CN102672341A - 搅拌摩擦焊接方法及其使用的焊接夹具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及搅拌摩擦焊接方法及其使用的焊接夹具。如下地进行搅拌摩擦焊接：准备一对待焊接构件，其均包括对接面和以伸出形式设置的富余部分，富余部分包括与对接面连续的焊接面，通过使用焊接用具进行搅拌摩擦焊接。焊接用具一体地包括柱形的肩部和形成在肩部的末端面的探头部，探头部的直径小于肩部的直径。使对接面和焊接面彼此接触，从而在其间形成连续的焊接线，在该状态下，将载荷支撑夹具部分安置在一对富余部分的底面侧，还将变形限制夹具部分安置在一对富余部分的顶面侧，在焊接用具旋转的同时，将焊接用具按压到待焊接构件的顶面上，使其沿着焊接线移动直至到达富余部分，从而通过搅拌摩擦焊接方法使待焊接构件彼此接合。

Description

搅拌摩擦焊接方法及其使用的焊接夹具

技术领域

本发明涉及一种搅拌摩擦焊接方法(实施搅拌摩擦焊接的方法)及用于该方法的焊接夹具。

背景技术

如图16和17中所示，搅拌摩擦焊接(FSW)方法是一种将待焊接构件101和102焊接在一起的方法，在该方法中，在被按压在待焊接构件101和102(以下可以简称为“构件101和102)上的同时，旋转的焊接用具103被移动，构件101和102随后被焊接用具103和构件101和102之间产生的摩擦热软化。随后，待焊接构件101和102通过固相焊接方式彼此接合，该固相焊接方式利用由焊接用具103的旋转而导致的塑性流动行为。

该搅拌摩擦焊接在低热量输入下实施，从而不同于一般的焊接方法，搅拌摩擦焊接部分104的基材的热应变以及强度降低被有利地减小。

在通常的搅拌摩擦焊接中，不利地，由于其焊接原理以及焊接用具103的形状，未焊接部分105保留在焊接体100中，且由焊接用具103形成的用具孔106(图18)也保留在焊接端点上。这一面可能会降低焊接体100的强度。

为了解决这个问题，如图19和20中所示以及日本特开平10-71477号公报中所披露，富余部分107(端片)以伸出的方式被设置到待焊接构件101和102各自的端部，将该富余部分107用作焊接端点来实施搅拌摩擦焊接(FSW)，在焊接后，该富余部分107被沿着切断线108切断。根据该方法，可防止剩下未焊接部分105，可通过切断包含用具孔106的富余部分107，而得到例如如图21中所示的不包含用具孔106的产品110。

然而，不利地，当形成有富余部分107的构件101和102通过搅拌摩擦焊接被彼此接合时，每个富余部分107需要支撑由焊接用具103施加的按压载荷，因此，需要增大该富余部分107的尺寸以保证其刚性。因此，如图21A和图21B中所示，通过切断富余部分107而形成的富余切断表面109的面积变大，这是不利的。

另外，富余切断表面109的外观与产品110表面的其它部分不同，导致产品110的外观品质降低。特别地，在将产品110例如用作需要提供精细外观的二轮车框架的情况下，该外观品质的降低将导致显著的问题。

发明内容

考虑到以上提到的现有技术中遇到的问题，而构思出本发明，本发明的目的是提供搅拌摩擦焊接方法并提供焊接夹具，其能够减小富余部分的切断面积，从而提高产品的外观品质，并可靠地防止由富余部分的变形导致的待焊接构件的焊接故障。

一个方面，根据本发明，可以通过提供一种搅拌摩擦方法来实现以上及其它目的，该搅拌摩擦焊接方法包括：准备一对待焊接构件，每个待焊接构件均包括对接面和以伸出形式设置的富余部分，所述富余部分包括与所述对接面连续的焊接面；准备用于进行搅拌摩擦焊接的焊接用具，所述焊接用具一体地包括柱形的肩部和形成在所述肩部的末端面的探头部，所述探头部的直径小于所述肩部的直径；使所述对接面彼此接触，使所述焊接面彼此接触，以及保持所述一对待焊接构件从而在所述一对待焊接构件之间形成连续的焊接线；在该状态下，将载荷支撑夹具部分安置在一对所述富余部分的底面侧，同时将变形限制夹具部分安置在一对所述富余部分的顶面侧，所述载荷支撑夹具部分用于支撑由所述焊接用具施加的按压载荷，所述变形限制夹具部分用于限制所述富余部分朝向其顶面的变形；以及在所述焊接用具旋转的同时，将所述焊接用具按压到所述待焊接构件的顶面，并使所述焊接用具沿着所述焊接线移动直至所述焊接用具到达所述富余部分为止，从而通过搅拌摩擦焊接，使所述待焊接构件彼此接合并使所述富余部分彼此接合。

在本发明的另一方面，也提供了一种用于搅拌摩擦焊接方法的焊接夹具，该搅拌摩擦焊接方法包括以上提及的各步骤，该焊接夹具包括：载荷支撑夹具部分；和变形限制夹具部分，其中，所述载荷支撑夹具部分被安置在一对富余部分的底面侧，用于支撑由焊接用具施加的按压载荷，并且所述变形限制夹具部分被安置在一对富余部分的顶面侧，用于限制富余部分朝向其顶面的变形。

根据该搅拌摩擦焊接方法及该焊接夹具，在焊接用具旋转的同时，焊接用具被按压并沿着待焊接构件之间以及富余部分之间的焊接线移动，从而通过搅拌摩擦焊接，使待焊接构件彼此接合且使富余部分彼此接合。此时，载荷支撑夹具部分支撑由焊接用具施加到富余部分的按压载荷。因此，富余部分的截面面积可减小，富余部分因此可被小型化，从而通过切断富余部分而形成的切断面积可变小。从而，产品的外观品质可得到提高。

另外，根据本发明，由于在焊接用具旋转的同时，焊接用具被按压并沿着待焊接构件之间和富余部分之间的焊接线移动，通过搅拌摩擦焊接，使待焊接构件彼此接合，并使富余部分彼此接合。此时，变形限制夹具部分限制富余部分朝向其顶面的变形，也就是，富余部分的升高变形以及富余部分的焊接面的相关开口变形。因此，可避免由于富余部分的焊接面的开口变形而导致的材料不足。从而，可有效地防止由于富余部分的变形而导致的待焊接构件的焊接故障，因此是方便和有利的。

从以下参照附图的说明中，本发明的本质和其它特性特征将更加清楚。

附图说明

在附图中：

图1是示出了根据本申请的搅拌摩擦焊接(FSW)方法的实施例中使用的一对待焊接构件的透视图；

图2是示出了用于在图1中的待焊接构件上进行搅拌摩擦焊接的焊接用具的侧视图；

图3是示出了在图1中的待焊接构件上进行搅拌摩擦焊接的情形的侧剖面图；

图4是示出了进行图3中的搅拌摩擦焊接的情形的俯视图；

图5(包括图5A、5B和5C)是示出了图1中的待焊接构件的富余部分和载荷支撑夹具部分的截面形状的截面主视图；

图6表示在图3中的搅拌摩擦焊接结束之后，富余部分被从焊接体上切断的状态，其中图6A是截面侧视图，图6B是主视图；

图7是表示图3中的搅拌摩擦焊接的焊接条件的图表；

图8是示出了当使用不包括变形限制夹具部分的焊接夹具进行搅拌摩擦焊接的情形的截面侧视图；

图9是示出了进行图8中的搅拌摩擦焊接的情形的俯视图；

图10是示出了在图7中的焊接条件下、进行图8中的搅拌摩擦焊接之后，焊接体的焊接状态的侧视图的照片；

图11是示出了从斜上侧拍摄的图10中的焊接体的照片；

图12是示出了在图7中的焊接条件下、进行了图3中的搅拌摩擦焊接之后，焊接体的焊接状态的侧视图的照片；

图13是示出了从斜上侧拍摄的图12中的焊接体的侧视图的照片；

图14是示出了在图12中的焊接体的正面的照片；

图15是示出了使用图3中示出的焊接夹具的另一示例的变形限制夹具部分，进行搅拌摩擦焊接的情形的侧剖面图；

图16是示出了根据传统方法进行搅拌摩擦焊接的情形的侧剖面图；

图17是示出了在进行图16中的搅拌摩擦焊接的情形的俯视图；

图18是示出了在图16中的搅拌摩擦焊接之后的状态的侧剖面图；

图19是示出了根据另一传统方法进行搅拌摩擦焊接的情形的侧剖面图；

图20是示出了进行图19中的搅拌摩擦焊接的情形的俯视图；

图21示出了在图19中的搅拌摩擦焊接之后，将富余部分从焊接体上切断的状态，其中图21A是侧剖面图，图21B是主视图。

具体实施方式

以下，将参照附图说明用于实现本发明的实施例。还需注意的是，本发明不局限于以下说明的实施例。

参照图1-3，其中示出了将由根据本发明的搅拌摩擦焊接(FSW)方法焊接的一对构件，通过使用图2中示出的焊接用具而在图3中示出的状态下进行该搅拌摩擦焊接。

图3中示出的搅拌摩擦焊接是以下接合用方法。也就是，一对待焊接构件11和12(图1)无需被熔化而通过待焊接构件11和12以及旋转的焊接用具13(图2)之间产生的摩擦热软化，待焊接构件11和12通过固相焊接而彼此接合，该固相焊接利用由焊接用具13的旋转而导致的塑性流动行为(待焊接构件11和12以下可简称为构件11和12)。

在实际的搅拌摩擦焊接操作中，特别地，准备均具有伸出形式的富余部分14的该一对待焊接构件11和12(图1)和焊接用具13(图2)。该一对构件11和12随后被保持成彼此抵靠。在该状态下，焊接夹具15(图3)被沿着构件11和12各自的富余部分设置。之后，焊接用具13在旋转的同时，被按压并朝向待焊接构件11和12移动。这样，进行搅拌摩擦焊以得到图4中示出的焊接体16。在搅拌摩擦焊接之后，富余部分14被从焊接体16上切断，以得到图6中示出的产品17。

图1中示出的待焊接构件11和12均具有对接面18和平坦的顶面19。该构件11和12由允许搅拌摩擦焊接的材料制成，例如，铝合金、镁合金、铜合金、钢材、铝、镁、钛、它们作为基体金属的合金以及包含作为强化材料的颗粒和纤维的金属基复合材料。另外，待焊接构件11和12可由相同材料或不同材料制成。

待焊接构件11和12均设置有向外伸出的富余部分14，该富余部分14具有与构件11和12各自的对接面18连续的焊接面20。另外，富余部分14具有平坦的顶面21，顶面21与各构件11和12的顶面19连续。

富余部分14可与各构件11和12一体地形成，或者可单独形成并通过焊接方式、通过紧固件或者通过其它适合的方法固定于各构件11和12。

如图2中所示，焊接用具13一体地具有柱形的肩部22和形成在该肩部22的末端面22A上的探头部(probe portion)。该探头部23被形成为其直径比肩部22的直径小，以与肩部22同轴。在进行搅拌摩擦焊接时，由未示出的驱动轴旋转驱动焊接用具13。

在焊接用具13旋转时，肩部22的末端面22A按压在待焊接构件11和12的顶面19上，从而该构件11和12在保持固相的同时被摩擦热软化，从而促进塑性流动。另外，在焊接用具13旋转时，探头部23被插入待焊接构件11和12的对接面18之间，从而在构件11和12保持固相的同时通过摩擦热使构件11和12软化。从而探头部23导致待焊接构件11和12的塑性流动，导致进一步的搅拌。

这里，假定焊接用具13的肩部22的直径为“A”，探头23的长度为“B”，以伸出形式设置到待焊接构件11和12的富余部分14的宽度“C”(图4)和厚度“D”(图3)分别被设定为：

1.2×A≤C＜2×A；以及

1.2×B≤D＜2×B。

另外，富余部分14的截面形状可被设定为如图5A中示出的宽度“C”×厚度“D”的矩形，且该矩形形状可如图5B中示出地倒角。可选择地，富余部分14的截面形状可被设定为半圆形(C＝2×D)，该半圆形具有对应于宽度“C”的直径。在本实施例中，富余部分14的截面形状为半圆形，该半圆形具有对应于富余部分14的宽度“C”的直径。

在搅拌摩擦焊接中，如图1中所示，一对待焊接构件11和12的对接面18彼此接触，且构件11和12的富余部分14的焊接面20彼此接触，由此构件11和12被保持成彼此抵靠，从而在它们之间形成连续的焊接线24。此时，优选的是，接触的对接面18和接触的焊接面20彼此紧密接触而不留任何间隙，以防止在如图3和4中示出的搅拌摩擦焊接部分25中产生缺陷。

在该状态下，如图3中所示，载荷支撑夹具部分27(夹具的用于支撑施加至其上的载荷的部分27)被安置在一对富余部分14的底面26侧，变形限制夹具部分28(夹具的用于限制其变形的部分28)被安置在一对富余部分14的顶面21侧。

变形限制夹具部分28从载荷支撑夹具部分27一体地突出，或者通过焊接、通过紧固件或者通过其它适合的方法而与载荷支撑夹具部分27形成为整体，以从载荷支撑夹具部分27突出，平行于富余部分14的顶面21。载荷支撑夹具部分27和变形限制夹具部分28构成焊接夹具15。

载荷支撑夹具部分27用于支撑在进行搅拌摩擦焊接时由焊接用具13施加至富余部分14的按压载荷，可通过提供载荷支撑夹具部分27来使富余部分14小型化。变形限制夹具部分28用于限制富余部分14朝向顶面21变形(也就是，如图8和9所示，富余部分14的升高变形(uplifting deformation)和富余部分14的焊接面20的相关开口变形)。该变形由以下原因导致：焊接用具13产生的摩擦热导致的富余部分14的软化；以及在搅拌摩擦焊接时，由焊接用具13施加的按压载荷。

如图3和4中所示，变形限制夹具部分28被设定在如下位置：在该位置，在搅拌摩擦焊接时，变形限制夹具部分28不干涉焊接用具13，例如，被设定在如下位置：在该位置，变形限制夹具部分28可抵靠富余部分14的顶面21的末端。

随后，在焊接用具13旋转的同时，焊接用具13按压在待焊接构件11和12的顶面19上，焊接用具13沿着焊接线移动，直至焊接用具13到达富余部分14，从而通过搅拌摩擦焊接，一对构件11和12彼此接合，且一对富余部分14彼此接合。

在实际操作中，焊接用具13在远离构件11和12的顶面19以及富余部分14的顶面21的位置开始旋转，旋转的焊接用具13被按压到一端的富余部分14之间的焊接线24上，例如，该一端对应于焊接起点。旋转的焊接用具13的探头部23随后被插入到富余部分14的焊接面20之间，且肩部22的末端面22A被按压在富余部分14的顶面21上。在这种状态下，焊接用具13在旋转的同时，沿着焊接线24移动，直至焊接用具13到达对应于焊接终点的另一端的富余部分14。这样，进行了搅拌摩擦焊接。

通过如上所述的搅拌摩擦焊接，待焊接构件11和12和富余部分14在保持固相的状态下，被与焊接用具13摩擦而产生的摩擦热软化，塑性地流动而被搅拌，随后形成搅拌摩擦焊接部分25，从而最获得到焊接体16。

在搅拌摩擦焊接时，由焊接用具13施加至富余部分14的按压载荷由焊接夹具15的载荷支撑夹具部分27支撑。

另外，由变形限制夹具部分28限制并阻止富余部分14的朝向顶面21的变形(富余部分14的升高变形以及富余部分14的焊接面20的相关开口变形)，该变形限制夹具部分28抵靠富余部分14的顶面21的末端。该变形由富余部分14的软化以及按压载荷导致。

在搅拌摩擦焊接之后，富余部分14被沿着切断线30(图3)从得到的焊接体16上切断，从而得到如图6中所示的产品17。小面积的富余切断表面32和搅拌摩擦焊接部分25的切断表面33形成在该产品17的端面上。图3或图13中示出的保持在搅拌摩擦焊接的端点的探头孔34，仍然存在于富余部分14中。然而，由于富余部分14被切断，该探头孔34不残留在产品17中。

以下，将说明根据本实施例的搅拌摩擦焊接的示例。

在该示例中，待焊接构件11和12均由铝合金(A6061)制成，富余部分14通过机械加工与各待焊接构件11和12形成为一体。

富余部分14的尺寸被设定为如图7中所示。也就是，例如，宽度“C”为14.4mm，厚度为“D”为7.2mm，且长度为11mm。

焊接用具13由合金工具钢(SKD61)制成，且焊接用具13的尺寸被设定为如图7中所示。也就是，例如，肩部22的直径“A”为12mm，探头部23的直径为6mm，且探头部23的长度“B”为6mm。在搅拌摩擦焊接时，焊接用具13的使用条件被设定为如图7中所示。也就是，焊接用具13的旋转速度为800rpm，进给速度为150mm/分钟。

对于以下两种情况，在图7中所示的相同的焊接条件下进行搅拌摩擦焊接，且将该两种情况的搅拌摩擦焊接的结果进行比较。在第一种情况中，在搅拌摩擦焊接时，使用包括载荷支撑夹具部分27和变形限制夹具部分28的焊接夹具15。在第二种情况中，在搅拌摩擦焊接时，使用如图8和9中所示的焊接夹具35，该焊接夹具35仅包括载荷支撑夹具部分27，而不包括变形限制夹具部分28。

在使用焊接夹具35的搅拌摩擦焊接中，由于在搅拌摩擦焊接时，由焊接用具13向富余部分14施加的按压载荷，以及富余部分14的软化，如图10和11中所示，富余部分14朝向顶面21升高(如图8和10中的箭头“P”所指示的)，富余部分14的焊接面20出现相关开口“Q”(图9、图11)。当焊接用具13在富余部分14的开口“Q”附近被旋转时，如图11所示，由于材料不足导致焊接体16中出现孔型缺陷。

相反，在使用包括载荷支撑夹具部分27和变形限制夹具部分28的焊接夹具15的搅拌摩擦焊接中，如图12-14所示，富余部分14的顶面21的末端(在该示例中，从富余部分14的顶面起2.5mm的范围内)通过变形限制夹具部分28而被限制。因此，富余部分14在搅拌摩擦焊接时不升高，从而，富余部分14的焊接面20不出现开口。因此，尽管由焊接用具13的肩部22形成的探头孔34保留在富余部分14中，缺陷36并不出现在焊接体16中，因此发现可实现良好的焊接。

还需注意的是，图11-13中的箭头X指示的是焊接用具13在搅拌摩擦焊接时的运动方向。图13中的附图标记37表示的是由变形限制夹具部分28留在富余部分14上的对接痕迹。

具有这种结构和上述征性特征的本实施例产生以下有益效果(1)至(4)。

(1)如图3和4中所示，在焊接用具13旋转的同时，焊接用具13被按压并沿着待焊接构件11和12之间以及富余部分14之间的焊接线24(图1)移动。从而通过搅拌摩擦焊接，待焊接构件11和12彼此接合，富余部分14也彼此接合。在这种情况下，焊接夹具15的负载支撑夹具部分27被安置在富余部分14的底面26侧，焊接夹具15支撑由焊接用具13向富余部分14施加的载荷。因此，富余部分14的截面面积可减小，富余部分14可由此而小型化，可使通过切断富余部分14而形成的富余切断表面32(图6)变小。从而，可提高产品17的外观品质。

(2)相似地，在焊接用具13旋转的同时，焊接用具13被按压并沿着待焊接构件11和12之间和富余部分14之间的焊接线24移动，从而通过搅拌摩擦焊接，待焊接构件11和12彼此接合，富余部分14也彼此接合。在这种情况下，焊接夹具15的变形限制夹具部分28限制富余部分14朝向顶面21的变形，也就是，富余部分14的升高变形以及富余部分14的焊接面20的相关开口变形。因此，可避免富余部分14的焊接面20的开口变形导致的材料不足，从而，可有效地防止由富余部分14的变形导致的构件11和12的焊接故障(即，图11中所示的缺陷36的出现)。

(3)如图2-4所示，假定焊接用具13的肩部22的直径为“A”，探头部23的长度为“B”，待焊接构件11和12的富余部分14的宽度“C”和厚度“D”分别被设定为：C＜2×A；以及D＜2×B。因此，富余部分14可被小型化，从而富余切断表面32(图6)可变小。从而，可提高产品17的外观品质。另外，宽度“C”和厚度“D”分别被设定为：1.2×A≤C；并且1.2×B≤D。因此，可防止焊接用具和焊接夹具之间的干涉，可保证搅拌摩擦焊接时所要求的富余部分14的刚性。因此，富余部分14的变形可被有效地抑制，缺陷36(图11)的产生可被有效地防止。

(4)如图5C、图6A和6B所示，富余部分14的截面形状被设定为半圆形，该半圆形的直径对应于富余部分14的宽度“C”。因此，富余部分14可被进一步小型化，因此可使富余切断表面32最小化。从而，可提高产品17的外观品质。

还需注意的是，以上，尽管通过优选实施例说明了本发明，但是本发明不局限于所说明的实施例，可以作出很多其它变化和变型或者替换，而不脱离所附权利要求书的范围。

例如，如图15中所示，斜面(tapered surface)41可形成在每个富余部分14的末端，从而与垂直于顶面21的假想面40之间形成倾斜角α。随后，焊接夹具42的变形限制夹具部分43可被形成为与斜面41对应地以倾角角α倾斜，使得变形限制夹具部分43可在搅拌摩擦焊接时抵靠斜面41。在该示例中，优选的是，将该倾斜角α设定为例如15度或更大。

Claims (6)

1.一种搅拌摩擦焊接方法，其包括：

准备一对待焊接构件，每个待焊接构件均包括对接面和以伸出形式设置的富余部分，所述富余部分包括与所述对接面连续的焊接面；

准备用于进行搅拌摩擦焊接的焊接用具，所述焊接用具一体地包括柱形的肩部和形成在所述肩部的末端面的探头部，所述探头部的直径小于所述肩部的直径；

使所述对接面彼此接触，使所述焊接面彼此接触，以及保持所述一对待焊接构件从而在所述一对待焊接构件之间形成连续的焊接线；

在该状态下，将载荷支撑夹具部分安置在一对所述富余部分的底面侧，同时将变形限制夹具部分安置在一对所述富余部分的顶面侧，所述载荷支撑夹具部分用于支撑由所述焊接用具施加的按压载荷，所述变形限制夹具部分用于限制所述富余部分朝向其顶面的变形；以及

在所述焊接用具旋转的同时，将所述焊接用具按压到所述待焊接构件的顶面，并使所述焊接用具沿着所述焊接线移动直至所述焊接用具到达所述富余部分为止，从而通过搅拌摩擦焊接，使所述待焊接构件彼此接合并使所述富余部分彼此接合。

2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，假定所述焊接用具的肩部的直径为A，所述富余部分的宽度C被设定为满足以下公式：

1.2×A≤C＜2×A。

3.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，假定所述焊接用具的探头部的长度为B，所述富余部分的厚度D被设定为满足以下公式：

1.2×B＜D＜2×B。

4.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述富余部分的横截面被设定为半圆形，所述半圆形的直径对应于所述富余部分的宽度。

5.一种用于搅拌摩擦焊接方法的焊接夹具，所述搅拌摩擦焊接方法包括：准备一对待焊接构件，每个待焊接构件均包括对接面和以伸出形式设置的富余部分，所述富余部分包括与所述对接面连续的焊接面；准备用于进行搅拌摩擦焊接的焊接用具，所述焊接用具一体地包括柱形的肩部和形成在所述肩部的末端面的探头部，所述探头部的直径小于所述肩部的直径；使所述对接面彼此接触，使所述焊接面彼此接触，以及保持所述一对待焊接构件从而在所述一对待焊接构件之间形成连续的焊接线；以及在所述焊接用具旋转的同时，将所述焊接用具按压到所保持的所述待焊接构件的顶面，并使所述焊接用具沿着所述焊接线移动直至所述焊接用具到达所述富余部分为止，从而使所述待焊接构件彼此接合并使所述富余部分彼此接合，

所述焊接夹具包括：

载荷支撑夹具部分；和

变形限制夹具部分，

其中，所述载荷支撑夹具部分被安置在一对所述富余部分的底面侧，用于支撑由所述焊接用具施加的按压载荷，并且所述变形限制夹具部分被安置在一对所述富余部分的顶面侧，用于限制所述富余部分朝向其顶面的变形。

6.根据权利要求5所述的焊接夹具，其特征在于，所述变形限制夹具部分被设置到所述载荷支撑夹具部分，从而抵靠所述富余部分的顶面的末端。

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