用於攪拌摩擦焊的方法及其夾具、具有攪拌摩擦焊部分的部件、以及用於攪拌摩擦焊的工具的製作方法
2023-07-18 02:40:26
專利名稱：用於攪拌摩擦焊的方法及其夾具、具有攪拌摩擦焊部分的部件、以及用於攪拌摩擦焊的工具的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於接合堆疊部件的堆疊組件的攪拌摩擦焊方法，一種用於這種攪拌摩擦焊方法的夾具，一種具有由這種攪拌摩擦焊方法產生的攪拌摩擦焊接頭的部件，以及一種用於通過攪拌摩擦焊將金屬工件的堆疊或鄰接組件接合起來的攪拌摩擦焊工具。
背景技術：
通常依靠點焊來接合部件的堆疊組件。近年來，已經提出通過攪拌摩擦焊來接合這樣的堆疊組件(例如參見專利文獻1至3)。
圖28以與專利文獻1的圖1中所示的裝置相同的方式，示出了堆疊組件6和攪拌摩擦焊工具7，堆疊組件6包括堆疊在一起並放在支承夾具3上的第一工件W1和第二工件W2，攪拌摩擦焊工具7具有嵌入堆疊組件6中的探頭8。圖28中的附圖標記A3、M分別表示由探頭8攪拌的攪拌區，以及在第一工件W1和第二工件W2之間的邊界線。
在對堆疊組件進行攪拌摩擦焊時，即使探頭8嵌入並且材料塑性流動，材料也不能從第一工件W1的下端面突出。因此，第二工件W2的材料塑性流向攪拌摩擦焊工具7的轉子9的周向側壁附近的位置，並隆起形成環狀毛邊BL。因此，需要精加工來切除毛邊BL。
如圖29所示，因為被嵌入探頭8壓縮的區域厚度T3和工件W2的位於嵌入探頭8附近的下工件W1的隆起部分正上方的區域厚度T4減少，所以堆疊組件6的接合強度不足。
另外，因為在攪拌摩擦焊加工中嵌入探頭8以使材料塑性流動之後撤去探頭8，所以在撤去探頭8的區域中留下一孔，這趨於降低堆疊組件6的接合強度。
為了避免在撤去探頭8的區域中留下孔的不利情況，專利文獻2公開了一種技術，用於抵靠堆疊組件的相對端面保持夾具，並在相對端面的側面上設置攪拌摩擦焊夾具。具體地，將在端面一側上插入夾具中通孔的探頭嵌入堆疊組件中以進行攪拌摩擦焊加工。之後，通過設置在端面另一側上的探頭，將在嵌入探頭時流入端面另一側上的夾具中通孔中的材料推回。因此將突出的材料推回直到由撤去的探頭產生的孔的底部變平，從而產生平整的表面。
根據專利文獻3中公開的技術，將堆疊組件放在夾具的平整表面上，並將額外的料塊供應至在嵌入堆疊組件中的轉動探頭周圍的區域。將額外的料塊與堆疊組件焊接在一起，從而填充由撤去的探頭產生的孔。
專利文獻2中公開的技術的缺點在於，因為需要沿相反方向安裝兩個攪拌摩擦焊工具，所以攪拌摩擦焊裝置結構複雜並且設備投資昂貴。
專利文獻3中公開的技術由於需要額外的料塊而導致材料成本增加並由此導致攪拌摩擦焊成本增加。另外，因為需要用於供應額外料塊的機構，所以攪拌摩擦焊裝置的結構也很複雜並且設備投資也很昂貴。
如圖30所示，可以建議將具有凹口1的載置夾具2插入到支承夾具3中的插入空腔4中，從而提供攪拌摩擦焊夾具5。當將包括第一工件W1和第二工件W2的堆疊組件6放在載置夾具2中的凹口1上，並且將攪拌摩擦焊工具7的探頭8嵌入堆疊組件6中時，區域A4的材料軟化以塑性流動，並且材料最終流入凹口1中。因為由嵌入探頭8移動的材料流入凹口1中，所以防止了產生毛邊BL。因為塑性流動的材料從堆疊組件的下端面突出，所以沒有減少接合後的堆疊組件6的厚度，並且達到了期望的接合強度。
專利文獻1日本特開專利公報No.2002-178168專利文獻2日本特開專利公報No.2001-259863專利文獻3日本特開專利公報No.2003-62678發明內容本發明將解決的問題
然而，即使使用如圖30所示的攪拌摩擦焊夾具5，堆疊組件6的接合強度也可能不足。原因在於，如圖31所示，難以將通過限定在載置夾具2中的凹口1的中心的軸線L1與通過攪拌摩擦焊工具7(探頭8)的中心的軸線L2保持彼此對準。
如果在軸線L1和軸線L2不能保持彼此對準，即夾具不能彼此同軸的時候繼續進行攪拌摩擦焊加工，則會產生區域B1和區域B2，在區域B1中探頭8的周側壁與凹口1的內周壁之間的距離較大，而在區域B2中探頭8的周側壁與凹口1的內周壁之間的距離較小，如圖30所示。材料在其中探頭8的周側壁與凹口1的內周壁之間的距離較小的區域B2中攪拌良好。然而，因為被攪拌材料的量在其中所述距離較大的區域B1中減少，所以攪拌摩擦焊的程度不足，導致接合強度的降低。
為了消除以上缺陷，可預先形成所謂的同軸對準，以儘可能地將軸線L1和軸線L2彼此對準。然而，需要精度的同軸對準很複雜。如果在完成同軸對準過程之後由於某些幹擾而使得軸線不能彼此對準，那麼必須再次進行另一同軸對準過程。因此，攪拌摩擦焊加工的效率降低。
本發明的總體目的在於提供一種攪拌摩擦焊方法，其提高了攪拌摩擦焊加工的效率，並提高了焊接接頭的接合強度而不會使攪拌摩擦焊裝置變得複雜。
本發明的主要目的在於提供一種用於這種攪拌摩擦焊方法的攪拌摩擦焊夾具。
本發明的另一目的在於提供一種具有由這種攪拌摩擦焊方法產生的攪拌摩擦焊接頭的部件。
本發明的又一目的在於提供一種例如適用於這種攪拌摩擦焊方法的攪拌摩擦焊工具。
解決問題的方法根據本發明的第一方面，提供了一種攪拌摩擦焊方法，用於用支承夾具支承由多個部件組成的堆疊組件的一端面，並將攪拌摩擦焊工具的探頭嵌入堆疊組件的另一端面中以對堆疊組件進行攪拌摩擦焊，該攪拌摩擦焊方法包括以下步驟
在支承夾具中設置凹口；以及轉動探頭並將其朝向凹口嵌入堆疊組件的另一端面中，從而將堆疊組件在凹口上方接合併在堆疊組件的端面上提供沿嵌入探頭的方向突出的平臺。
該凹口設在支承夾具中，並且當對堆疊組件進行攪拌摩擦焊時，堆疊組件的材料流入凹口中。因此堆疊組件被壓陷，從而允許其大量材料被攪拌。當上部件由於塑性變形而被壓配入下部件的凹陷區域中時，在材料未被攪拌的非攪拌區中形成突起。同時在攪拌區中，所堆疊部件抵靠區域的大量材料塑性流動。在材料冷卻並固化時形成的接頭由於配合接合和攪拌摩擦焊而具有較好的接合強度。
防止了堆疊組件產生毛邊。因為堆疊組件在對其進行攪拌摩擦焊之後不需要精加工，所以縮短了加工時間並因此提高了加工效率。
優選地，該平臺具有水平截面大致為圓形的部分，並且該水平截面的直徑大於探頭的外徑。通過該結構，材料能夠容易地流入凹口中。結果，在對堆疊組件進行攪拌摩擦焊時，能夠攪拌所堆疊部件抵靠區域的大量材料，從而提高接頭的接合強度。
根據本發明的第二方面，還提供了一種攪拌摩擦焊支承夾具，用於在對堆疊組件進行攪拌摩擦焊時支承由多個部件組成的堆疊組件的一端面，其包括用於在其中容納堆疊組件的材料的凹口，所述材料從堆疊組件的所述端面沿攪拌摩擦焊工具的探頭在其轉動時嵌入堆疊組件的另一端面中的方向塑性流動。
當使用支承夾具對堆疊組件進行攪拌摩擦焊時，堆疊組件的材料流入凹口中。結果，所堆疊部件的抵靠部分攪拌良好，從而產生接合強度提高的接頭。
根據本發明的第三方面，還提供了一種部件，其具有在對由多個部件組成的堆疊組件進行攪拌摩擦焊時產生的攪拌摩擦焊接頭，包括平臺，其在攪拌摩擦焊工具的探頭嵌入堆疊組件的另一端面中時在堆疊組件的一端面上突出。
當塑性流動材料在通過攪拌摩擦焊工具接合堆疊部件時流入支承夾具的凹口中之後冷卻並固化的時候形成所述平臺。攪拌摩擦焊接頭表現出良好的接合強度。
根據本發明的第四方面，還提供了一種攪拌摩擦焊方法，用於用載置夾具支承由多個部件組成的堆疊組件，並將攪拌摩擦焊工具的探頭嵌入堆疊組件的上端面中以對堆疊組件進行攪拌摩擦焊，所述載置夾具插入支承夾具的插入凹口中並在其間限定有間隙，而且所述載置夾具具有限定在其上端面中的凹口，該攪拌摩擦焊方法包括以下步驟當探頭轉動並朝載置夾具的凹口嵌入堆疊組件的上端面中，從而在凹口上方對堆疊組件進行攪拌摩擦焊時，沿著使載置夾具的凹口中心與探頭中心對準的方向在插入凹口中移動支承夾具。
根據本發明，當探頭嵌入堆疊組件中時，探頭的中心和載置夾具的中心彼此對準。即，當探頭嵌入堆疊組件中時探頭與載置夾具同軸對準。因此，不必預先進行複雜的同軸對準過程，從而提高了攪拌摩擦焊加工的效率。
當如上所述對堆疊組件進行攪拌摩擦焊時，存在於探頭周圍的堆疊組件的材料被與區域無關地均勻攪拌。因此，因為不存在被攪拌材料的量較小的區域，所以不存在接合強度較小的區域。因此，提供了接合強度大的堆疊組件。
當探頭嵌入時，堆疊工件通過突起區域和凹陷區域彼此接合，從而產生緊密配合的狀態。這也提高了堆疊組件的接合強度。
因為材料塑性流入載置夾具的凹口中，所以防止了堆疊組件產生毛邊。
根據本發明的第五方面，還提供了一種攪拌摩擦焊夾具，用於對由多個部件組成的堆疊組件進行攪拌摩擦焊，其包括載置夾具，具有限定在其上端面中的凹口，用於在其上放置堆疊組件；支承夾具，具有限定在其中的插入凹口，用於將載置夾具插入該插入凹口中；和彈性體，插設在支承夾具和載置夾具的插入到插入凹口的部分之間，在所述載置夾具與插入凹口之間限定一間隙。
通過該結構，當探頭嵌入堆疊組件中時，探頭的中心與載置夾具的中心彼此同軸對準。因此，提高了攪拌摩擦焊加工的效率，並提高了堆疊組件的接合強度。
插設的彈性體允許載置夾具可在插入凹口中移動。因為載置夾具可在插入凹口中移動，所以攪拌摩擦焊夾具的結構並不複雜。即，攪拌摩擦焊夾具結構簡單。
根據本發明的第六方面，還提供了一種攪拌摩擦焊工具，用於對多個金屬工件的抵靠部分進行攪拌摩擦焊，其包括用於擠壓工件的轉子；和同軸布置在轉子頂端上的探頭，用於插入工件中；該探頭包括第一螺紋部分，布置在探頭頂端上並具有螺旋形狀；和第二螺紋部分，布置在第一螺紋部分後並具有方向與第一螺紋部分相反的螺旋形狀。
因為第一和第二螺紋部分具有方向相反的螺紋，所以當探頭頂端上的第一螺紋部分沿旋入工件的方向轉動時，工件能夠以較高的接合強度接合在一起。
如果工件堆疊在一起，並且從第一螺紋部分和第二螺紋部分之間的邊界線到轉子端面的距離大致等於工件之中表面側上的一個工件的厚度，那麼工件的配合面能夠可靠地彼此接合。
如果第一螺紋部分和第二螺紋部分的螺距相等，並且第一螺紋部分和第二螺紋部分的軸向長度相等，那麼由第一螺紋部分產生的向下作用力和由第二螺紋部分產生的向上作用力平衡。從而防止工件被提起或降下，並使得第一螺紋部分產生的塑性材料流動和第二螺紋部分產生的塑性材料流動平衡，從而促進了第一螺紋部分和第二螺紋部分之間的邊界線附近的塑性材料流動。
如果第一螺紋部分和第二螺紋部分的螺紋彼此相連，那麼就進一步加速了邊界線附近的塑性材料流動。
圖1是用於實現根據本發明第一實施例的攪拌摩擦焊方法的支承夾具、將被攪拌摩擦焊的第一工件和第二工件、以及攪拌摩擦焊工具的局部放大示意立體圖；圖2是局部垂直剖視放大圖，表示將堆疊組件放在圖1所示的支承夾具上的方式；圖3是局部垂直剖視放大圖，表示攪拌摩擦焊工具具有嵌入圖2所示的堆疊組件的探頭的方式；圖4是具有通過根據第一實施例的攪拌摩擦焊方法產生的攪拌摩擦焊接頭的部件的局部立體圖；圖5是表示在具有通過圖28所示的攪拌摩擦焊方法產生的攪拌摩擦焊接頭的一般部件以及具有根據第一實施例的攪拌摩擦焊接頭的部件的攪拌時間和剪切強度之間的關係的圖表；圖6是局部垂直剖視放大圖，表示對其厚度大於探頭長度的部件進行攪拌摩擦焊的方式；圖7是局部垂直剖視放大圖，表示對其厚度小於探頭長度的部件進行攪拌摩擦焊的方式；圖8是局部垂直剖面圖，表示在其開口附近具有錐體的凹口；圖9是局部垂直剖面圖，表示直徑逐漸減小以提供錐形形狀的凹口；圖10是局部垂直剖面圖，表示在其底部中限定有環狀槽的凹口；圖11是具有呈拉長槽形式的凹口的支承夾具的示意立體圖；圖12是根據本發明第二實施例的攪拌摩擦焊夾具、將被攪拌摩擦焊的第一工件和第二工件、以及攪拌摩擦焊工具的局部放大示意立體圖；圖13是局部垂直剖視放大圖，表示將堆疊組件放在圖12所示的攪拌摩擦焊夾具的載置夾具上的方式；圖14是示意橫向剖面圖，表示其中載置夾具中的凹口的軸線與探頭的軸線彼此不對準的方式；
圖15是局部垂直剖視放大圖，表示其中當載置夾具在插入凹口中移動時，載置夾具中的凹口的軸線與探頭的軸線彼此大致對準的方式；圖16是示意橫向剖面圖，表示其中載置夾具中的凹口的軸線與探頭的軸線保持彼此大致對準的方式；圖17是示意橫向剖面圖，表示防止載置夾具轉動的方式；圖18是通過根據第二實施例的攪拌摩擦焊方法焊接的攪拌摩擦焊接頭的局部立體圖；圖19是可用於第一實施例或第二實施例的另一攪拌摩擦焊工具和工件的側視圖；圖20是表示攪拌摩擦焊工具的探頭側面的展開圖；圖21是局部剖面側視圖，表示其中攪拌摩擦焊工具的探頭頂端嵌入堆疊組件的方式；圖22是局部剖面側視圖，表示其中探頭嵌入堆疊組件直到攪拌摩擦焊工具的中空柱形部分的端面抵靠第二工件的方式；圖23是局部剖面側視圖，表示其中探頭嵌入堆疊組件直到攪拌摩擦焊工具的中空柱形部分的端面抵靠第二工件，並且材料塑性流動的方式；圖24是另一攪拌摩擦焊工具和工件的局部剖面側視圖；圖25是表示又一攪拌摩擦焊工具的探頭側面的展開圖；圖26是表示又一攪拌摩擦焊工具的探頭側面的展開圖；圖27是立體圖，表示其中利用攪拌摩擦焊工具對具有保持彼此抵靠的端面的工件進行攪拌摩擦焊的方式；圖28是局部垂直剖視放大圖，表示其中通過嵌入放在沒有凹口的一般支承夾具上的堆疊組件中的探頭進行傳統攪拌摩擦焊方法的方式；圖29是局部垂直剖視放大圖，表示其中通過嵌入放在沒有凹口的一般支承夾具上的堆疊組件中的探頭進行傳統攪拌摩擦焊方法的方式；圖30是局部垂直剖視放大圖，表示其中利用具有不能移動的載置夾具的攪拌摩擦焊夾具對堆疊組件進行攪拌摩擦焊的方式；以及圖31是示意橫向剖面圖，表示其中圖30所示的載置夾具中的凹口的軸線與探頭的軸線彼此不對準的方式。
具體實施例方式
下面將關於用於實現攪拌摩擦焊方法的支承夾具和攪拌摩擦焊工具、以及最終產生的具有攪拌摩擦焊接頭的部件，參照附圖詳細描述根據本發明的攪拌摩擦焊方法的優選實施例。
首先，下面將描述第一實施例。
圖1是支承夾具10、由根據JIS(日本工業標準)符號5000s的稱為5000鋁製成的第一工件W1和第二工件W2、以及攪拌摩擦焊工具7的局部放大示意立體圖，圖2是局部垂直剖視放大圖，表示將堆疊組件放在圖1所示的支承夾具上的方式。支承夾具10大致呈長方體形狀，並具有大致限定在其上端面中央的凹口18。凹口18呈水平截面大致為圓形的大致中空柱形形狀。
第一工件W1和第二工件W2一個堆疊在另一個上，從而提供堆疊組件6。在堆疊組件6覆蓋凹口18的條件下對其進行攪拌摩擦焊，如下所述。
攪拌摩擦焊工具7具有轉子9和探頭8，探頭8連接在轉子9的端部上並具有圓錐形曲線末端。探頭8的外徑小於限定在支承夾具10中的凹口18的直徑。即，凹口18的直徑大於探頭8的外徑。探頭8的長度L、第一工件W1的厚度T1(參見圖2)、以及第二工件W2的厚度T2分別設定為例如大約2.5mm、大約1.5mm、以及大約1.0mm。
攪拌摩擦焊工具7布置為使其軸線大致與凹口18的軸線對準。探頭8位於凹口18上方。
根據第一實施例，如下所述進行攪拌摩擦焊首先，如圖2所示，堆疊第一工件W1和第二工件W2以形成放在支承夾具10上的堆疊組件6。這時，堆疊組件6覆蓋凹口18。
然後，攪拌摩擦焊工具7下降至與堆疊組件6間隔預定距離的位置。之後，轉動轉子9，使探頭8與堆疊組件6的上端面(第二工件W2的上端面)滑動接觸。當探頭8保持與堆疊組件6的上端面滑動接觸時，產生摩擦熱以軟化堆疊組件6的由探頭8接觸的區域和附近區域。結果，如圖3所示，探頭8嵌入堆疊組件6中，並且堆疊組件6的材料流入凹口18內。因為如上所述凹口18的水平截面直徑大於探頭8的直徑，所以堆疊組件6的材料很容易流入凹口18中。
當探頭8轉動時，堆疊組件6的攪拌區A1的材料被攪拌。因為堆疊組件6的材料已流入凹口18內，所以接觸區的材料被大量攪拌。
當探頭8嵌入時，在第二工件W2的面對著第一工件W1的表面上形成突起26，並且在第一工件W1的面對著第二工件W2的表面中形成空腔28。突起26配合在空腔28中。圖3中的空腔28的下端為材料未塑性流動的非攪拌區(塑性變形區)。即，圖3中的空腔28的下端由於塑性變形而形成為與凹口18互補。
圖3和圖28的比較清楚地表示出，由根據第一實施例的探頭8攪拌的攪拌區A1寬於圖28中所示的攪拌區A3。因此，在攪拌區A1(參見圖3)中包含有比在攪拌區A3(參見圖28)中更多的位於第一工件W1和第二工件W2之間的邊界線M。換言之，根據第一實施例的攪拌摩擦焊方法可以比傳統的攪拌摩擦焊方法在更長的距離上攪拌第一工件W1和第二工件W2之間的邊界線M。
根據不允許堆疊組件6凹陷的傳統加工，形成毛邊BL(參見圖28)。然而，根據圖3所示的本實施例，由嵌入探頭8從堆疊組件6推動的材料塑性流入凹口18內。因此，堆疊組件6的材料不隆起，從而不產生毛邊BL。
利用具有凹口18的支承夾具10，能夠在不形成毛邊BL的情況下對堆疊組件6進行攪拌摩擦焊。
當在開始攪拌堆疊組件6之後大約2秒鬆開探頭8，從而停止了堆疊組件6的材料的塑性流動時，包括邊界線M的堆疊組件6的材料最終冷卻並固化。這樣，第一工件W1和第二工件W2一體地以固態接合在一起，從而產生具有攪拌摩擦焊接頭40的部件42，如圖4所示。當流入凹口18的材料冷卻並固化時，具有攪拌摩擦焊接頭40的部件42具有在其一端面上突出的柱形平臺44。因此，平臺44的外徑大致與凹口18的直徑相同。
圖5中圖解說明了部件42的攪拌摩擦焊接頭40的剪切強度和由圖28所示的傳統攪拌摩擦焊方法產生的攪拌摩擦焊接頭的剪切強度。在圖5中，水平軸表示攪拌時間。
如圖5所示，如果攪拌時間相同，那麼攪拌摩擦焊接頭40的剪切強度遠大於傳統攪拌摩擦焊接頭的剪切強度，並且與利用6mm直徑電極的電阻點焊加工產生的接頭的剪切強度大致相等。因此根據本實施例，可以產生具有優異接合強度的攪拌摩擦焊接頭的部件42。其原因是堆疊組件6由攪拌摩擦焊牢固地接合，並且第二工件W2的突起26配合在第一工件W1的空腔28中，如圖3所示。特別地，空腔138的下端由於塑性變形而形成為與凹口132互補，從而產生緊密配合的狀態。因為第一工件W1和第二工件W2牢固地彼此接合，所以接合強度增加。
從圖28可以看出，根據傳統攪拌摩擦焊方法，探頭8的長度L必須大於第二工件W2的厚度T2。如果探頭8的長度L小於厚度T2，則由於嵌入探頭8的頂端不能到達邊界線M，從而不能攪拌第一工件W1的材料，並且不能將第一工件W1和第二工件W2以固態接合在一起。另外，厚度T1與第二工件W2的厚度T2之和必須小於探頭8的長度L，從而嵌入探頭8不會到達支承夾具。
在根據第一實施例的攪拌摩擦焊方法中，即使探頭8的長度L小於厚度T2，當探頭8嵌入第二工件W2中時，第二工件W2凹陷，也會將邊界線M推入第一工件W1。在邊界線M的凹陷區域附近，當探頭8轉動時，第二工件W2的材料被攪拌，並且第一工件W1的材料也被攪拌。因此，堆疊組件6以固態接合，從而提供攪拌摩擦焊接頭40。
即使探頭8的長度L大於如圖7所示的厚度T1和厚度T2之和，因為凹陷的堆疊組件6的材料僅流入凹口18中，所以探頭8的頂端也不會到達支承夾具10。因此，堆疊組件6和支承夾具10不會彼此幹涉。
因此，根據本實施例，可以對不同厚度的工件進行攪拌摩擦焊。不必用尺寸與待接合的工件厚度相對應的攪拌摩擦焊工具來代替正在使用的攪拌摩擦焊工具。不必進行複雜的工具替換過程，從而不必準備各種尺寸的攪拌摩擦焊工具。因此，降低了攪拌摩擦焊加工的成本。
然而，所述凹口並不限於柱形凹口18。凹口可以是在其開口附近具有錐體50的凹口52，如圖8所示，或者可以是直徑逐漸減小以提供錐形形狀的凹口54，如圖9所示，或者可以具有限定在凹口18底部中的環狀槽56，如圖10所示。
另外，如圖11所示，凹口可以是呈拉長槽形式的凹口58。掃描探頭8以形成形狀與凹口58互補的拉長平臺。
凹口18、52、54、58中的整個空間可以不填充堆疊組件6的材料。
堆疊工件的數量並不限於兩個，而是可以將三個或更多的工件堆疊在一起。
下面將描述第二實施例。根據第二實施例，採用在圖12中的局部放大示意立體圖中示出的攪拌摩擦焊夾具110。攪拌摩擦焊夾具110具有包括圖13中所示的插入凹口112的支承夾具114、以及插入到插入凹口112中的載置夾具116。
支承夾具114大致呈長方體形狀，並且插入凹口112大致限定在支承夾具114的上端面中央。如圖14所示，插入凹口112的水平截面具有兩個平行的較長邊和垂直於較長邊延伸的兩個較短邊，並且在較長邊和較短邊之間插設弧形邊緣。
如圖13所示，載置夾具116具有凸臺118、直徑大於插入凹口112的凸緣120和載置塊122，凸臺118的水平截面形狀類似於插入凹口112，並且尺寸略小於插入凹口112。凸臺118插入到插入凹口112中，並且凸緣120的下端面保持抵靠支承夾具114的上端面，從而將載置夾具116限制在適當的位置。因為凸臺118的尺寸略小於插入凹口112，所以在插入凹口112的內周壁與凸臺118的側周壁之間產生間隙124。
插入凹口112的內周壁和凸臺118的側周壁具有限定在其中的相應的環狀槽126、128。橡膠O型環130作為彈性體插入相應的環狀槽126、128中。換言之，插入凹口112的內周壁和載置夾具116的凸臺118的側周壁彼此略微隔開，並在其間插設有O型環130。
載置塊122具有限定在其上端面中的凹口132，凹口132具有水平截面大致為圓形的大致中空柱形形狀(參見圖12)。
如下所述，載置塊122中的凹口132由堆疊組件6覆蓋，堆疊組件6由堆疊在一起的第一工件W1和第二工件W2形成。第一工件W1和第二工件W2由布置在攪拌摩擦焊夾具110附近的相應的支承底座(未示出)支承。
與第一實施例相同，攪拌摩擦焊工具7具有轉子9和探頭8，探頭8連接在轉子9端部上並具有圓錐形曲線末端。探頭8的外徑小於限定在載置塊122中的凹口132的直徑。探頭8的長度L、第一工件W1的厚度T1、和第二工件W2的厚度T2分別設定為例如大約2.5mm、大約1.5mm、和大約1.0mm。
根據第二實施例的攪拌摩擦焊夾具110基本如上所述構成。下面將關於根據第二實施例的攪拌摩擦焊方法，描述攪拌摩擦焊夾具110的操作和優點。
如下執行根據第二實施例的攪拌摩擦焊方法。
首先，如圖12所示，將第一工件W1和第二工件W2堆疊成放在載置夾具116的載置塊122上端面上的堆疊組件6。這時，堆疊組件6覆蓋凹口132。
然後，如圖14所示，將攪拌摩擦焊工具7(探頭8)放置為使其軸線L2儘可能地與凹口132的軸線L1對準。這時，不必使軸線L1和軸線L2保持彼此完全對準。
在探頭8下降至與堆疊組件6間隔預定距離的位置之後，探頭8與轉子9一致地轉動。如圖13所示，然後使探頭8與堆疊組件6的上端面滑動接觸。當探頭8保持與堆疊組件6的上端面滑動接觸時，產生摩擦熱以軟化堆疊組件6的由探頭8接觸的區域及其附近區域。結果，如圖15所示，探頭8嵌入堆疊組件6中，並且堆疊組件6的材料流入凹口132內。因為如上所述凹口132的水平截面直徑大於探頭8的直徑，所以堆疊組件6的材料很容易流入凹口132中。
如果轉動的探頭8嵌入堆疊組件6中而不與凹口132對準，並且材料流入凹口132中，則在載置夾具116上施加一個垂直於軸線L1或軸線L2的力，即水平方向力。相對於沿著使探頭8與凹口132之間的不對準度增大的方向，所述力趨向於更多地沿著使探頭8與凹口132之間的不對準度減小的方向作用。因此，在該力作用下，載置夾具116在插入凹口112中水平移動。結果，如圖15和圖16所示，軸線L1和軸線L2最終保持彼此對準。
當載置夾具116這樣移動時，作為彈性體的O型環130變形。因此，O型環130不能阻止載置夾具116移動。
因此，根據本實施例，如果探頭8嵌入堆疊組件6中，並且軸線L2保持不與凹口132的軸線L1對準，那麼載置夾具116沿著使軸線L1和軸線L2彼此對準的方向移動。因此，當探頭8嵌入堆疊組件6中時，不必保持軸線L1和軸線L2彼此精確對準。即，不必在進行攪拌摩擦焊加工之前進行複雜的同軸對準過程，因此提高了攪拌摩擦焊加工的效率。
因為在軸線L1和軸線L2大致彼此對準的同時將探頭8逐漸嵌入堆疊組件6中，所以探頭8大致插入凹口132的中央，並距凹口132的內周壁留下一定間隙。因此，不會在探頭8的側周壁和凹口132的內周壁之間形成具有小間隙的區域和具有大間隙的區域。探頭8周圍(攪拌區A2)的材料被均勻攪拌，從而材料中的攪拌摩擦焊程度與區域無關地保持均勻。具體地，因為不存在被攪拌材料的量較小的區域，所以不存在接合強度較小的區域。因此，提高了堆疊組件6的接合強度。
當堆疊組件6的材料流入凹口132時，接觸區的材料被大量攪拌。
與第一實施例一樣，當探頭8嵌入時，在第二工件W2的面對著第一工件W1的表面上形成突起136，並且在第一工件W1的面對著第二工件W2的表面中形成空腔138。突起136配合在空腔138中。空腔138的下端為材料未塑性流動的非攪拌區(塑性變形區)。即，空腔138的下端由於塑性變形而形成為與凹口132互補，從而產生緊密配合的狀態。因為第一工件W1和第二工件W2牢固地接合在一起，所以提高了接合強度。
根據第二實施例，由嵌入探頭8從堆疊組件6推動的材料塑性流入凹口132內。因此，堆疊組件6的材料不隆起，從而不產生任何毛邊。使用具有凹口132的載置夾具116，能夠在不形成毛邊BL的情況下對堆疊組件6進行攪拌摩擦焊。
當載置夾具116響應於探頭8的轉動而轉動時，凸臺118的外壁與插入凹口112的內壁幹涉，如圖17所示。因此，防止了載置夾具116轉動，從而不會妨礙攪拌摩擦焊加工。
當在開始攪拌堆疊組件6之後大約2秒鬆開探頭8，從而停止了堆疊組件6的材料的塑性流動時，堆疊組件6的材料最終冷卻並固化。這樣，與第一實施例相同(參見圖4)，第一工件W1和第二工件W2一體地以固態接合在一起，從而產生具有攪拌摩擦焊接頭40的部件140，如圖18所示。當流入凹口132的材料冷卻並固化時，具有攪拌摩擦焊接頭40的部件140具有在第一工件W1上突出的柱形平臺44。因此，在這種情況下，生成其外徑大致與凹口132的直徑相同的平臺44。
限定在載置塊122中的凹口並不限於柱形凹口132。該凹口可以呈拉長槽的形式。掃描探頭8以形成形狀與拉長槽互補的拉長平臺。
凹口132中的整個空間可以不必填充堆疊組件6的材料。
堆疊工件的數量並不限於兩個，而是可以將三個或更多的工件堆疊在一起。
在如上所述的第一實施例和第二實施例中，可採用圖19所示的攪拌摩擦焊工具210。相對於第一實施例，攪拌摩擦焊工具210用於通過攪拌摩擦焊接合第一工件W1和第二工件W2的堆疊組件6。攪拌摩擦焊工具210具有用於擠壓上面的第二工件W2的轉子216、和同軸布置在轉子216的頂端上以用於嵌入堆疊組件6中的探頭218。與第一實施例相同，堆疊組件6固定地安裝在具有凹口18的支承夾具10上。凹口18的內徑大於探頭218的外徑，並且凹口18和探頭218彼此同軸地布置。
探頭218具有布置在其頂端上的呈右旋螺紋形狀的第一螺紋部分220、以及位於第一螺紋部分220後的呈左旋螺紋形狀的第二螺紋部分222。如此構成的探頭218可例如由高速工具鋼製造。
為了進行攪拌摩擦焊加工，在從轉子216上方看去時，攪拌摩擦焊工具210順時針轉動。
從第一螺紋部分220與第二螺紋部分222之間的邊界線224到轉子216的端面216a的距離H等於將表面側上的第二工件W2的厚度減去寬度H1(稍後描述)得到的值。因為寬度H1的值較小，所以距離H實際上可設定為等於第二工件W2的厚度。
第一螺紋部分220的螺紋220a和第二螺紋部分222的螺紋222a是相連的。具體地，如圖20所示，螺紋220a和螺紋222a在邊界線224上的點P處彼此連接，其中圖20示意性地以展開方式圖解說明了探頭218的側面。可在使螺紋220a和螺紋222a基本在點P處彼此接合的範圍內，在螺紋220a與螺紋222a之間設置窄槽等。
第一螺紋部分220和第二螺紋部分222均可具有兩條螺紋，除了螺紋220a和螺紋222a之外，還分別包括螺紋220b、222b。
從圖19和圖20可以看出，第一螺紋部分220和第二螺紋部分222的螺距彼此相等，並且第一螺紋部分220和第二螺紋部分222的軸向長度H彼此相等。在圖20中，螺紋220a和螺紋222a相對於邊界線224形狀對稱。
在圖19和圖20中，用點劃線假定示出邊界線224以用於圖解說明目的。然而，邊界線224實際上是不存在的。
下面將描述利用攪拌摩擦焊工具210對堆疊組件6進行攪拌摩擦焊的過程。
第一工件W1和第二工件W2的堆疊組件6在其覆蓋凹口18的情況下放在支承夾具10上，如圖19所示。之後，使位於堆疊組件6上方的攪拌摩擦焊工具210轉動。在這種情況下，攪拌摩擦焊工具210順時針轉動。
然後，如圖21所示，攪拌摩擦焊工具210在轉動時下降以擠壓探頭218並將其嵌入堆疊組件6(上面的第二工件W2)中。這時，因為探頭218頂端上的第一螺紋部分220呈右旋螺紋的形式，所以探頭218平滑嵌入第二工件W2中，就好像它是一螺栓(或自攻螺釘)一樣被插入。
在攪拌摩擦焊加工中，起初需要一定的壓力來使攪拌摩擦焊工具210與第二工件W2的表面接觸並使攪拌摩擦焊工具210開始嵌入第二工件W2中。當探頭218在第一螺紋部分220的作用下平滑嵌入第二工件W2中時，攪拌摩擦焊工具210所需的壓力較小，從而攪拌摩擦焊工具210的使用壽命增加。
如圖22所示，攪拌摩擦焊工具210進一步下降直到轉子216的端面216a以較小寬度H1咬入第二工件W2的表面中。這時，當攪拌摩擦焊工具210順時針轉動時，因為第二螺紋部分222呈左旋螺紋的形式，所以第二螺紋部分222產生阻止其插入第二工件W2的阻力。該阻力在第二螺紋部分222逐漸嵌入第二工件W2中的時候增加。
因為如上所述第一螺紋部分220呈右旋螺紋的形式，所以當攪拌摩擦焊工具210順時針轉動時，第一螺紋部分220產生使其向下運動的力。由於第一螺紋部分220和第二螺紋部分222的螺距彼此相等，並且第一螺紋部分220和第二螺紋部分222的軸向長度H彼此相等，因此使第一螺紋部分220向下運動的力和由第二螺紋部分222產生的阻力最終平衡。
至少直到邊界線224到達第二工件W2的表面之前，探頭218在第一螺紋部分220的作用下平滑嵌入第二工件W2和第一工件W1中。這是有利的，因為由致動器產生的壓力較小。
當使探頭218轉動並下降時，第一螺紋部分220向第二工件W2和第一工件W1施加向上提升力，並且第二工件W2和第一工件W1也被第二螺紋部分222向下按壓。因此，阻止了第二工件W2和第一工件W1被提升。
然後，在攪拌摩擦焊工具210下降直到端面216a以寬度H1咬入第二工件W2中時，攪拌摩擦焊工具210停止下降但仍然轉動。這時，使第一螺紋部分220向下運動的力和第二螺紋部分222產生的阻力保持平衡，從而防止探頭218不必要地下降。在探頭218的第一螺紋部分220和第二螺紋部分222之間的邊界線224與第二工件W2和第一工件W1之間的邊界線M對準。邊界線224和邊界線M應彼此大致對準。
在這種情況下，堆疊組件6的塑性流動材料流入支承夾具10的凹口18中，從而在堆疊組件6中產生增強的攪拌區。即，堆疊組件6的材料被大量攪拌、冷卻和固化，從而產生具有優異接合強度的攪拌摩擦焊接頭的部件42(參見圖4)。
如圖22中的箭頭X1、X2示意性地表示，探頭218附近區域中下面的第一工件W1的材料被第一螺紋部分220向上提升。如圖22中的箭頭Y1、Y2示意性地表示，探頭218附近區域中表面側的第二工件W2的材料被第二螺紋部分222向下推動。
然後，如圖23所示，在第二工件W2中沿箭頭Y1、Y2所示的方向產生塑性材料流動，並在第一工件W1中沿箭頭X1、X2所示的方向產生塑性材料流動。這些塑性材料流動是沿著箭頭X1、X2、Y1和Y2所示的方向的均勻塑性材料流動。由圖23(和稍後描述的圖24)中的交叉影線示出的區域示意性地表示出現塑性材料流動的區域。
由第一螺紋部分220向上提升的材料流動和由第二螺紋部分222向下推動的材料流動在邊界線224附近彼此結合，並沿著邊界線M被徑向向外推動。
因為如上所述，第一螺紋部分220和第二螺紋部分222的螺距彼此相等，並且第一螺紋部分220和第二螺紋部分222的軸向長度H彼此相等，所以由第一螺紋部分220產生的塑性材料流動和由第二螺紋部分222產生的塑性材料流動保持平衡，從而促進了邊界線224附近的塑性材料流動。
因此第二工件W2和第一工件W1主要在邊界線M附近的區域中被攪拌，並且第二工件W2和第一工件W1在較寬的區域上可靠地接合而不變薄。具體地，因為探頭218的第一螺紋部分220和第二螺紋部分222的螺紋220a、222a在點P處彼此連接(參見圖20)，所以促進了邊界線M附近的塑性材料流動從而更加向外推動材料流動。
因為防止了第二工件W2變薄，所以連接部的高度H2大致等於第二工件W2的厚度。因此，負載分布到較寬的區域上以提高接合強度。因為邊界線M處的區域在較寬區域上被攪拌並接合，所以增加了抗拉強度和剪切力。
另外，由於上面第二工件W2的靠近探頭218的區域塑性流動從而被第二螺紋部分222向下壓，所以材料流動不會隆起至第二工件W2的表面上，因此防止第二工件W2形成毛邊。
在對堆疊組件6進行攪拌摩擦焊之後，提起攪拌摩擦焊工具210以從堆疊組件6鬆開探頭218。第二工件W2和第一工件W1在嵌入攪拌摩擦焊工具210的區域中被點焊。
在上述說明中，第一螺紋部分220的螺紋220a和第二螺紋部分222的螺紋222a在點P處彼此連接(參見圖20)。然而，如果必要，可將螺紋220a的頂端與螺紋222a的頂端彼此周向分開，如圖25所示。或者螺紋220a的頂端與螺紋222a的頂端、以及螺紋220b的頂端與螺紋222b的頂端可以略微地彼此軸向分開，如圖26所示。
如果攪拌摩擦焊工具210逆時針轉動，那麼傾向於在邊界線M處的較小區域中發生攪拌摩擦焊，並且第二工件W2的表面易於產生毛邊。為了消除這些缺陷，如果攪拌摩擦焊工具逆時針轉動，優選採用攪拌摩擦焊工具250，其具有方向與上述方向相反的螺紋部分，如圖24所示。
具體地，攪拌摩擦焊工具250具有呈左旋螺紋形狀、並與攪拌摩擦焊工具210的第一螺紋部分220對應的第一螺紋部分230，以及呈右旋螺紋形狀、並與第二螺紋部分222對應的第二螺紋部分232。因為攪拌摩擦焊工具250的螺紋部分的方向與攪拌摩擦焊工具210的螺紋部分的方向相反，所以當攪拌摩擦焊工具250逆時針轉動時，攪拌摩擦焊工具250具有與攪拌摩擦焊工具210相同的優點。
由攪拌摩擦焊工具210、250接合的物體並不限於上述堆疊組件6。例如如圖27所示，可以對第一工件W1和第二工件W2的抵靠端面進行攪拌摩擦焊。當攪拌摩擦焊工具210、250沿抵靠端面運動時，可對抵靠端面連續進行攪拌摩擦焊。
在上述說明中，為了方便，根據附圖指出向上和向下的方向。然而，第一工件W1和第二工件W2可沿任意期望方向定向。攪拌摩擦焊工具7、210、250可相對於堆疊組件6大致成直角地被擠壓和嵌入。
本發明並不限於上述實施例，而是可在不脫離本發明範圍的情況下以各種方案實施。
權利要求
1.一種攪拌摩擦焊方法，用於用支承夾具(10)支承由多個部件(W1，W2)組成的堆疊組件(6)的一端面，並將攪拌摩擦焊工具(7)的探頭(8)嵌入所述堆疊組件(6)的另一端面中以對所述堆疊組件(6)進行攪拌摩擦焊，該攪拌摩擦焊方法包括以下步驟在所述支承夾具(10)中設置凹口(18)；以及轉動所述探頭(8)並將所述探頭(8)朝向所述凹口(18)嵌入所述堆疊組件(6)的所述另一端面中，從而將所述堆疊組件(6)在所述凹口(18)上方接合併在所述堆疊組件(6)的所述端面上提供沿嵌入所述探頭(8)的方向突出的平臺(44)。
2.根據權利要求1所述的攪拌摩擦焊方法，其特徵在於，所述平臺(44)具有水平截面大致為圓形的部分，並且所述水平截面的直徑大於所述探頭(8)的外徑。
3.一種攪拌摩擦焊支承夾具(10)，用於在對堆疊組件(6)進行攪拌摩擦焊時支承由多個部件(W1，W2)組成的所述堆疊組件(6)的一端面，其包括用於在其中容納所述堆疊組件(6)的材料的凹口(18)，所述材料從所述堆疊組件(6)的所述端面沿攪拌摩擦焊工具(7)的探頭(8)在所述探頭(8)轉動時嵌入所述堆疊組件(6)的另一端面中的方向塑性流動。
4.一種部件(42)，具有在對由多個部件(W1，W2)組成的堆疊組件(6)進行攪拌摩擦焊時產生的攪拌摩擦焊接頭，其包括平臺(44)，其在攪拌摩擦焊工具(7)的探頭(8)嵌入所述堆疊組件(6)的另一端面中時從所述堆疊組件(6)的一端面突出。
5.一種攪拌摩擦焊方法，用於用載置夾具(116)支承由多個部件(W1，W2)組成的堆疊組件(6)，並將攪拌摩擦焊工具(7)的探頭(8)嵌入所述堆疊組件(6)的上端面中以對所述堆疊組件(6)進行攪拌摩擦焊，所述載置夾具(116)插入支承夾具(114)的插入凹口(112)中並在其間限定有間隙(124)，而且所述載置夾具(116)具有限定在其上端面中的凹口(132)，該攪拌摩擦焊方法包括以下步驟當所述探頭(8)轉動並朝所述載置夾具(116)的所述凹口(132)嵌入所述堆疊組件(6)的上端面中，從而在所述凹口(132)上方對所述堆疊組件(6)進行攪拌摩擦焊時，沿著使所述載置夾具(116)的所述凹口(132)的中心與所述探頭(8)的中心對準的方向在所述插入凹口(112)中移動所述支承夾具(114)。
6.一種攪拌摩擦焊夾具(110)，用於對由多個部件(W1，W2)組成的堆疊組件(6)進行攪拌摩擦焊，其包括載置夾具(116)，具有限定在其上端面中的凹口(132)，用於在其上放置所述堆疊組件(6)；支承夾具(114)，具有限定在其中的插入凹口(112)，用於將所述載置夾具(116)插入該插入凹口中；和彈性體(130)，插設在所述支承夾具(114)和所述載置夾具(116)的插入所述插入凹口(112)的部分之間，並在所述載置夾具(116)與所述插入凹口(112)之間限定一間隙(124)。
7.一種攪拌摩擦焊工具(210)，用於對多個金屬工件(W1，W2)的抵靠部分進行攪拌摩擦焊，其包括用於擠壓所述工件(W1，W2)的轉子(216)；和同軸布置在所述轉子(216)頂端上的探頭(218)，用於插入所述工件(W1，W2)中；所述探頭(218)包括第一螺紋部分(220)，布置在所述探頭(218)頂端上並具有螺旋形狀；和第二螺紋部分(222)，布置在所述第一螺紋部分(220)後並具有方向與所述第一螺紋部分(220)相反的螺旋形狀。
8.根據權利要求7所述的攪拌摩擦焊工具(210)，其特徵在於，所述工件(W1，W2)堆疊在一起；並且從在所述第一螺紋部分(220)和所述第二螺紋部分(222)之間的邊界線(224)到所述轉子(216)端面的距離(H)大致等於在所述工件(W1，W2)之中表面側上的一個工件(W2)的厚度。
9.根據權利要求7所述的攪拌摩擦焊工具(210)，其特徵在於，所述第一螺紋部分(220)和所述第二螺紋部分(222)的螺距相等；並且所述第一螺紋部分(220)和所述第二螺紋部分(222)的軸向長度(H)相等。
10.根據權利要求7所述的攪拌摩擦焊工具(210)，其特徵在於，所述第一螺紋部分(220)和所述第二螺紋部分(222)具有相連的相應螺紋(220a，222a)。
全文摘要
在支承夾具(10)的上端面中設置水平截面大致為圓形的凹部(18)。當用於攪拌摩擦焊的裝置(7)的探頭(8)埋入多層部分(6)的上端面中時，埋入部分附近的材料塑性流動。這使得塑性流動材料流入凹部(18)中，結果材料在相對較大的區域中被攪拌。當流入凹部(18)中的材料冷卻並固化時，得到具有突起部分(44)的包括攪拌摩擦焊部分的部件(42)。
文檔編號B23K20/12GK1839011SQ20048002395
公開日2006年9月27日 申請日期2004年8月4日 優先權日2003年8月22日
發明者村川敏浩, 脇坂泰成, 大久保聰士 申請人:本田技研工業株式會社