线(10)的方向作用。挤压力(F)的大小可以根据接合面(4，5)的面积大小和作用在那里的挤压压力来确定。在本实施例中，挤压压力为约25Mpa。
处于接触中的工件(2，3)通过摩擦装置(7)彼此相对运动、特别是转动。
在相对运动过程中，一个或多个待接合的工件(2，3)运动。在所示出的实施例中，左侧工件(2)相对于右侧工件(3)运动。用于工件(2)的一工件接收部(14)是可运动的，而用于工件(3)的另一工件接收部(15)是静止的。所述相对运动是围绕优选为中心轴线(10)的转动运动。该轴线例如也是工件(2，3)的中心纵轴线。转动运动可以是旋转的或者逆向的或振荡的。这种相对运动可以在接触之前或接触时开始。该相对运动也可以横向于轴线(10)发生。所述横向方向包括直角和倾斜取向。
摩擦装置(7)具有机头(11)，该机头具有用于相关工件接收部(14)的驱动器(12)。在旋转相对运动的情况下，该驱动器可以是主轴驱动器，借助该主轴驱动器围绕轴线(10)旋转地驱动被抗扭地联接到工件接收部的主轴。机头(11)可以是刚性地或可运动地布置在机架(9)上。其可以特别是沿着轴线(10)可移动地或可行进地并且在需要时可锁定地安装在机架(9)上。
另一工件接收部(15)布置在配对保持件(13)上，该配对保持件同样是被刚性地或可运动地、特别是沿着轴线(10)可行进地并在需要时可锁定地布置在机架(9)上。该配对保持件(13)可以例如被构造为具有夹紧设备或别紧装置(Absteckeinrichtung)的滑块(Schlitten)。
在所示实施例中，配对保持件(13)是通过墩锻装置(8)递进到机头(11)以及保持在那里的工件(2)。这是用箭头标识的线性递进运动。为此，墩锻装置(8)具有墩锻驱动器(19)。该墩锻驱动器在所示实施方式中可以例如是流体的、优选液压的缸或者是具有电动马达或液压马达的马达驱动器。在所示实施例中，墩锻驱动器产生压力(F)并通过从动元件(20)(例如活塞杆)将工件接收部(15)和配对保持件(13)推向机头(11)。为此目的，墩锻驱动器(19)至少为了进给功能而被静止地布置并支撑在机架(9)上。墩锻力和墩锻压力以及递进是沿着轴线(10)作用。
在另一种未示出的实施方式中，墩锻驱动器可以布置在机头(12)上。它可以例如产生牵引力并且可以将配对保持件(13)沿着轴线(10)朝向机头(11)牵引。
电源(16)通过电源线(17，18)与工件(2，3)导电连接。电源线(17，18)能够以任何合适的方式构造。电源线(17，18)可以直接或间接地、例如通过工件接收部(14，15)与工件(2，3)导电连接。
一个电源线(18)布置在配对保持件(13)的例如导电的、特别是金属的工件接收部(15)上。其例如被抗扭地布置并通过墩锻驱动器(19)轴向地移动。另一电源线(17)布置在机头(11)的例如运动的且同样导电的、特别是金属的工件接收部(14)上。
电源线(17，18)可以分别具有一个或多个电极(28，28’，29，29’)。这些电极可以不同地构造。运动的工件接收部(14)上的电源线(17)可以具有例如多个滑环传输器等形式的电极(28)，这些电极布置在围绕轴线(10)旋转并且至少局部为圆形的工件接收部(14)的周向上。电极(28)或滑环传输器通过一个或多个导线(30)与电源(16)导电地连接，并且通过滑环、电刷等与工件接收部(14)导电地连接。
配对保持件(13)的工件接收部(15)上的电源线(18)可以与工件接收部(15)的必要时可运动的夹紧元件导电地连接。该夹紧元件可以例如形成(多个)电极(29)。电源接头(18)通过一个或多个导线(32)与电源(16)连接。
电源(16)能够以任何合适的方式构造。电源具有可编程控制器(24)。电源(16)可以在输入侧连接到电源，特别是连接到本地交流电网。电源在输出侧通过电源线(17，18)向工件(2，3)输出电流，优选为直流电。电流沿轴线(10)的方向流经所接触的工件(2，3)并传导加热工件。
电源(16)被构造为可编程的和可控制的以及优选可调节的电源，特别是直流电源。其具有恒定电流调节器，可以使受控输出的电流保持恒定。电源(16)可以通过一个或多个电流程序来控制。其在例如约10V的低电压下工作。例如，电源(16)以例如1000Hz的中频技术工作。输出电流可以是100kA或更高。电流输出是根据接合面(4，5)的面积大小来调整。电流密度可以例如为25至35A/mm2或更低。
电源(16)可以具有一个或多个可控制或可调节的电性变频器(26)，该变频器例如输出频率为例如1000Hz的、优选恒定的交流电流。除了例如集成的整流器之外，电源(16)还可以具有一个或多个电变压器(27)，所述电变压器必要时可以被布置得更靠近工件(2，3)。图1和图7示出了这种布置。
摩擦电流接合装置(1)可以具有检测装置(25)，用于在接合过程中检测一个或多个工件(2，3)上的或其它位置处的物理参数。检测装置(25)可以包括用于一个或多个物理参数的一个或多个传感器。在所示出的实施方式中，检测装置(25)在接合过程中例如直接在一个或两个工件(2，3)上检测温度。
替代地或附加地，可以在过程中检测电压U和电流强度I，并基于此导出电阻R作为过程变量。电阻R也能够以其它方式检测。电阻R允许直接推断出平均温度或所施加的热量。这可以用于过程监控(in-prozess-Monitoring)。另一方面，在利用低电流密度打磨过程中，可以触发电阻R，以便自动控制打磨的持续时间或结束。
在金属工件的情况下，材料的转化和相行为以及组织形态取决于温度水平并在必要时取决于温度的变化，特别是取决于冷却速度。由传导热量引起的对待接合材料的加热和特别是冷却以及所期望的相和组织形态可以通过所检测到的温度及其大小和时间变化来目标精确地控制和根据需要进行调节。用于温度检测的传感装置能够以任何合适的方式构造，例如构造为红外传感器、热成像相机等。
仅示意性示出的检测装置(25)可以具有一个或多个其他的传感器。这些传感器可以例如是测距仪(Wegmesser)，用于检测摩擦电流接合过程中的工件缩短、配对保持件(13)的距离等。其它的传感器可以例如检测待接合工件(2，3)的表面特性、工件(2，3)上的加热区域(22)的位置和大小、接合面(4，5)上的压力、工件变形、特别是在接合区(21)上的凸起(23)的形成等。
图2至图5以多个步骤示出了摩擦电流接合过程的示例性流程。在图6中以简图示出了在摩擦电流接合过程中所出现的挤压压力(p)、电流(I)和相对运动的速度(v)、特别是旋转的工件接收部(14)的转动速度或者说转速关于时间(t)的变化曲线。此外还示出了接近阶段(a)、打磨阶段(b)和墩锻阶段(c)。相变是用I和II表示，墩锻阶段(c)的结束用III表示。
所示出的(p)、(I)和(v)的图形可以改变。特别是可以改变电流(I)的大小和曲线，以便有针对性地控制和在必要时调节工件(2，3)上的温度和组织形态。这可以例如借助于电流程序来实现。
图2示出了初始位置或装载位置，工件(2，3)在该位置上被引入到其各自的工件接收部(14，15)中并沿轴线(10)的方向相互间隔开。然后使工件(2，3)在其端侧的接合面(4，5)上物理接触。工件(3)在此是由墩锻装置(8)沿着轴线(10)向前推动，并且在工件接触时向其施加挤压力(F)。在图2中示出了所谓的接近阶段(a)。在此之前可以进行开头提到的校准阶段。在进给运动时进行测距。摩擦电流接合过程可以通过对进给的距离控制或者距离调节并通过基于此的工件缩短长度调节来操作。
在该接触位置上开始以箭头标识的旋转摩擦相对运动。图3示出了打磨阶段(b)及其开始I。
工件(2)是通过主轴驱动器(12)来围绕轴线(10)相对于静止的或固定的工件(3)转动。在此，根据图6初始较低的轴向挤压压力(p)起作用。旋转运动在工件(2，3)接触时开始或已经提前开始。图6示出了在前的开始。
在打磨阶段(b)中，电源(16)例如被切断。在打磨过程中，端侧的接合面(4，5)在摩擦接触中被拉平，在此去除了不平整处，并且接合面(4，5)被平整并相互适应。
打磨阶段(b)的持续时间非常短。例如为1秒或更短。在打磨阶段(b)，在接合面(4，5)相互接触的接合区(21)中会产生很少的热量。以虚线示出的加热区域(22)沿轴向方向看是较小的。
图6示出了打磨阶段(b)中的一种变型，在该变型中，电源(16)被接通并发出一个或多个短时电流脉冲。这种电流脉冲在图6中用虚线示出。
图4和图5示出了紧随其后的墩锻阶段(c)。在打磨阶段(b)结束时，根据图4，工件(2，3)的相对运动结束。这通过以虚线表示的运动箭头来标识。例如根据图5，工件(2，3)在接下来的镦锻阶段(c)的进程中保持在其在打磨阶段(b)结束时所处的相对位置。在该固定的相对位置上，工件(2，3)可以相对于彼此定位在所限定的转动位置上。
在制动阶段，或者从仍然接触的工件(2，3)停止起，或者在仍然接触的工件(2，3)停止之后，挤压力(F)和作用在接合面(4，5)上的挤压压力保持不变或增加。图6示出了在该位置或者在时间点II处的特性。
在打磨阶段(b)，图6所示的挤压压力(p)是较低的并且例如约为25Mpa。在墩锻阶段(c)，挤压压力(p)基本上保持在该值。替代地，挤压压力可以提高到前述的125MPa，或者优选提高到100MPa或者更小。
挤压压力(p)可以在墩锻阶段(c)保持恒定。替代地，挤压压力可以变化，例如以斜坡状或阶梯状的方式增加或减少，或者也可以围绕一恒定的或变化的平均值来波动。墩锻阶段(c)持续得比打磨阶段(b)长。持续时间可以是例如1-4秒。
图5示出了镦锻阶段(c)的最后时期，在此工件(2，3)被接合并形成已连接的接合件(6)，该接合件可以在必要时在接合区(21)具有环形的凸起(23)。图4和图5还示出了在传导加热期间加热区域(22)的轴向增长和加宽。
在墩锻阶段(c)的开始时间II，在图6中以实线示出的电流(I)例如被接通且引起传导加热。在所述在打磨阶段(b)具有在前电流脉冲的变型中，其也可以在墩锻阶段(c)的开始时间II显著地增加。
电流(I)的接通可以例如在相对运动的制动阶段，在速度(v)下降时或者在接触的工件(2，3)静止时进行。电流(I)可以在静止时立即接通，或者在必要时也可以通过可调节的时间延迟被接通。
电流(I)在墩锻阶段(c)保持接通。其可以在根据图6的墩锻阶段(c)是恒定的。替代地，其可以变化。这种变化可以是斜坡式的或阶梯式的，增加或减少，或者也可以围绕一恒定的或变化的平均值来波动。挤压压力(p)和电流(I)的曲线中的任何变化可以相互匹配。
电流(I)和可能的挤压压力(p)的曲线的变化可以由控制器根据检测装置(25)的信号或检测值来控制和在必要时进行调节。由此可以例如使得传导加热与材料、特别是金属的转化和相特性相匹配，以便例如实现期望的组织形态。
工件(2，3)在挤压压力下的塑化加热和接合完全地或主要是由镦锻阶段(c)中的电传导加热引起。
在墩锻阶段(c)的结束时间III处，关闭墩锻装置(8)和电源(16)。电流(I)可以与挤压压力(p)同时被关闭或者被提前关闭。电流(I)至少在墩锻阶段(c)的大部分持续时间内保持接通。墩锻阶段(c)的持续时间是由挤压压力(p)的持续时间来确定。
在根据图5的镦锻阶段(c)接合的工件(2，3)或接合件(6)可以在工件接收部(14，15)打开之后被取出。工件接收部(14)随后可以移动回到图2所示的初始位置或装载位置以重新装载。
上述的摩擦电流接合过程可以在结束和/或开始时加以扩展。在开始时，可以针对尚未接合的工件(2，3)在前设置电预热。这可以传导或感应地进行。
在结束时，可以在后设置电后加热过程。这同样可以传导或感应地进行。在图6所示图表中以虚线示出了电流(I)的延长的接通持续时间。
图7示出了根据图1的摩擦电流接合装置(1)的一个结构实施例。该摩擦电流接合装置(1)具有摩擦装置(7)、墩锻装置(8)、机架(9)、可控制的且在必要时可调节的电源(16)连同电源线(17，18)和供电部，用于向保持在工件接收部(14，15)中的工件(2，3)加载电流，以便对工件(2，3)进行传导加热。在图8中，电源线(17，18)和供电部是被孤立地示出。
图7还示出了消磁装置(32)，利用该消磁装置可以使摩擦电流接合装置(1)的被加载电流地组件并在必要时使工件(2，3)、特别是接合件(6)消磁。
在图7中示意性示出了电源(16)。焊接电源(16)的一个或多个变频器(26)未示出。图7示出了变压器(27)的布置，该变压器通过导线(30，31)与接线点(17，18)连接。变压器(27)布置在工件(2，3)附近并且例如在上方。其可以与例如滑块式的调节装置相连接，并根据需要被移除。
变压器(27)通过导线(30，31)与电源线(17，18)连接。导线(30，31)可以被构造为刚性的或柔性的。从变压器(27)到电源线(18)的导线(31)是例如可移动的，并且可以跟随配对保持件(13)及其工件接收部(15)沿着过程轴线或机器轴线(10)的轴向和镦锻运动。导线(31)例如被构造为多根柔性的电缆束，这些电缆成弧形地铺设并被包围在冷却包套中。从变压器(27)引导至电源线(17)的导线(30)可被构造为刚性的并且例如被构造为导电轨的形式。替代地或附加地，其可以被构造为柔性的并且是前述类型的电缆的形式。
在图7中示出了在电源线(17)上的和在配属于机头(11)并且是移动的工件接收部(14)上的电极(28，28’)的两种变型。实践中通常仅使用一种变型。图8以孤立的视图示出了其中一种变型。
图7一方面示出了一个或多个电极(28)作为滑环传输器或电刷传输器的设计。电极(28)可以根据需要将电流传输到处于旋转中的工件接收部(14)。优选为多个的电极(28)在外侧分散设置在工件接收部(14)的柱形外周上并接触其外壳。在工件接收部(14)的内部可以存在柔性的导线段(Leitungsstück)，该导线段建立了到例如可径向运动的夹爪的连接。电极(28)可以是可移动的，以便安装在工件接收部(14)上。
图7和图8还示出了一种包括一个或多个、优选两个电极(28’)的电极变型，该电极可以优选在工件(2)的静止状态直接递进到保持在工具接纳部(14)中的工件(2)上并处于导电接触中。这些夹爪形的电极(28’)布置在工具接纳部(14)之前。它们通过柔性的电线(30)与变压器(27)连接。
图9示出了另一种可能的电极变型。在这种情况下，电极(28’)被构造为可轴向运动的夹爪，其可以通过未示出的调节装置沿过程轴线(10)的方向被轴向地靠放在工件接收部(14)上并处于导电接触中。该放置可以例如从前面轴向地进行，或者替代地在浮动递进过程中从前面和后面轴向地进行。
电极或者说夹钳(28’)例如被设计为磨去棱边的环形部分，并且可以与工件接收部(14)的外端侧边缘和相邻的周向区域相接触。这种电极形状特别适合于在工件接收部(14)和工件(2)静止时加载电流。
图7和图8示出了配对保持件(13)的工件接收部(15)上的电源线(18)。工件接收部(15)包括例如多个、特别是两个可移动的并且可递进到工件(3)上的夹爪，这些夹爪形成电极(29)并与柔性的导线(31)相连接。
图10示出了一种变型，其中电源线(18)布置在工件(3)上，该工件通过工件接收部(15)保持在配对保持件(13)上。为此设置一个或多个、特别是两个夹爪形的电极(29’)，它们可以通过自身的执行机构向工件(3)递进并且可以处于导电接触中。电极(29’)通过优选为柔性的导线(31)与变压器(27)连接。
消磁装置(32)可以有不同的设计。在利用直流电对接触的工件(2，3)进行电传导加热的情况下，推荐使用产生具有相反极性的消磁电流的消磁装置(32)的电性设计。消磁电流的电流强度足以达到使被加载部分消磁所需的矫顽磁力。消磁电流可以一个或多个电流脉冲的形式发出。消磁可以在墩锻阶段(c)进行，特别是在墩锻阶段结束时进行。
图11和图12示出了用于这种电消磁装置(32)的示例性电路图。
在图11所示的变型中，消磁装置(32)具有自己的变频器(33)和自己的变压器(34)，它们通过导线与电源线(17，18)连接并输出直流电。其极性与借助变频器(26)和所配属的变压器(27)所产生的传导加热电流的极性相反。电源线(17，18)可以位于工件上或接合件(6)上和/或位于工件接收部(14，15)上。变频器(33)可以连接到电网。其可以被独立地控制或调节。例如，可以通过未示出的检测装置进行调节，该检测装置检测摩擦电流接合装置(1)的相关组件的磁化程度并在必要时检测工件(2，3)或接合件(6)的磁化程度。
图12示出了另一种实施方式，其仅具有一个变频器(26)，其中消磁装置(32)具有自己的变压器(34)和例如初级侧的转换开关(35)。用于传导加热的变频器(26)而通过转换开关(35)与变压器(27)并且与电源线(17，18)连接。为了消磁，切换转换开关(35)并建立变频器(26)与另一变压器(34)和具有相反极性的电源线(17，18)的电连接。
在一种未示出的变型中，转换开关(35)可以布置在次级侧。在这种情况下，有设置用于传导加热的变频器(26)和变压器(27)就足够了，其中次级侧转换开关被布置在变压器(27)与电源线(17，18)之间。为了消磁，该次级侧转换开关切换传递到接合件(6)上的直流电的极性。
图11和图12还以示意图示出了具有集成整流器的变压器(27，34)的示例性设计。替代地，该一个或多个整流器可以被不同地设计和布置。
在另一种未示出的实施例变型中，消磁可以通过机械运动、特别是震动，通过热处理或交流电，或者通过不同方法的组合来实现。此外，还存在其它的选项，例如暂时施加永久磁场等。
所示出和所描述的实施例的变型能够以不同的方式实现。不同实施例和所提及的变型的特征可以相互组合，特别是还可以互换。
附图标记列表
1 摩擦电流接合装置
2 工件
3 工件
4 接合面，端面
5 接合面，端面
6 接合件，被接合的部件，预制件
7 摩擦装置
8 墩锻装置
9 机架
10 过程轴线，机器轴线
11 机头
12 驱动器，主轴驱动器
13 配对保持件
14 工件接收部，卡盘
15 工件接收部，卡盘
16 电源
17 电源线
18 电源线
19 墩锻驱动器，缸
20 输出元件，活塞杆
21 接合区
22 加热区域
23 凸起
24 控制器
25 检测装置
26 变频器
27 变压器
28 电极，滑环
28’ 电极，夹爪
29 电极
29’ 电极，夹爪
30 导线
31 导线
32 消磁装置
33 变频器
34 变压器
35 转换开关
p 挤压压力
v 速度
I 电流
a 接近阶段
b 打磨阶段
c 墩锻阶段。
本文用于企业家、创业者技术爱好者查询，结果仅供参考。
