阅读说明：本技术 用于通过磁脉冲将环状件组装在管状部件中的方法 (Method for assembling a ring member in a tubular member by magnetic pulses ) 是由 埃里克·芒代尔 于 2018-12-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及用于通过磁脉冲焊接将环状件(3)组装在管状部件(2)内的方法。该方法包括以下步骤：-减小管状部件(2)的壁(20)的厚度,以在管状部件(2)的纵向部分(23)的周缘形成梯形凹部；-将环状件(3)面向凹部定位成围绕管状部件(2),环状件(3)具有与凹部的形状互补的形状；-将由管状部件(2)和环状件(3)制成的组件定位在线圈(10)的开口中,以使环状件(3)定位成面向所述线圈(10)；-使用由线圈(10)产生的磁脉冲焊接组件。(The invention relates to a method for assembling a ring-shaped part (3) in a tubular part (2) by magnetic pulse welding. The method comprises the following steps: -reducing the thickness of the wall (20) of the tubular part (2) so as to form a trapezoidal recess at the periphery of the longitudinal portion (23) of the tubular part (2); -positioning a ring (3) around the tubular part (2) facing the recess, the ring (3) having a shape complementary to the shape of the recess; -positioning an assembly made of a tubular part (2) and a ring (3) in an opening of a coil (10) so that the ring (3) is positioned facing the coil (10); -welding the assembly using magnetic pulses generated by the coil (10).)

用于通过磁脉冲将环状件组装在管状部件中的方法

技术领域

本发明涉及焊接领域、更具体地涉及磁脉冲焊接领域。本发明涉及用于将环状件组装在管状部件中的方法。

背景技术

在某些工业领域，例如机动车辆构造中，制造某些特定部件需要将由特定材料、例如铜制成的环状件组装在由不同材料、例如不锈钢制成的管状部件中。

因此，如此获得的组件在环状件处具有双重功能。

一方面，该环状件可以具有机械保险丝的功能，因为由铜制成的环状件代表组件的结构上的弱点。因此，在受到冲击的情况下，组件将趋于在环状件处断裂。

另一方面，由铜制成的环状件可以具有电接触的功能，例如用以控制或调节经过管状部件的流体的流量，该流体根据该流量承载或多或少的有效电流。铜的导电性确实比不锈钢更好。

已知通过钎焊来产生这种组件。图1示意性地示出了通过钎焊将环状件5组装在管状部件4中的方式。图1根据管状部件4的纵向轴线XX′的截面而示出。

环状件5的内径d₅₁大于管状部件4的内径d₄₁并小于管状部件4的外径d₄₂。关于环状件5的外径d₅₂，其大于管状部件4的外径d₄₂。

为了能够将环状件5组装在管状部件4中，应依次进行以下步骤：

-通过加工在管状部件4的壁40的纵向部分43的周缘上形成凹部，该凹部起始于所述壁40的外表面42，因此在凹部处，管状部件4的壁40的外表面42的直径基本上等于环状件5的内径d₅₁(环状件将被容置在该凹部中)，

-在凹部中施加一薄层的焊料6、例如一层银，

-根据正交于轴线XX′并穿过凹部的中间的截面平面S将管状部件4分截成两部分，

-将管状部件4的两个分截开的端部中的每个端部插入到环状件5中，

-通过钎焊将环状件5焊接至管状部件4。

然后对通过这种组装获得的部件进行加工是必要的，以消除焊料中的凸起并获得组件的壁的内表面和外表面的光滑外观。

通过钎焊进行的焊接包括使所获得的组件达到高温以在铜/不锈钢接合处熔化焊料6的层，然后进行快速冷却以使两种材料彼此结合。

然而，通过钎焊进行焊接具有许多缺点。实际上，钎焊是一种实施起来特别复杂的方法。为了在良好的条件下实施钎焊，在由铜制成的环状件与由不锈钢制成的管状部件之间应该存在一个特别洁净的接合。这种洁净的接合是通过复杂的清洁方法获得的，该清洁方法可能导致在钎焊表面处由铜制成的环状件出现气孔。因此控制以环状件表示的机械保险丝的断裂情况将变得困难。此外，使用第三种材料、即焊料可能会阻碍环状件处的电接触。而且，两件式的管状部件的对准是特别困难的。此外，钎焊的加热和冷却步骤所代表的热影响也加重了这种对准问题，并且可能引起组件的变形。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷中的全部或部分缺陷，特别是以上所公开的那些缺陷。

为此目的，并且根据第一方面，本发明提出了用于将环状件组装到管状部件中的方法。所述管状部件包括具有内表面和外表面的筒形壁。环状件和管状部件由金属材料制成。该方法包括以下步骤：

-在管状部件的纵向部分上减小管状部件的壁的厚度，以便在所述纵向部分的周缘上形成梯形的凹部，通过从壁的外表面去除一层材料而使管状部件的壁的厚度减小，

-将环状件定位成围绕纵向部分，该环状件具有面向凹部的内表面，该内表面的形状与管状部件的凹部的形状互补，

-将管状部件/环状件组件定位在线圈的开口中，使得纵向部分布置成面向所述线圈，

-通过由线圈产生的磁脉冲将环状件焊接至管状部件。

环状件例如由铜制成，而管状部件由不锈钢制成(但是其他的材料选择也是可能的)。“管状部件”是指该部件在其全部或部分长度上、至少在环状件与凹部之间的重叠区域具有管形的形状。

磁脉冲焊接(MPW)、通常也被称为“磁焊接”使用电磁力在环境温度下产生“冷焊”。这允许将两种不同的金属材料焊接至彼此，而无需像在焊料的情况下那样使用热或第三结合材料。因此获得了原子上和化学上纯净的组件，也就是说，该组件在环状件与管状部件之间具有完美的接合，而不存在由第三种污染材料形成的障碍物。在磁脉冲焊接的步骤期间，使环状件以一定的力突出抵靠在管状部件上，从而使两种金属的原子共享其电子，由此通过混合两种基础材料而形成金属组件。

在沿着管状部件的轴线的纵向截面图中，凹部具有梯形的形状。该梯形的长基部位于管状部件的壁的外表面。由所述长基部和梯形的非基部的侧部所形成的角度在磁焊接方法中是特别重要的。实际上，可以通过这种被称为“碰撞角”或“冲击角”的角度来进行磁脉冲焊接。实际上，环状件至管状部件的结合主要在梯形的两个不平行的侧部处进行。在磁焊接步骤期间，空气沿着凹部的这些倾斜的侧部高速排出，并且在环状件与管状部件之间的接合处将杂质从材料的第一层剥除，从而实现在原子水平上的结合。

“互补的形状”意指环状件的定位成面向凹部的内表面相对于凹部的形状具有相似但反向的形状，从而在磁焊接步骤期间将环状件容置在凹部中。

在特定的实施方式中，本发明可以进一步包括下述的特征中的单独的一个特征或根据所有技术上的可能的组合的更多个特征。

在特定实施方式中，组装方法包括在磁脉冲焊接的步骤之后，对环状件进行加工的步骤，该步骤涉及从所述环状件的外表面去除材料层，使得环状件的外表面与管状部件的外表面齐平。

“齐平”是指环状件的外表面与管状部件的外表面相平。因此，在磁焊接步骤之后进行的这种加工允许获得这种通过将环状件组装在管状部件中而获得的产品的完美光滑的外表面。除了在美学上令人愉悦的外观，这还提供了安全性方面的优势，因为在组件的外表面上消除了任何突出物的和可能锋利的部分。

在特定实施方式中，组装方法包括在磁脉冲焊接的步骤之后，对管状部件的壁进行加工的步骤，该步骤涉及从管状部件的壁的内表面去除材料层，使得壁的内表面与环状件的内表面齐平。

在磁焊接步骤之后进行这种加工可以确保在管中流通的流体与环状件之间的导电性。实际上，通过这种加工消除了残留在环状件的内壁下方的不锈钢薄层。因此，所获得的组件等效于通过环状件连接的两件式管，并且在该环状件处，管的内部直接与由铜制成的环状件的内表面接触。这种加工还可以使机械保险丝的功能得以优化。

在特定的实施方式中，加工环状件的外表面和管状部件的内表面的步骤是同时进行的。

在特定实施方式中，根据沿管状部件的轴线的纵向截面图而与凹部的形状相对应的梯形在管状部件的壁的外表面处具有长基部、以及与所述长基部相对的短基部，并且由所述长基部和梯形的侧部限定的每个角度在8°至20°之间。

这种碰撞角的值实际上允许获得用于磁脉冲焊接的最佳条件。

在特定的实施方式中，环状件由铜制成并且管状部件由不锈钢制成。

附图说明

通过阅读以下作为非限制性示例并且参照图1至图5而给出的描述将更好地理解本发明，在附图中：

-图1：通过钎焊将环状件组装在管状部件中的组件的图示(已在现有技术中描述过的附图)，

-图2：根据用于通过磁焊接进行组装的装置的立体图的图示，

-图3：根据沿纵向截面视图的将管状部件和环状件定位在用于通过磁焊接进行组装的装置的线圈中图示，

-图4：根据纵向截面视图的通过将环状件磁焊接在管状部件中而获得的组件的图示，

-图5：环状件的能够用于根据本发明的组装方法的另一种形状的图示。

在这些附图中，从一附图到另一附图中的相同附图标记指代相同或相似的元件。为了清楚起见，除非另有说明，所示的元件不一定按比例绘制。

具体实施方式

根据本发明的组装方法的目的在于通过磁焊接实施将环状件组装在管状部件中。

图2示意性地示出了适于实施磁脉冲焊接的装置。

该装置包括线圈10、存储单元50和一个或更多个开关51，如图2所示。

存储单元50连接至线圈10和一个或更多个开关51。存储单元50构造成累积例如大约几十千焦耳(kJ)的强能量。

在优选的实施方式中，存储单元50是一组放电的电容器。

如图2所示，线圈10包括本体11，在该本体中形成有开口12，该开口由被称为周缘的表面121限定。所述管状开口构造成接纳管状部件和环状件以用于该管状部件和环状件的焊接。换句话说，开口12具有例如圆形的横截面，该横截面的直径大于环状件的最大横截面。

本体11由具有特定特性的材料制成，一方面，该材料具有对塑性形变的机械阻抗，以在该本体中流通大约数十万安培的强度非常高的电流，另一方面，该材料具有抗高温性(即具有高熔化温度)，从而在该焊接方法中不会熔化。

在一实施方式中，本体11由钢制成。

线圈10构造成用于高强度的电流，以便能够在该线圈中进行流通并产生磁场。

线圈10还构造成使得线圈的区域中的电流密度足以满足焊接条件。该区域称为能动部分。

如在本实施方式中所述的线圈10的情况下，电流在能动部分中集中在由周缘表面121限定的层上，周缘表面121具有与皮肤厚度相对应的厚度。因此，电流在开口12中产生集中的磁场。在由钢制成的线圈10的非限制性示例中，对于几十kHz的频率，皮肤厚度约为几毫米。

图3根据沿轴线X-X'的纵向截面视图示意性地示出了管状部件2和环状件3定位在如参照图2所描述的用于通过磁焊接进行组装的装置的线圈10中。

“管状部件”是指管状部件2在其全部或部分长度上具有管状的形状，并且至少在纵向部分23——在组装期间环状件3将被压靠在该纵向部分23上——具有管状的形状。管状部件2优选地具有圆形的横截面。换句话说，管状部件2优选地至少在所述纵向部分23上具有壁20，该壁20具有直圆筒(即旋转柱面)的形状。

尽管详细描述并示出了圆形横截面的情况下的所述管状部件2，但是可以应用其他形状的横截面、比如椭圆形、矩形或三角形。

如图3所示，管状部件2的筒形的壁20沿轴线XX′延伸，并具有内表面21和外表面22。管状部件2具有内径d₂₁和外径d₂₂。因此，外径d₂₂和内径d₂₁之间的差值对应于管状部件2的壁20的厚度的两倍。

在所讨论的并以完全不受限的方式给出的示例中：管状部件2的壁20由不锈钢制成并且厚度为1.75mm。管状部件2的外径d₂₂为13.5mm。

现在将描述根据本发明的组装方法。

在第一步骤中，在具有长度L23的纵向部分23上减小管状部件2的壁20的厚度。

优选地，纵向部分23不始于管状部件2的端部24。

管状部件2的壁20的厚度减小，从而在纵向部分23的周缘上形成梯形凹部。换句话说，在纵向部分23的整个长度上，管状部件2的壁20的厚度以如下方式减小：

-在纵向部分23的第一部分233上，所述壁20的厚度单调递减，

-在纵向部分23的第二部分234上，以第一部分的连续体的方式，管状部件2的所述壁20的厚度不变，

-在纵向部分23的第三部分235上，以第二部分中的连续体的方式，管状部件2的所述壁20的厚度单调递增。

有利地，从壁20的外表面22开始减小管状部件2的壁20的厚度。

通过从管状部件2的壁20的外表面22上去除一层材料来减小壁20的厚度。

用于实施该第一步的方法包括例如通过加工来减小管状部件2的壁20的厚度。

因此，根据在轴线XX′上的纵向截面图，对应于凹部的形状的梯形具有长的基部，该长的基部在管状部件2的壁20的外表面22处具有长度L23。该梯形具有长度短于L23且平行于长基部的短基部。在所讨论的并且在图3中示出的示例中，梯形是等腰的并且具有由所述长基部和梯形的非平行的侧部中的一个侧部限定的角度α。

如图3所示，梯形的凹部被制成为使得所述梯形的高度(即，该梯形的长基部与短基部之间的距离)小于管状部件2的壁20的厚度。同样，环状件3的厚度至少等于所述梯形的高度。

纵向部分23的长度L23至多等于线圈10的周缘表面121的轴向长度L121。

在第二步骤中，围绕管状部件2定位环状件3。

环状件3的最小横截面大于管状部件2的外径d₂₂。优选地，环状件3的横截面具有与管状部件2的横截面相似的形状。在所描述和示出的示例中，环状件3具有圆形的横截面。因此，环状件3具有大于管状部件2的外径d22的内径d₃₁和外径d₃₂。因此，环状件3的外径d₃₂与内径d₃₁之差对应于环状件3的最大厚度的两倍。

在所讨论的并且目前以非限制性方式描述的示例中，环状件3的厚度为2mm。

环状件优选地由金属材料制成。有利地，环状件的材料不同于管状部件的材料。在当前描述的示例中，环状件3的材料是铜。

环状件3定位成共轴地围绕管状部件2，同时在它们的叠加处形成重叠区25。

管状部件2被插入到环状件3中，使得重叠区25至少覆盖管状部件2的纵向部分23。

如图3所示，环状件3具有外表面32和内表面31。环状件3的内表面31意在定位成面向管状部件2的壁20的纵向部分23，并且该环状件3的内表面的形状与已经形成在管状部件2的壁20中的凹部互补。换句话说，环状件3的定位成面向凹部的内表面31具有相对于凹部的形状相似但反向的形状，从而在随后的磁焊接步骤期间将环状件3容置在凹部中。

因此，环状件3也具有梯形形状。所述梯形的短基部的长度与凹部形状的梯形的短基部的长度相同。然而，由环状件3沿轴线XX′的纵向横截面形成的梯形的高度可以具有比凹部形状的梯形的高度更大的高度。在所讨论的示例中，所述梯形是等腰的，并且由梯形的长基部和梯形的每一侧部形成的角度等于先前限定的角度α。

环状件3定位在重叠区25处，使得与该环状件内表面31的凹部互补的形状放置成面向该凹部。在磁焊接的步骤期间，环状件3将被容置在管状部件2的壁20的凹部中。

在第三步骤中，管状部件2/环状件3组件被定位在用于通过磁焊接进行组装的装置的线圈10的圆形开口12中，使得重叠区25的全部或一部分面向线圈10的周缘表面121。

更具体地，管状部件2和环状件3布置在线圈10的开口12中，使得重叠区25放置成面向线圈10的能动部分125。

在图3中未示出允许将管状部件2和环状件3保持在线圈10的开口12中的紧固装置。

根据轴线XX′，管状部件2和环状件3彼此共轴地并且与开口12共轴地保持在线圈10的开口12。

管状部件2例如通过线圈外部的紧固装置而保持在适当位置。环状件3例如通过楔入由绝缘材料制成的环、例如由约1mm厚的塑料制成的环而保持放置在适当位置，所述环定位在线圈10的周缘表面121与环状件3之间。这种由塑料制成的环的外径对应于线圈10的开口12的直径。这种由塑料制成的环的内径对应于环状件3的外径d₃₂。

第二步骤和第三步骤的实施顺序是非强制的，并且可以根据该方法的实施方式以与所描述的顺序相反的顺序进行或同时进行，而所述步骤的结果不发生改变。

在这些步骤之后，管状部件2和环状件3相对于彼此定位并定位在线圈10中。

然后，根据本发明的组装方法包括对管状部件2/环状件3组件进行磁脉冲焊接的步骤。

储存单元50累积强大的能量。在开关(多个开关)51闭合期间，线圈10连接至存储单元。因此，能量在大约几微秒内非常快速地释放到线圈10上，并且高强度电流在线圈10的能动部分125中进行流通。

电流在线圈10与环状件3之间产生可变磁场，并在环状件3中引发涡电流。

在环状件3中引发的与周围磁场相关联的电流会在环状件中产生被称为洛伦兹力的巨大体积力。这些洛伦兹力在所述环状件3的所有点中径向地施加磁压力到环状件3上，从而使环状件3在管状部件2的方向上加速。

因此，在这些向心力的作用下，环状件3以非常高的速度抵靠在管状部件2上。环状件3对管状部件2的冲击导致环状件3被立即焊接在管状部件2上。

为了有效地使环状件3磁脉冲焊接至管状部件2，环状件3的铜与管状部件2的不锈钢之间的碰撞必须在两个表面可以进行原子交换的特定条件下发生。为此，两个表面在原子和化学上必须是纯净的。为此，通过铜对不锈钢的冲击作用而通过迫出被加热的空气、提升速度(速度可以达到700m/s)、扫掠过两个表面并消除所有污染物(材料第一层中的粉尘、杂质等)可以清洁两个表面。从待组装表面剥离的固体材料的这种微米级“射出”的产生发生在两个部件之间的接触开始时，并且沿对应于梯形的非平行的侧部26、27装配线的整个长度以非常高的速度传送。接触表面由此被暴露，从而允许原子级的键合，但不发生熔化。

空气的喷射速度取决于碰撞角α的大小。已经观察到的是，对于所描述的示例中所讨论的材料和尺寸，当角度α在8°与20°之间时出现最佳的焊接条件。在所讨论的示例中，角度α优选地取10°的值。应注意的是，出于附图清楚的原因，图3中所示的角度α大于上述范围。实际上，梯形具有明显的“平坦”形状。

在由铜制成的环状件3极快地撞击由不锈钢制成的管状部件2时，两种材料在它们的接合处在很短的时间段内(几十微秒)从固态变成粘塑性状态，由此引起两种材料的原子键合。

在该磁脉冲焊接步骤之后，环状件3和管状部件2通过形成在管状部件2的壁20上的梯形凹部的不平行的侧部26、27主要焊接在形成于管状部件2的周缘上的表面处。

在磁焊接的步骤期间，环状件3变形。更特别地，当该环状件被压入到纵向部分23上的围绕管状部件2的凹部中时，在线圈10产生的电磁力的作用下环状件3的直径减小。

图4以纵向截面图的方式示意性地示出了通过将环状件3磁焊接在管状部件2中而获得的组件。

如图4所示，在环状件3下方的管状部件2的壁20中保留有材料层25。在本示例中，该层25具有0.5mm的厚度。

有利的是，通过从管状部件2的壁20的内表面21开始的附加的加工步骤消除该材料层25，使得所述内表面21与环状件3的内表面31齐平。“齐平”是指管状部件2的壁20的内表面21与环状件3的内表面31处于同一水平。

这意味着在该加工步骤之后，除了由铜制成的环状件3处之外，环状件3/管状部件2组件的内表面主要由不锈钢制成。这有利地允许确保经过管状部件2内的流体与环状件3之间的良好导电性。此外，还优化了由环状件3实施的机械保险丝的功能。

然而，如果主要关注机械保险丝的功能，并且如果包括铜制成的环状件3和不锈钢薄层25的组件所提供的结构弱点适合于期望的用途，则该加工步骤仍然是可选的。

如图4所示，在磁焊接步骤之后，通常还保留有从管状部件2的壁20的外表面22突出的环状件3的材料层35。

通过从环状件3的外表面32开始的附加的加工步骤来消除该材料层35是有利的，使得环状件3的外表面32与管状部件2的壁20的外表面22齐平。

这意味着在该加工步骤之后，环状件3/管状部件2组件的外表面是完全光滑的。除了在美学上令人愉悦的外观，这还提供了安全性方面的优势，因为在组件的所述外表面上消除了任何突出物的和可能锋利的部分。

应注意的是，在磁焊接步骤之后进行的这两个可选的加工步骤可以同时进行。

特别地，可以通过确定环状件3的适当厚度来避免对环状件3的外表面32进行加工的步骤，从而在经过磁脉冲焊接步骤之后，环状件3的外表面32直接与管状部件2的壁20的外表面22齐平。

在通过磁焊接组装之后进行的这些加工步骤特别昂贵，因此有利地，避免这些加工步骤以降低制造通过根据本发明的组装方法制成的部件的制造成本。

应注意的是，环状件3不一定具有如图3或图4所示的梯形形状。环状件3的确可以具有各种形状，其中仅一部分对应于与在管状部件2的壁20中形成的凹部的形状互补的梯形形状。例如，图5示意性地示出了环状件3，该环状件的特定形状具有矩形基部36，在基部36上增加了与凹部的形状互补的梯形形状。

以上描述清楚地说明：通过本发明的各种特征及其优点，本发明实现了其设定的目标。

特别地，用于磁脉冲焊接的方法非常快(脉冲通常持续10至100μs，并且总周期时间的唯一限制是由于部件在组件装置中的定位)。

这是可靠的方法，非常适于批量生产，它为具有不同熔点的材料之间的焊接提供了多种可能性。

由于这是冷焊，因此经组装的部件不会出现不期望的变形。

不需要像在例如钎焊的情况下那样复杂地清洁结合表面。

磁脉冲焊接的方法的优点在于，两个部件的组装以固态进行，这允许消除常规焊接中涉及材料熔化的已知问题。

本发明以示例的但非限制的方式描述了具有特殊特定尺寸的由不锈钢制成的管状部件2和由铜制成的环状件3。然而，应注意的是，可以为环状件3和管状部件2选择其他材料和其他尺寸。因此凹部的形状、特别是碰撞角α以磁脉冲焊接方面的技术人员所已知的方式适当地确定。

环状件3和管状部件2的材料、形状和/或尺寸的选择仅仅是本发明的替代方案。环状件3和管状部件2优选地由不同的材料制成，使得它们具有不同的机械和/或电性能。