CN101406987B - 摩擦搅拌焊的搅拌头、其使用方法及其被焊物 - Google Patents

Abstract

一种摩擦搅拌焊的搅拌头、其使用方法及其被焊物，系先前研发的偏心搅拌头仍有未尽完善处，特研发出本发明，藉由摩擦棒前端的搅拌头中心点偏离摩擦棒中心点，且搅拌头为锥状搅拌头，锥状搅拌头表面设螺纹状沟槽，如此施以高速旋转的摩擦搅拌焊后，可确保焊后工件搅拌接合区内不会产生缺陷，且前进后退或圆弧度的焊接都可顺利达成，得以不须再利用机构以维持固定的倾斜角，以避免焊接缺陷。

Description

摩擦搅拌焊的搅拌头、其使用方法及其被焊物

技术领域

本发明提供一种摩擦搅拌焊的搅拌头及使用方法，尤指搅拌头中心偏离摩擦棒中心，且搅拌头表面设呈锥状及锥状表面螺纹状沟槽，使其摩擦搅拌焊后无缺陷。

背景技术

参阅图1所示，为现有习用摩擦搅拌焊接的示意图，摩擦搅拌焊接是利用摩擦热作为焊接热源，摩擦搅拌焊接过程是由一个圆柱体的搅拌头11伸入焊接工件12的接缝121处，透过摩擦棒13与搅拌头11的高速旋转，使摩擦棒13、搅拌头11与焊接工件12摩擦，进而使焊接工件12的材料温度升高而软化，同时对工件12的材料进行搅拌摩擦而完成焊接。焊接过程中，摩擦棒13高速旋转同时边沿工件12的接缝121与工件12相对移动。摩擦棒13的搅拌头11伸进材料内部进行摩擦生热和搅拌，摩擦棒13的轴肩131与焊接工件12表面摩擦生热，并用以防止塑性状态的材料的溢出。

惟，其现有习用的摩擦搅拌焊接，仍存在有缺失为：现有习用的摩擦搅拌焊，藉由摩擦棒13的摩擦与搅拌头11的深入摩擦与搅拌，以达到焊接的目的，但因摩擦棒13与搅拌头11垂直工件一边进行旋转摩擦且一边行进，如此造成现有习用摩擦搅拌焊的焊后会有明显缺陷，当摩擦棒13旋转方向为逆时针旋转时，缺陷140发生在搅拌头11行进轨迹的右侧(如图2所示)，而当摩擦棒13旋转方向为顺时针旋转时，缺陷141发生在搅拌头11行进轨迹的左侧(如图3所示)。

因为现有习用的摩擦搅拌焊接，有焊接品质不良的问题，于是后来有倾斜摩擦棒的特殊加工机被开发出来提供使用，该倾斜摩擦棒的特殊加工机虽可消除焊接缺陷，但倾斜角度在直线前进没有问题，而圆弧度或后退就必需利用特殊的夹治具与加工机构以维持固定的倾斜角，方能避免焊后缺陷。

为此，本发明的发明人开发出摩擦棒前端的搅拌头中心轴线偏离摩擦棒中心轴线，如此施以高速旋转的摩擦搅拌焊后，虽然可以使工件搅拌接合区内的缺陷减少，且前进后退或圆弧度的焊接都可以进行，得以不须再利用机构以维持固定的倾斜角，但仍难免有部分缺陷的产生。

是以，针对上述现有习知结构所存在的问题点，如何开发出一种更具理想实用性的创新结构，实消费者所殷切企盼，亦系相关业者须努力研发突破的目标及方向。

有鉴于此，发明人本于多年从事相关产品的制造开发与设计经验，针对上述的目标，详加设计与审慎评估后，终得一确具实用性的本发明。

发明内容

欲解决的技术问题点：虽现有习知的摩擦搅拌焊具有相当多的优点，但当摩擦搅拌焊接所用的加工轴逆时针旋转时，会有缺陷发生于旋转加工轴的搅拌头行进轨迹的右边。当旋转加工轴顺时针旋转时，会有缺陷发生于旋转加工轴的搅拌头行进轨迹的左边。故现有习用的摩擦搅拌焊容易产生焊接品质不良或焊接缺陷的问题，而利用倾斜角度克服，则因倾斜角度要固定的二度至五度，且倾斜方向与行进方向相反，行进方向配合接合线的I形接合线，U形接合线、S形接合线、M形接合线、圆形接合线、及螺旋接合线等多种形式与形状改变，造成圆弧度或后退就必需利用特殊的夹治具与加工机构，以维持固定的倾斜角。即现有习用的倾斜摩擦搅拌焊，主要将搅拌头与摩擦棒所构成的旋转加工轴，于旋转行进方向与倾斜方向相反，且倾斜角度以二度至五度不等，以期能改善缺陷，但因接合线形状不一，可为直线、曲线、U形、S形、M形、圆形及螺旋等多种形式与形状，随时保持旋转行进方向与倾斜方向相反，且倾斜角度以二度至五度不等是有困难的或不容易的，也使得缺陷仍会发生，除非使用特殊的夹治具与加工机构，维持角度固定，方能避免焊接缺陷。

本发明的目的在于提供一种摩擦搅拌焊的搅拌头，其无须采用特殊加工机、不用倾斜加工轴，加工过程不用考虑焊接线形式变化的问题，也不会有缺陷产生，使摩擦搅拌焊应用不会受限。

本发明的另一目的在于提供一种摩擦搅拌焊的搅拌头的使用方法，其无须采用特殊加工机、不用倾斜加工轴，加工过程不用考虑焊接线形式变化的问题，也不会有缺陷产生，使摩擦搅拌焊应用不会受限。

本发明的摩擦搅拌焊的搅拌头，包含有搅拌头设于摩擦棒的前端；该搅拌头与摩擦棒的中心轴线间，形成一设定偏心距离的偏心形态，且搅拌头设呈锥状，及锥状搅拌头表面设螺纹状沟槽，使摩擦棒旋转时，具螺纹状沟槽的锥状搅拌头呈偏心旋转。

上述的摩擦搅拌焊的搅拌头，其中该螺纹状沟槽的设置为在6mm长度内至少三条沟槽。

本发明的使用于如摩擦搅拌焊的搅拌头的被焊物，该被焊物包括一工件本体及一结合件，该结合件借着偏心的搅拌头，且该搅拌头为具螺纹状沟槽锥状搅拌头的摩擦搅拌焊结合于所述工件本体。

上述的使用于如摩擦搅拌焊的搅拌头的被焊物，其中该被焊物为塑胶、金属或合金材料。

本发明的如前所述摩擦搅拌焊的搅拌头的使用方法，其包括如下步骤：

a.设具垂直的加工轴：摩擦棒设于垂直的加工轴；

b.设具锥状搅拌头：摩擦棒前端设锥状搅拌头，锥状搅拌头中心轴线偏离摩擦棒中心轴线，锥状搅拌头表面设有螺纹状沟槽；

c.摩擦搅拌焊的加压旋转并移动：加工轴加压旋转并移动，使旋转的摩擦棒与偏心旋转的具螺纹状沟槽的锥状搅拌头移动焊接。

上述的摩擦搅拌焊的搅拌头的使用方法，其中该具锥状搅拌头的摩擦棒安装于非呈特定角度的摩擦搅拌焊加工机上。

本发明的摩擦搅拌焊的搅拌头的使用方法，其中工件本体与结合件藉由摩擦棒与偏心的具螺纹状沟槽的锥状搅拌头旋转插入的偏心摩擦搅拌焊接结合，该锥状搅拌头旋转方向是使塑性材料被螺纹状沟槽往下推的旋向。

解决问题的技术特点：本发明提供一种摩擦搅拌焊的搅拌头及使用方法，其中该加工轴摩擦棒的前端设有搅拌头，加工轴、摩擦棒与搅拌头均垂直于工件本体，且搅拌头中心轴线偏离摩擦棒中心轴线，搅拌头并设成锥状搅拌头，而锥状搅拌头表面设有螺纹状沟槽，该螺纹状沟槽于6mm范围至少三条以上，沟槽深度浅，如此在摩擦搅拌焊的使用上仅系摩擦棒与搅拌头的改变，无须采用特殊加工机、不用倾斜加工轴，所以加工过程不用考虑焊接线形式变化的问题，也不会有缺陷产生，使摩擦搅拌焊应用不会受限。

对照先前技术，本发明的功效为：

1.本发明摩擦搅拌焊的搅拌头及使用方法，其保有一般摩擦搅拌焊的摩擦接合方式，但具有加工轴保持垂直的特性，使得加工焊接后无明显的焊接缺陷，且无需使用特殊加工机。

2.本发明摩擦搅拌焊的搅拌头及使用方法，得以改善一般垂直加工轴摩擦搅拌焊会产生明显焊接缺陷的问题，使得焊后无缺陷。

3.本发明无需设定倾斜角度如二度至五度，所以也无需考虑焊接线的形式变化时，倾斜方向需要配合调整的问题，操作上较倾斜方式者节省了相当多的调校时间，而现有习用倾斜角度加工轴，在加工圆弧度或后退加工，就必需利用特殊的夹治具与加工机构，以维持固定的倾斜角。本发明则完全没有此一顾虑。

4.现有习用加工垂直的摩擦搅拌焊如果逆时针旋转会于搅拌头行进轨迹的右侧产生缺陷，而如果顺时针旋转会于搅拌头行进轨迹的左侧产生缺陷，无法避免，而本发明则得以有效改善此一问题。

有关本发明所采用的技术、手段及其功效，兹举一较佳实施例并配合图式详细说明于后，相信本发明上述的目的、构造及特征，当可由之得一深入而具体的了解。

附图说明

图1：是现有习用摩擦搅拌焊的实施状态示意图。

图2：是现有习用摩擦搅拌焊的逆时针旋转焊接示意图。

图3：是现有习用摩擦搅拌焊的顺时针旋转焊接示意图。

图4：是本发明摩擦搅拌焊的加工轴立体示意图。

图5：是本发明的摩擦搅拌焊搅拌头一例的平面图。

图6：是本发明的摩擦搅拌焊搅拌头另一例的平面图。

图7：是本发明的摩擦搅拌焊实施状态示意图。

图8：是本发明摩擦搅拌焊的流程示意图。

具体实施方式

本发明提供一种摩擦搅拌焊的搅拌头及使用方法，参阅图4、图5、图6所示，该摩擦搅拌焊的搅拌头为：

一加工轴2垂直于工件本体3(如图7所示)，加工轴2朝向工件本体3的端部设成一摩擦棒21，并使该摩擦棒21与加工轴2形成同心，摩擦棒21的朝工件本体3的端面形成轴肩22，该轴肩22上则凸设有一搅拌头23，并使摩擦棒21与搅拌头23均垂直于工件本体3，而搅拌头23与摩擦棒21的中心轴线间，形成一设定偏心距离s的偏心形态(如图4所示)，搅拌头23设成锥状搅拌头23，使其阻力减小，而锥状搅拌头23的表面并设有螺纹状沟槽231，螺纹状沟槽231以浅沟槽为佳，而且在6mm距离至少有三条沟槽，并以三条以上的沟槽效果更佳。该螺纹状沟槽231为梯形沟槽231a(如图5所示)，或近三角形沟槽231b(如图6所示)，而其沟槽均以浅沟槽为佳，且搅拌头23的旋向与螺纹状沟槽231进给方向相反，藉此可将塑性状态材料往下推，以补充焊接底部空洞部分，避免焊接底部缺陷的产生。

参阅图7所示，摩擦搅拌焊是锥状搅拌头23伸入工件本体3的接缝31处，锥状搅拌头23表面并形成有螺纹状沟槽231，如此透过摩擦棒21与锥状搅拌头23的高速旋转，使摩擦棒21、锥状搅拌头23与焊接工件本体3摩擦，进而使焊接部位的材料温度升高而软化，软化同时对材料进行搅拌摩擦而完成焊接。焊接过程中，摩擦棒21高速旋转同时边沿工件本体3的接缝31与工件本体3相对移动。摩擦棒21的锥状搅拌头23则伸进材料内部进行摩擦和搅拌，摩擦棒21的轴肩22与工件本体3表面摩擦生热，并用以防止塑性状态的材料的溢出。由于该锥状搅拌头23与摩擦棒21间呈偏心，且具螺纹状沟槽231，所以摩擦搅拌并移动的过程中，其锥状搅拌头23高速旋转并行进时，阻力较小，且行进路线类似螺旋，而使搅拌方式可在第一次经过时产生缺陷，但再次经过时可将之抹平，依序的抹平过程中，会留下最后一道缺陷，但该最后一道缺陷可以利用凸板方式处理，即摩擦搅拌焊的停止位置设在凸板上，如此缺陷只会在凸板上产生，其后只要加工去除多余的凸板，即可得一完美无缺陷的焊接成品，此部分解决了侧边的问题，而底部的问题则可藉由螺纹状沟槽231可以将塑性状态的材料往下推，塑性材料流动过程可以填满底部及底部与侧面交界的边角处最易产生缺陷处，使得缺陷问题可以有效解决者。

参阅图8所示，该摩擦搅拌焊的搅拌头使用方法，其方法为：

a.设具垂直的加工轴：摩擦棒设于垂直的加工轴；

b.设具偏心锥状搅拌头：摩擦棒前端设锥状搅拌头，锥状搅拌头中心轴线偏离摩擦棒中心轴线，锥状搅拌头表面并设有螺纹状沟槽；

c.摩擦搅拌焊的加压旋转并移动：加工轴加压旋转并移动，使旋转的摩擦棒与偏心旋转的锥状搅拌头移动焊接；

藉此，锥状搅拌头的摩擦搅拌并移动的路径不是直线，且可推动塑性材料流动填充空隙处，因此得以避免缺陷产生。

该a步骤更包括垂直于加工轴的摩擦棒提供使用，得以普及的摩擦搅拌焊加工机更换偏心及具螺纹状沟槽的锥状搅拌头的摩擦棒，即可克服不同形式的焊接轨迹与焊接路径，无需特别改变摩擦搅拌焊的加工机本身。

该a步骤更包括垂直于加工轴的摩擦棒提供使用，得配合普及的摩擦搅拌焊加工机使用，无需使用呈特殊角度的特殊摩擦搅拌焊加工机。

该c步骤旋转的方向为螺纹状沟槽可将塑性材料往底部方向推动的旋向。

一摩擦棒，该摩擦棒的前端设一具螺纹状沟槽的锥状搅拌头，该搅拌头与摩擦棒的中心轴线间，系形成一设定偏心距离的偏心形态，使摩擦棒旋转时，具螺纹状沟槽的锥状搅拌头呈偏心旋转。

一被焊物，被焊物包括一工件本体3及一结合件3a(如图7所示)，该结合件3a借着偏心搅拌头的摩擦搅拌焊结合于工件本体3。

一被焊物，该被焊物为塑胶、金属或合金材料组成的群组，或任何可被摩擦加热而塑化的物品。

该工件本体与结合件藉由摩擦棒与偏心的具螺纹状沟槽的锥状搅拌头旋转垂直插入的偏心摩擦搅拌焊接结合，当该摩擦棒与偏心的具螺纹状沟槽的锥状搅拌头焊接路径经过直线或曲线时，仍能随时保持垂直状态。

本发明功效增进之处如下：

其一、本发明的摩擦搅拌焊的搅拌头及使用方法，其改变仅在摩擦棒与搅拌头，完全不影响加工机本身，与现有习用作法藉由特殊专用机方能倾斜加工轴作摩擦搅拌焊，显有不同，本发明更利于实施。

其二、本发明的摩擦搅拌焊的搅拌头及使用方法，其具有偏心搅拌头消除焊接左侧或焊接右侧的缺陷，锥状搅拌头可以减低阻力，而具螺纹状沟槽的锥状搅拌头可以消除焊接底部及底部边角的缺陷。

前文系针对本发明的较佳实施例为本发明的技术特征进行具体的说明；惟，熟悉此项技术的人士当可在不脱离本发明的精神与原则下对本发明进行变更与修改，而该等变更与修改，皆应涵盖于如下申请专利范围所界定的范畴中。

Claims (4)

1.一种摩擦搅拌焊的搅拌头，所述搅拌头设于摩擦棒的前端；其特征在于：

该摩擦棒与垂直于工件本体的加工轴形成同心，摩擦棒与搅拌头均垂直于工件本体，该搅拌头与摩擦棒的中心轴线间，形成一设定偏心距离的偏心形态，且搅拌头设呈锥状，及锥状搅拌头表面设螺纹状沟槽，该螺纹状沟槽为梯形沟槽，且搅拌头的旋向与螺纹状沟槽的进给方向相反，使摩擦棒旋转时，具螺纹状沟槽的锥状搅拌头呈偏心旋转。

2.如权利要求1所述的摩擦搅拌焊的搅拌头，其特征在于：其中该螺纹状沟槽的设置为在6mm长度内至少三条沟槽。

3.一种如权利要求1所述摩擦搅拌焊的搅拌头的使用方法，其特征在于：其包括如下步骤：

a.设具垂直的加工轴：摩擦棒设于垂直的加工轴，该摩擦棒与该垂直于工件本体的加工轴形成同心；

b.设具锥状搅拌头：摩擦棒前端设锥状搅拌头，摩擦棒与搅拌头均垂直于工件本体，锥状搅拌头中心轴线偏离摩擦棒中心轴线，锥状搅拌头表面设有螺纹状沟槽，该螺纹状沟槽为梯形沟槽，且搅拌头的旋向与螺纹状沟槽的进给方向相反；

c.摩擦搅拌焊的加压旋转并移动：加工轴加压旋转并移动，使旋转的摩擦棒与偏心旋转的具螺纹状沟槽的锥状搅拌头移动焊接。

4.如权利要求3所述的摩擦搅拌焊的搅拌头的使用方法，其特征在于：其中该具锥状搅拌头的摩擦棒安装于非呈特定角度的摩擦搅拌焊加工机上。

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