CN101670481B - 摩擦搅拌焊接的刀具及焊接结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摩擦搅拌焊接的刀具及焊接结构，其中刀具是在刀头上成型三平面，且该三平面之间又以三间隔面连接，并在该各间隔面上交错成型多个缺口及多个凸块以该刀具对两金属进行摩擦搅拌焊接加工以形成该焊接结构，且该两金属之间的搅拌区产生多个洋葱环，通过该三平面可提升搅动混合的效果，且多个洋葱环的结构，还可缩短该搅拌区内各洋葱环材料回填的路径，以避免该搅拌区内各洋葱环材料不及回填而造成缺陷。

Description

摩擦搅拌焊接的刀具及焊接结构

技术领域

本发明涉及一种由摩擦产生热的摩擦焊接技术，具体涉及一种摩擦搅拌焊接的刀具及焊接结构。

背景技术

使用摩擦搅拌的方式将两金属(通常为铝)焊接在一起的方式已公诸于世，首先是由英国焊接研究中心(TWI)在1991年发表的摩擦搅拌焊接(FSW)技术，后来有如日本专利“特许2712838”，专利名称为“摩擦溶接方法”所述的技术，都是将一高速旋转的刀具以刀头插入并合的两金属间，利用刀头高速旋转时与两金属间因摩擦产生的热，使两金属与刀头接触的部分降伏强度降低而保持在低强度的固态，刀头又搅动两金属降伏强度降低的部分混合，冷却后两金属的降伏强度逐渐回复，便将两金属焊接成一体。

前述技术中用于摩擦搅拌焊接的刀具的刀头，较常使用者为圆形的凸柱状结构，遂使两金属进行摩擦搅拌焊接时，仅有水平方向的搅动混合，且因刀头为圆形，有时还会产生刀头无法充分搅动两金属混合的现象，使两金属间只能在降低降伏强度的状况下冷却后接合，造成焊接效果与强度不佳的缺点。

后来开发出如日本专利“特开平10-249552”，专利名称为“摩擦溶接方法、装置及溶接工具(摩擦溶接方法および装置並びに溶接に使用する溶接工具)”的技术，是在刀头上成型环状的凹槽，或是如图1所示在圆锥状的刀头A上成型具有螺旋斜面A2的螺旋状的凹槽A1，且该刀头A的底部又连接一肩部B，当如图2所示使用该刀头A以顺时针方向旋转对两金属C1、C2进行摩擦搅拌焊接的作业时，该刀头A会以摩擦热降低该两金属C1、C2部分的降伏强度，并如图3所示，该刀头A以该凹槽A1上的螺旋斜面A2搅动该两金属C1、C2降低降伏强度的部分，使该两金属C1、C2被搅动的部分向上移动且混合，而该肩部B又会将该两金属C1、C2向上移动的部分向下挤压而流回该两金属C1、C2之间，使该两金属C1、C2在焊接后形成一焊接结构D，该焊接结构D并呈现如图4所示的状态，其中实际物品的状态如图13所示，两端分别为未受影响的母材区D1，向中间逐渐为受到该刀头A摩擦热影响的热影响区D2，有垂直移动混合的未动态再结晶区D3，以及位于该焊接结构D中间的搅拌区D4，通过该螺旋斜面A2向上搅动以及该肩部B向下挤压让材料回填的作用使该焊接结构D的搅拌区D4产生一洋葱环C3，使该焊接结构D确实产生混合的现象，并以垂直方向混合加强该焊接结构D的焊接效果与强度。

不过在前述技术实施一段时间后发现，若是刀头以垂直两金属的状态进行摩擦搅拌焊接，在移动刀具时容易因阻力过大而造成刀头断裂，故又开发出如中国台湾专利申请案号090121494、专利名称为“摩擦搅拌焊接方法与设备及所焊接的结构”所述的技术，是将刀具沿移动方向倾斜一角度，让刀头以斜向的角度对两金属进行摩擦搅拌焊接，藉以降低刀头在加工过程中所受的阻力，让加工更为顺畅。

可知目前的技术已经发展到在刀头上成型具螺旋斜面的螺旋状的凹槽，且让刀头以斜向的角度对两金属进行加工，不过本发明人在实作上却发现，由于图1中所示的刀头A成型的凹槽A1为螺旋状，并无法延伸至末端的部分，因此该刀头A在对该两金属C1、C2加工时，末端的部分仍仅为水平方向的搅动混合，尖端更是没有搅动的动作，当该两金属C1、C2被垂直向搅动混合形成该焊接结构D，在该焊接结构D的搅拌区D4产生该洋葱环C3时，该焊接结构D底部与该洋葱环C3之间容易因该肩部B挤压推回的部分材料移动路径太长而不及填补，会产生如图5所示的缺陷C4，且因该刀头A为圆锥状，故仍有该刀头A水平搅动混合效果不佳的缺点。

若是改变该刀头A的旋转方向，改以逆时针方向旋转，该刀头A的螺旋斜面A2会将该两金属C1、C2被搅动的部分向下带动，且该两金属C1、C2降伏强度降低的部分也会受挤压而向上移动混合，该两金属C1、C2焊接形成该焊接结构D时，依然会使该焊接结构D的搅拌区D4产生一洋葱环C3，而该焊接结构D受挤压而向上移动的部分也容易因材料不及填补而产生如图6所示的缺陷C4。

可知目前摩擦搅拌焊接的技术，虽已达到实用的程度，在成品上却容易有产生该缺陷C4的问题，若要控制到不产生该缺陷C4，可能需要调整该刀头A转速、前进速度、长度…等许多变量，且经过相当多次的统计与估算，才能逐渐减少该缺陷C4的产生，相当浪费时间、人力与物力，因此本发明人就针对该两金属C1、C2材料不及回填且水平搅动混合效果不佳的问题加以改进，而开发出一种摩擦搅拌焊接的刀具及焊接结构。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种摩擦搅拌焊接的刀具，它利用多个凸块使两金属块之间焊接时产生多个洋葱环，该刀具的刀头并以三平面提升两金属块间水平搅动混合效果，以增进该两金属块形成该焊接结构的强度，并避免该焊接结构产生缺陷。

为解决上述技术问题，本发明摩擦搅拌焊接的刀具的技术解决方案为：

刀具的刀头呈锥状，该刀头的径向侧面由三平面及三间隔面围绕构成，该些平面与该些间隔面交错排列，使该些平面的二平面之间分别间隔该一间隔面，该各间隔面上又成型多个缺口及多个凸块，该些缺口与该些凸块以该刀头的轴向交错排列在该间隔面；以该刀具进行摩擦搅拌焊接的加工，该刀头便能以该三平面进行搅动以提升混合效果，且该些间隔面的凸块还可相互配合搅动而产生多个洋葱环，以缩短该各洋葱环的材料回填路径而避免缺陷的产生。

本发明还通过前述刀具提供一种摩擦搅拌焊接的焊接结构，是由两金属块以摩擦搅拌焊接的方式接合形成，该焊接结构在搅拌区中具有多个洋葱环，藉增加洋葱环的数量以缩小各洋葱环的尺寸，而能够减少形成该各洋葱环时的材料回填路径，避免产生缺陷。

为解决上述技术问题，本发明摩擦搅拌焊接的焊接结构的技术解决方案为：

该焊接结构由两金属块摩擦搅拌焊接所形成，该焊接结构两端分别为母材区，由两端向中间逐渐为热影响区及未动态再结晶区，该焊接结构中间为一搅拌区，该搅拌区并具多个洋葱环；如此在单一焊接结构上增加洋葱环的数量，便能缩小各洋葱环的尺寸，并缩短形成该各洋葱环的材料回填路径，可避免缺陷的产生。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是现有技术刀具的立体图；

图2是现有技术刀具进行摩擦搅拌焊接加工的示意图；

图3是现有技术刀具对两金属进行摩擦搅拌焊接加工的示意图；

图4是现有技术焊接结构的示意图；

图5是现有技术刀具顺时针转动而焊接结构产生缺陷的示意图；

图6是现有技术刀具逆时针转动而焊接结构产生缺陷的示意图；

图7是本发明摩擦搅拌焊接的刀具实施例的立体图；

图8是本发明实施例刀具的侧视图；

图9是本发明实施例刀具的仰视图；

图10是本发明摩擦搅拌焊接的焊接结构实施例的示意图；

图11是本发明实施例刀具的各间隔面的凸块位于不同高度且倾斜的侧视图；

图12是本发明实施例用图11刀具形成的焊接结构的示意图；

图13是现有技术焊接结构的照片；

图14是本发明摩擦搅拌焊接的焊接结构的照片；

图15是本发明实施例用图11刀具形成的焊接结构的照片。

图1至图6中，A刀头，A1凹槽，A2螺旋斜面，B肩部，C1、C2金属，C3洋葱环，C4缺陷，D焊接结构，D1母材区，D2热影响区，D3未动态再结晶区，D4搅拌区；

图7至图12中，10刀柄，11肩部，20刀头，21平面，22间隔面，221缺口，222凸块，23端面，24斜面，30焊接结构，31母材区，32热影响区，33未动态再结晶区，34搅拌区，35洋葱环。

具体实施方式

本发明摩擦搅拌焊接的刀具及焊接结构，其中刀具的实施例如图7至图9所示，包括：

一刀柄10，一端的周缘成型一肩部11；以及

一刀头20，呈锥状且成型在该刀柄10的该端，该刀头20的径向侧面由三平面21及三间隔面22围绕构成，该些平面21与该些间隔面22交错排列，使该些平面21的二平面21之间分别间隔该一间隔面22，该各间隔面22上又成型四圆弧状的缺口221及四凸块222，该些缺口221与该些凸块222以该刀头20的轴向交错排列在该间隔面22，该各间隔面22的四凸块222又与另一该间隔面22的四凸块222相对位于相同高度，该刀头20轴向渐缩的端并具一端面23，其中一间隔面22向该端面23成型一斜面24。以该刀具对两金属进行摩擦搅拌焊接加工时，能将两金属焊接形成如图10所示的焊接结构30，其中实际物品的状态如图14所示，该焊接结构30两端分别为母材区31，由两端向中间逐渐为热影响区32以及未动态再结晶区33，该焊接结构30中间为一搅拌区34，即该焊接结构30具有二母材区31、二热影响区32、二未动态再结晶区33及一搅拌区34，该搅拌区34并具四洋葱环35；

该刀具在焊接两金属形成该焊接结构30，是以该刀头20的各间隔面22的四凸块222分别搅动因摩擦热而降低降伏强度的部分，由于该刀头20呈锥状，故该各凸块222相对该刀头20的轴心会呈倾斜，能使被搅动的部分同时产生水平向与垂直向的移动与混合，并以该刀柄10的肩部11将材料挤回而形成该各洋葱环35，可知该各洋葱环35是由该些间隔面22位于同高度的凸块222搅动所形成，以往只有单一洋葱环，因此材料的回填路径较长，容易因材料不及回填而产生缺陷，而将单一洋葱环分成该四洋葱环35后，该各洋葱环35所需移动回填的路径便缩短，因此能够达到完全回填的效果，避免产生缺陷；

且该刀头20在搅动该焊接结构30的搅拌区34时，该三平面21能够推挤降伏强度降低的部分移动，因此能彻底搅动该焊接结构30的搅拌区34，不会有以往使用圆锥状的刀头而搅动效果不佳的问题；

而在该各平面21之间的间隔面22，是为使该各平面21之间具有一定程度的厚度以保持结构强度，避免该刀头20在进行摩擦搅拌焊接的加工过程中，遭遇过大的阻力而断裂；

本发明人更发现，若是该刀头20的该各间隔面22的缺口221采用圆弧形设计，是让材料搅动过程更顺畅，其效果比方形设计者佳，但该各缺口221若是采用方形设计，虽效果较差，亦能实行本发明的技术；

另外该刀头20的斜面24还可以将该焊接结构30底部的部分搅动并向下推挤，使该焊接结构30底部的部分也能有垂直向的移动产生，以提升焊接效果。

且该刀具还有另一种实施方式，如图11所示，该刀头20的各间隔面22的四凸块222与另一该间隔面22的四凸块222相对位于不同高度，且该各间隔面22的凸块222呈倾斜设置，能将两金属焊接形成如图12所示的焊接结构30，其中实际物品的状态如图15所示，可知该一间隔面22的各凸块222所形成的洋葱环35会被另一该间隔面22的各凸块222所打散，因此原本应形成的该四洋葱环35，会形成超过四个的洋葱环35，如图12所示的六个洋葱环35，也可能成为五个、七个或更多的洋葱环，但数目必超过四个，而该各凸块222又由于呈倾斜设置，故还能提升该刀具20对于垂直方向的搅动混合效果；

由前述可知，本发明的主要技术乃是在该刀头20上成型该平面21及该凸块222，至于该平面21与该凸块222的数量并不影响本发明的技术，因此使用仅为数量的改变者，当为本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种摩擦搅拌焊接的刀具，其特征在于，包括：

一刀柄，一端的周缘成型一肩部；以及

一刀头，呈锥状且成型在所述刀柄的上述端，所述刀头的径向侧面由三平面及三间隔面围绕构成，上述平面与上述间隔面交错排列，使所述平面的二平面之间分别间隔一间隔面，所述各间隔面上又成型多个缺口及多个凸块，上述缺口与上述凸块以所述刀头的轴向交错排列在所述间隔面。

2.根据权利要求1所述的摩擦搅拌焊接的刀具，其特征在于：所述刀头的间隔面的缺口呈圆弧状。

3.根据权利要求1所述的摩擦搅拌焊接的刀具，其特征在于：所述刀头轴向渐缩的端具有一端面，其中一间隔面向所述端面成型一斜面。

4.根据权利要求1所述的摩擦搅拌焊接的刀具，其特征在于：所述刀头的各间隔面的凸块与另一间隔面的凸块相对位于相同高度。

5.根据权利要求1所述的摩擦搅拌焊接的刀具，其特征在于：所述刀头的各间隔面的凸块与另一间隔面的凸块相对位于不同高度，且所述各间隔面的凸块呈倾斜设置。

6.一种使用权利要求1所述的刀具制作的摩擦搅拌焊接的焊接结构，其特征在于：由两金属块摩擦搅拌焊接所形成，所述焊接结构具有二母材区、二热影响区、二未动态再结晶区及一搅拌区，且所述焊接结构由两端向中间依次为母材区、热影响区及未动态再结晶区，所述焊接结构中间为所述搅拌区，所述搅拌区并具多个洋葱环，所述洋葱环并由所述刀具的刀头的所述间隔面的凸块相互配合搅动而产生。

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