CN103521911B - 金属材料用搅拌摩擦焊方法及由此获得的金属材料焊接体 - Google Patents

Abstract

金属材料用搅拌摩擦焊方法及由此获得的金属材料焊接体。所述方法用于将端部截面具有复杂形状的被焊部件相互对接，使用具有搅拌针的焊接工具，在搅拌针旋转的同时按压所述被焊部件使其焊接在一起，在所述被焊部件对接面的至少其中一边的焊接终端部的延长面上形成有膨出的膨出部。所述方法包括如下步骤：第一焊接工序，使用所述焊接工具，沿着所述被焊部件的一边对焊所述被焊部件的对接面，在到达所述膨出部之前终止所述一边的对焊；针孔填充工序，在所述一边的对焊之后，从所述膨出部插入所述焊接工具，将在第一焊接工序中残留的针孔通过金属材料塑性流动填充；以及第二焊接工序，在填充工序之后，沿着与所述先前的一边连续的另一边进行对焊。

Description

金属材料用搅拌摩擦焊方法及由此获得的金属材料焊接体

技术领域

本发明涉及用于纵向地焊接在端部的截面中具有复杂（即，杂乱）形状部分的对接金属部件的搅拌摩擦焊技术，更具体地涉及搅拌摩擦焊方法和由该方法制造的金属材料焊接体。

背景技术

近年来，已经发展了搅拌摩擦焊（FSW）技术并且在实际使用中取代熔接和钎焊技术作为用于接合由金属制成的被焊部件的新技术。

搅拌摩擦焊是固相接合技术，其中被焊部件在没有熔化的情况下被搅拌、软化和塑化。在搅拌摩擦焊中，与熔接（熔化接合）和钎焊（液相-固相反应接合）方法中基材中的热应变和强度降低相比，作为被焊部件的金属部件能够在基材中具有较少的热应变和较少的强度降低的情况下接合在一起。因此，有利地减少了由焊接中的热变形或焊接部的氧化引起的焊接故障。

搅拌摩擦焊是如下接合技术：被称作FSW工具（以下称为焊接工具）的圆柱形或圆筒形的接合工具在高速旋转的同时压抵被焊部件，被焊部件被搅拌、软化并且塑化从而借助于焊接工具与被焊部件之间产生的摩擦热接合在一起。

在通常的搅拌摩擦焊中，如在专利文献1（日本特开2011-101891号公报）和专利文献2（日本特开2011-101890号公报）中公开的那样，由于搅拌摩擦焊的焊接原理以及焊接工具的形状，可焊接形状限于平面或缓和的曲面。如果被焊部件具有诸如有角形、小圆弧形以及台阶形等复杂形状部分，则通过通常的搅拌摩擦焊技术难以将被焊部件对接并且纵向地焊接在一起。

此外，如图1（图1A、图1B）和图2所示，在对具有诸如外筒部等复杂形状部分的被焊部件进行搅拌摩擦焊时，被焊部件1（1a和1b）的焊接面（对接面）2通过根据部件的复杂形状部分（角部）3划分的多个焊接工序焊接。

然而，在搅拌摩擦焊技术中，通过搅拌、熔融、软化以及熔化被焊部件1（1a和1b）而获得的搅拌摩擦焊接部4没有形成在被焊部件1的整个对接面2上，并且在复杂形状部分3中残留着未焊接部分（没有被焊接的部分）5。在被焊部件1（1a和1b）中，如图3所示，在各焊接工序之后，焊接工具6的针孔7还残留在焊接终端部中，或者在复杂形状部分（角部）3中形成并且残留有未焊接部分5。在这种焊接过程中，尽管通过对焊部件1（1a和1b）提供了具有角形状的金属材料焊接体8，但是在焊接体8中的有应力集中的应力集中部的部件表面中残留有针孔或未焊接部分。

专利文献3（日本特开2006-239720号公报）还公开了一种使用如图4A和4B所示的双作用型搅拌摩擦焊设备9的焊接方法作为搅拌摩擦焊技术中用于消除金属材料焊接体8中的针孔7的方法。该焊接方法通过以下方式执行。双作用型搅拌摩擦焊设备9使用分别独立地升降轴肩部9a和针部9b的升降装置。在焊接过程之后，将针部9b从针孔7拔起，同时将轴肩部9a下推至作为工件的被焊部件1（1a和1b）中。由此使工件材料塑性地流入针孔7中从而填充针孔7。

此外，专利文献4（日本特开2011-121090号公报）公开了一种用于接头结构的搅拌摩擦焊技术，其中作为具有复杂形状部分的金属部件之间的焊接示例，由金属制成的待焊接空心部件通过防止由于工具载荷等引起的变形而被对焊在一起。

然而，在专利文献3公开的搅拌摩擦焊技术中，当被焊部件1a和1b具有大的焊接深度时，需要将轴肩部9a下推得更深以填充针孔7。因此，尽管针孔7变浅，但是残留了具有较大直径的轴肩孔7a。针孔7可能导致更大的强度降低。此外，在专利文献4的搅拌摩擦焊技术中，需要在一个被焊部件上形成突起，并且单独地在另一被焊部件上设置通过接收突起来支承突起的支承件，以维持被焊金属部件的可成形性。

如上所述，在传统的搅拌摩擦焊技术中，当被焊部件借助于焊接工具对接并且纵向地焊接在一起时，在焊接终端部中残留针孔或具有较大直径的轴肩孔，并且在复杂形状部分（角部）中形成并残留未焊接部分，由此提供了弱的焊接强度，获得了不充分的机械强度和物理强度，并且使外观品质劣化，因此是不利的。

为了在将被焊金属部件对焊在一起的时候抑制变形并且维持可成形性，还需要预先单独地另外将突起形成至一个被焊部件，并且将装配突起的突起用支承件形成至另一被焊部件。因此，由于对焊部具有杂乱（复杂）的形状，所以通过传统的方法难以加工被焊部件的对焊部（接头），并且该加工是耗时的。

发明内容

考虑到上述情况作出本发明，本发明的目的是提供如下用于金属材料的搅拌摩擦焊方法以及由此制造的金属材料焊接体，其能够通过在将被焊部件对接并且纵向地焊接在一起的搅拌摩擦焊过程中消除复杂形状部分附近的针孔和未焊接部分来改善对焊的焊接强度和焊接品质。

本发明的另一目的是提供如下用于金属材料的搅拌摩擦焊方法以及金属材料焊接体，其能够通过消除复杂形状部分附近的针孔和未焊接部分来改善机械焊接强度和物理焊接强度以及外观品质。

一方面，上述和其他目的可以通过提供如下用于金属材料的搅拌摩擦焊方法而实现，其用于将端部截面具有复杂形状的被焊部件相互对接，使用具有搅拌针的焊接工具，在搅拌针旋转的同时按压所述被焊部件使其焊接在一起，在所述被焊部件对接面的至少其中一边的焊接终端部的延长面上形成有膨出的膨出部，所述方法包括如下步骤：

第一焊接工序，使用所述焊接工具，沿着所述被焊部件的一边对焊所述被焊部件的对接面，在到达所述膨出部之前终止所述一边的对焊；

针孔填充工序，在所述一边的对焊之后，从所述膨出部插入所述焊接工具，将在第一焊接工序中残留的针孔通过金属材料塑性流动填充；以及

第二焊接工序，在填充工序之后，沿着与所述先前的一边连续的另一边进行对焊。

在该方面中，可以期望的是，在所述一边的焊接的终端被夹具固定的情况下实行所述针孔填充工序。

在本发明的另一方面中，提供一种用于金属材料的搅拌摩擦焊方法，其用于将具有矩形截面的被焊部件相互对接使其焊接在一起，在所述被焊部件对接面的4条边的每个焊接终端部的延长面上膨出的膨出部至少形成在第一焊接工序以及另一边侧的第一焊接工序时的焊接终端的延长面上，所述焊接方法包括如下步骤：

第一焊接工序，使用所述焊接工具，沿着所述被焊部件的一边对焊所述被焊部件的对接面，在到达所述膨出部之前终止所述一边的对焊；以及

针孔填充工序，在所述一边的对焊之后，从所述膨出部插入所述焊接工具，将在第一焊接工序中残留的针孔通过金属材料塑性流动填充；以及

第二焊接工序，在填充工序之后，沿着与所述一边连续的另一边进行对焊；以及

另一边侧的第一焊接工序，在第二焊接工序结束后，沿着所述先前的一边的相反侧的另一边将被焊接部件的对接面对焊在一起，在到达下一个膨出部之前终止所述另一边的对焊;以及

另一边针孔填充工序，在所述另一边的对焊之后，从所述下一个膨出部插入所述焊接工具将在所述另一边侧第一焊接工序中残留的针孔通过金属材料塑性流动填充；以及

另一第二焊接工序，在另一边针孔填充工序之后，沿着与所述另一边连续的另一边侧进行对焊；

其中，所述第二焊接工序和另一第二焊接工序在侧边对焊的中途或者从侧端侧返回时的侧边中央部分别终止。

在本发明的另一方面中，提供一种用于金属材料的搅拌摩擦焊方法，其用于将具有矩形截面的被焊部件相互对接使其焊接在一起，所述被焊部件在对接面的每个焊接终端部的延长面上形成有膨出部，所述焊接方法包括如下步骤：

第一焊接工序，使用所述焊接工具，沿着所述被焊部件的一边对焊所述被焊部件的对接面，在到达形成在对接面的对焊终端的延长面上的膨出部之前终止对焊；以及

针孔填充工序，在所述一边的对焊之后，从所述膨出部插入所述焊接工具，将在第一焊接工序中残留的针孔通过金属材料塑性流动填充；以及

第二焊接工序，在填充工序之后，沿着与所述一边连续的侧边进行对焊；并且在到达第二膨出部之前终止侧边的对焊；以及

侧边针孔填充工序，在所述侧边的对焊之后，从所述第二膨出部侧插入所述焊接工具将在第二焊接工序中残留的针孔通过金属材料塑性流动填充；以及

第三焊接工序，在侧边填充工序之后，沿着与所述先前的一边相反的另一边被焊接部件的对接面进行对焊；并且在到达第三膨出部之前终止另一边的对焊；以及

另一边针孔填充工序，在所述另一边的对焊之后，从所述第三膨出部侧插入所述焊接工具将在第三焊接工序中残留的针孔通过金属材料塑性流动填充；

其中，在所述另一边针孔填充工序之后，沿着相反侧的侧边的被焊部件的对焊面进行焊接，在另一侧边对焊的中途或者从侧端侧返回到另一侧区的侧边的中央部时对焊终止。

在上述方面中，可以期望的是，对所述被焊部件进行焊接，在焊接终止后通过机械加工除去所述膨出部。

本发明还提供一种金属材料焊接体，由端部截面具有复杂形状的被焊部件通过搅拌摩擦焊接焊接而成，

所述被焊部件的对接面上至少在一边的焊接终端部的延长面上形成有膨出部；使用所述焊接工具，对所述被焊部件进行对接时，在到达所述膨出部之前终止一边的对焊；在所述一边的对焊之后，从所述膨出部侧插入所述焊接工具将在所述一边的焊接终端残留的针孔通过金属材料塑性流动填充；所述搅拌摩擦焊接终止后，通过机械加工除去膨出部。

在上述方面中，可以期望的是，所述被焊部件具有矩形截面，并且通过使用所述焊接工具，沿着所述被焊部件的四个边按顺序地对所述被焊部件的焊接面进行对焊。

发明的效果

根据具有上述特征的本发明，在由金属材料制成的被焊部件沿着部件的纵向对接并且焊接在一起的搅拌摩擦焊中，能够在部件的复杂形状部分附近没有残留针孔和未焊接部分的情况下进行对焊。因此，能够改善被焊部件之间的对焊的焊接强度和焊接品质。

此外，根据本发明，能够在不使用熔接或钎焊的情况下简单地制造被焊部件沿纵向被对焊的接头结构。能够在复杂形状部分附近没有残留任何针孔和未焊接部分的情况下通过搅拌摩擦焊来提供金属材料焊接体。因此，能够改善机械焊接强度和物理焊接强度，并且能够实现作为焊接产品的卓越外观品质。

从参照附图作出的以下说明中，本发明的本质和另外的特征将变得更清楚。

附图说明

图1，包括图1A和图1B，示出用于焊接被焊部件的传统的搅拌摩擦焊方法，其中图1A是示出具有复杂形状部分（角部）的被焊金属部件之间的焊接状态的截面图，图1B是示出被焊部件之间的焊接状态的平面图（从上侧看）；

图2是通过根据图1的传统搅拌摩擦焊进行焊接之后的局部截面图；

图3是示出通过搅拌摩擦焊将复杂形状部分对焊在一起的接头结构的示例的立体图；

图4包括图4A和图4B，其中图4A是示出将通过使用传统的双作用型搅拌摩擦焊设备的搅拌摩擦焊方法进行焊接的部件的截面图，图4B是示出被焊部件的平面图（从上侧看），用于说明搅拌摩擦焊的针孔（probehole）填充工序；

图5，包括图5A和5B，示出搅拌摩擦焊（FSW）中使用的焊接工具（weldingtool）的工具形状；

图6是示出搅拌摩擦焊中使用的作为被焊金属部件的一个示例的工件的一部分的立体图；

图7是展示用于执行根据本发明的第一实施方式的搅拌摩擦焊的基本制造步骤的流程图；

图8，包括（A）和（B），示出根据第一实施方式的搅拌摩擦焊过程，其中图8的（A）是部分地示出由金属材料制成的被焊部件被对焊在一起的工件的部件上表面的视图，图8的（B）是示出工件的焊接部的截面图；

图9是作为根据第一实施方式的第一变型例的待焊接工件的部件的上侧视图；

图10是根据第一实施方式的第二变型例的待焊接工件的局部截面图；

图11，包括图11A和图11B，是用于说明第一实施方式中的搅拌摩擦焊的第一焊接工序的示图，其中图11A是被焊部件的局部上侧视图，图11B是被焊部件的局部截面图；

图12是被焊部件的截面图，其示出第一实施方式中的搅拌摩擦焊的填充工序；

图13是被焊部件的截面图，其示出第一实施方式中的搅拌摩擦焊的第二焊接工序；

图14，包括图14A和图14B，示出用于说明第一实施方式中的搅拌摩擦焊的填充工序的第一变型例，其中图14A是被焊部件的局部侧视图，以及图14B是被焊部件的局部截面图；

图15是展示用于根据本发明的第二实施方式的搅拌摩擦焊的结构的示图；

图16是示出由金属制成并且通过应用第二实施方式来制造的焊接体的外部构造的立体图；

图17是展示执行根据本发明的第三实施方式的搅拌摩擦焊过程的步骤的流程图；

图18是展示用于根据本发明的第三实施方式的搅拌摩擦焊的结构的示图；

图19是示出作为根据本发明的第四实施方式的搅拌摩擦焊过程中的被焊部件的工件的立体结构的照片；

图20是说明本发明的第四实施方式中的焊接工具的使用条件以及搅拌摩擦焊的条件等的表格；

图21是本发明的第四实施方式中制造的示例产品（金属材料焊接体）的图解截面图；

图22是与图21的示例产品相比较示出的传统产品的图解截面图；

图23是示出在本发明的第四实施方式中通过对焊被焊部件执行第一焊接工序之后的焊接状态的立体结构的照片；

图24是示出在本发明的第四实施方式中执行第二焊接工序后的焊接状态的示例产品的立体结构的照片；

图25是示出类似于图24地执行第二焊接工序之后的焊接部的示例产品的截面图的照片；

图26是示出在通过测试机对示例产品进行弯曲测试之前的状态的结构的照片；以及

图27是示出传统产品和图26的示例产品的弯曲测试结果的图表。

具体实施方式

下文中，将参照附图说明根据本发明的实施方式。

本发明涉及用于纵向地对焊由金属材料制成并且具有复杂形状部分的被焊部件的搅拌摩擦焊技术。图5中示出的搅拌摩擦焊工具（以下称作焊接工具）10在搅拌摩擦焊（FSW）中被用作接合工具。

参照图5，焊接工具10包括圆柱形轴肩部11和在远端（轴肩）面11a与轴肩部11一体地形成的针部12。针部12形成有小于轴肩部11的直径并且设置成与轴肩部11一起旋转。在搅拌摩擦焊中，焊接工具10被未示出的驱动轴驱动而旋转。

如图5所示，焊接工具10由诸如SKD61等工具钢材制成，具有诸如轴肩直径ΦA、搅拌针直径ΦB和搅拌针长度L等工具尺寸。工具可以具有如图5A所示的设置有圆筒形（圆柱形）搅拌针12a的结构形状、如图5B所示的设置有锥形搅拌针12b的结构形状或者设置有其他搅拌针形状的结构形状。

如图6所示，由铝或铝合金制成的方形部件或方形管部件被用作将在搅拌摩擦焊中对焊的金属部件13。例如，作为具有带角的截面形状的方形部件的一对被焊部件14和15被用作金属部件13。

此外，要注意，附图标记14和15这里被示出为作为焊接前部件的被焊部件14和15，为了防止部件的误解，在焊接之后相同的附图标记14和15同样用于这些部件，例如焊接后（焊接）部件14和15。

借助于旋转焊接工具10（图5）搅拌一对被焊部件14和15、通过由搅拌获得的摩擦热软化部件由此使部件的材料塑化来进行搅拌摩擦焊，以将部件一体地接合在一起。搅拌摩擦焊是用于固相接合被焊部件14和15的技术，其中被焊部件14和15借助于伴随着焊接工具10的旋转发生的塑性流动现象而彼此对接。

在金属部件13中，在将被对焊在一起的一对被焊部件14和15的相对边缘部分处，设置膨出部14a和14b、15a和15b作为焊接膨出部。膨出部14a和14b、15a和15b与例如被焊部件14和15的角部等复杂形状部分接触并且从复杂形状部分横向地膨出（延长或凸出）。如图6所示，膨出部14a和14b、15a和15b还以与焊接部上表面和焊接面平齐的方式膨出。膨出部14a和14b、15a和15b作为位于一边（一面）、例如位于围绕被焊部件14和15的各对接面的四边（四面）中的上边的焊接开始边缘部和焊接终端部的延长部横向地向外膨出。

在本发明中，通过将金属部件13沿纵向对接而执行搅拌摩擦焊，其中金属部件13在对接端部具有截面形状为诸如角形、台阶形或半径在大约20mm以下的小圆弧形的复杂形状部分。多个焊接工序和填充工序结合在一起以执行搅拌摩擦焊。由于多个焊接工序和填充工序结合在一起以执行搅拌摩擦焊，所以借助于伴随着搅拌摩擦焊而产生的材料的塑性流动能够将焊接部高效地并且有效地焊接在一起。

本发明提供一种用于金属材料的搅拌摩擦焊方法以及由此制造的搅拌摩擦焊接体，其能够改善对焊部的焊接强度（机械强度和物理强度）和刚度并且还能够在可靠地防止针孔和未焊接部分残留在复杂形状部分及其附近区域的情况下改善焊接品质。

[第一实施方式]（图6至图14）

将参照图6至图14说明将具有复杂形状部分的金属部件搅拌摩擦焊接在一起的第一实施方式。

图7是说明用于对金属材料进行搅拌摩擦焊的第一实施方式中的基本步骤的流程图。在对金属材料进行的搅拌摩擦焊中，在准备步骤中准备作为接合工具的、图5所示的焊接工具10以及作为方形部件或方形管部件的、图6所示的金属部件13。然后开始搅拌摩擦焊的相应的步骤（步骤：S20（焊接方法的开始））。

此外，这里将借助于如下示例说明搅拌摩擦焊，在该示例中，如图6所示，应力集中在被焊部件14和15的部件上表面A上，并且被焊部件14和15沿其纵向对焊在一起。

在图7的流程图中，当开始搅拌摩擦焊时，顺序地执行包括第一焊接工序（S21）、填充工序（S22）和第二焊接工序（S23）的三个基本步骤，由此生产或提供金属材料焊接体。然后结束搅拌摩擦焊（步骤：S24（焊接方法的结束））。

在第一焊接工序S21中，焊接工具10在旋转的同时从位于一边、即位于图6中的金属部件13的待焊接的对接部件14和15的焊接开始边缘部的膨出部14a和15a插入至焊接面25之间。焊接工具10的轴肩部11的轴肩面11a压抵部件上表面A。被焊部件14和15因此被搅拌并且由于摩擦热而软化。被焊部件14和15维持在鼓励材料的塑性流动的固相状态。

针部12（12a或12b）在焊接工具10旋转的情况下插入至被焊部件14和15的焊接部（对接面）25之间，从而通过摩擦热来软化被焊部件14和15并且使被焊部件14和15维持在鼓励材料的塑性流动的固相状态。因此将被焊部件14和15焊接在一起。

此外，如图8的（A）所示，焊接工具10在旋转的同时沿着被焊部件14和15的焊接部25移动至作为位于相对边的膨出部14b和15b的焊接终端部，并且焊接工具10的移动轨迹形成为搅拌摩擦焊接部26。

在第一焊接工序21中，在被焊部件14和15之间的搅拌摩擦焊中，焊接工具10停止于沿着焊接部25的上表面A延长的膨出部14b和15b紧前方的焊接终端部。第一焊接工序21因此结束（终止）。膨出部14a和14b、15a和15b设置在构成金属材料焊接体（工件）的产品部分27外侧。

由于焊接工具10的针部12在第一焊接工序21中在从焊接开始边缘部至焊接终端部的产品部分27内移动，所以来自焊接工具10的载荷或旋转力的大部分被产品部分27接收。因此，要求膨出部14a和14b、15a和15b小，因此，膨出部仅稍微变形。

如图8的（A）和图8的（B）所示，各膨出部14b和15b形成为例如具有膨出部长度C、膨出部深度（高度）D以及半径R的半圆柱形状。膨出部14b、15b的尺寸形状与焊接工具10的尺寸形状之间的关系满足以下“表达式1”。

[表达式1]

膨出部长度C>A-B/2

膨出部深度D≥A

半径R≥A/2

金属部件13的位于焊接开始边缘侧的膨出部14a和15a与位于焊接终端侧的膨出部14b和15b具有相同的形状。

尽管图8的（A）和图8的（B）示出金属部件13的膨出部形成为半圆柱形状的示例，然而膨出部的变型示例可以形成为如图9和10所示的形状。在图9所示的第一变型例中，金属部件13（14和15）的膨出部14b1和15b1形成为矩形形状。在图10所示的第二变型例中，金属部件13（14和15）的膨出部14b2和15b2具有形成为R形状的下部。

在任何情况下，在搅拌摩擦焊的相应的步骤完成后，金属部件13的膨出部通过诸如切削等机械操作沿虚线a，a1和a2被切除，并且在这种情况下，由于膨出部小，所以膨出部在焊接之后容易被切除（去除）。

如图11A所示，金属部件13的被焊部件14和15在第一焊接工序21中通过搅拌摩擦焊在上表面（部件上表面）A的焊接部26处焊接在一起。第一焊接工序21终止于膨出部14b和15b前方的、作为结束点的焊接终端部。如图11B所示，第一焊接工序21终止在如下位置：焊接工具10的针部12的行进方向上的前端邻近膨出部14b、15b与产品部分27之间的边界。

焊接工具10在焊接结束位置从被焊部件14和15的焊接部25拔出。由此通过焊接工具10形成针孔28，并且针孔28残留在部件上表面A中的靠近被焊部件14和15的膨出部14b和15b的位置处。

由于第一焊接工序21终止在图11A和11B所示的焊接终端（点）部处，所以针孔28定位成靠近膨出部14b和15b。因此在随后的填充工序22中利用塑性流动的特性容易地填充针孔。当第一焊接工序21在靠近膨出部14b和15b的焊接终端部处终止时，在搅拌摩擦焊中产生的载荷和旋转力的大部分被产品部分27接收。因此，即使膨出部14b和15b小，膨出部14b和15b也仅稍微地变形（打开），从而能够防止由于变形（打开）而发生缺陷。

在被焊部件14和15在第一焊接工序21中沿着部件上表面A焊接在一起之后，焊接工具10移动以执行填充工序22，由此填充在部件上表面A中的针孔28。替代与第一焊接工序21中使用的工具相同的工具，可以使用新的独立的焊接工具作为焊接工具10。在这种情况下，当在填充工序22中使用焊接工具时，膨出部的深度D优选地等于或大于工具的轴肩直径ΦA。

在填充工序22中，如图12所示，焊接工具10在旋转的同时从外侧方向大致直角地插入到设置有膨出部14b和15b的部件侧面B中。

在插入焊接工具10之前，预先通过加压夹具30对膨出部14b和15b施压，因此能够抑制膨出部14b和15b沿向上方向的变形。

在填充工序22中，当焊接工具10在旋转的同时从膨出部14b和15b插入至部件侧面B时，针部12使被焊部件14和15的材料软化，由此使得材料沿箭头M所示的（图12）、将材料推入针孔28的方向塑性地流动。即，通过插入焊接工具10，由轴肩部11施压的膨出部14a和14b、15a和15b的一部分材料以及所插入的针部12周围的被焊部件14和15的材料如箭头M所示塑性地流入部件上表面A中的针孔28。因此，能够填充针孔28。

加压夹具30压在膨出部14b和15b的上表面侧，以抑制材料的流动。因此，防止材料流入部件上表面A中的除针孔28之外的区域。

在填充工序22之后执行第二焊接工序23。在第二焊接工序23中，焊接工具10在旋转的同时保持在部件侧面B内并且平行于部件侧面B移动，沿着该部件侧面B将被焊部件14和15焊接在一起。通过移动焊接工具10而使搅拌摩擦焊接部26沿着被焊部件14和15的部件侧面B延伸。

通过在第一焊接工序21和填充工序22之后执行第二焊接工序23，金属部件13的被焊部件14和15利用在整个部件上表面A和部件侧面B上形成的搅拌摩擦焊接部26纵向地焊接在一起。能够在设置有膨出部14b和15b的复杂形状部分附近、即在角部附近不存在针孔28和未焊接部分的情况下，将被焊部件14和15焊接在一起。因此，改善了对焊的焊接强度，并且获得了良好的焊接品质。

在被焊部件14和15纵向地对焊在一起作为焊接部14和15的搅拌摩擦焊终止之后，剩余的膨出部14a和14b、15a和15b如虚线E所示通过诸如磨削和切削等机械操作从金属部件13去除。由于在通过对焊部件14和15获得的金属材料焊接体中的复杂形状部分（角部）附近不存在针孔和未焊接部分，能够获得良好的外观品质，并且能够改善机械强度和物理强度。

根据第一实施方式的搅拌摩擦焊是用于通过焊接工具10的旋转摩擦来软化作为具有复杂形状部分的被焊部件14和15的金属部件、由此使部件塑化的固相接合技术。因此，通过对焊获得的焊接体的接头结构具有较少的由焊接中的热变形或氧化引起的焊接缺陷。此外，被焊部件14和15在复杂形状部分附近的部件上表面中不存在针孔28和未焊接部分的情况下良好地焊接在一起，从而改善了焊接强度，并且能够获得良好的焊接品质（外观品质）。

根据第一焊接工序21中的搅拌摩擦焊的执行，残留在位于作为一边的部件上表面A的焊接终端部的针孔28能够通过随后的填充工序22中的材料的塑性流动来填充，在填充工序22中焊接从膨出部14b和15b开始。因此，能够改善通过第一实施方式中的搅拌摩擦焊过程中的对焊获得的搅拌摩擦焊接体的外观品质，因此获得了具有良好品质的产品。

[填充工序的第一变型例]

将参照图14A和图14B说明用于填充针孔的填充工序22的第一变型例22A、即变型示例。此外，构造与图12所示的填充工序22中使用的部件的构造相同的部件被添加相同的附图标记，在此省略重复的说明。

在第一变型例的填充工序22A中，除了加压夹具30之外，还在被焊部件14和15的膨出部14b和15b的两侧配置有变形约束夹具31和32。通过配置加压夹具30和变形约束夹具31和32，在填充工序22A中能够更有效地防止被焊部件14和15以及膨出部14b和15b的材料流入除针孔28之外的区域中。使材料更有效地沿箭头M的方向塑性地流动，以填充针孔28。能够进一步改善具有复杂形状部分的部件14和15（焊接部件14和15）之间的焊接强度。

[第二实施方式]（图15和图16）

将参照图15和图16说明本发明的第二实施方式。

第二实施方式展示具有矩形截面的金属部件13的被焊部件14和15被对焊在一起的接头结构的示例，其中应力集中在部件上表面A和部件下表面C。

为了沿着矩形截面的四个表面执行搅拌摩擦焊，在两组步骤中分开地执行第一实施方式中的搅拌摩擦焊过程。构造与第一实施方式中的构造相同的部件被添加相同的附图标记，因此这里省略重复的说明。

在图15所示的第二实施方式中，应力集中部37和38设置于部件上表面A和部件下表面C。在第二实施方式中，从部件上表面A至一个部件侧面B执行用于第一半过程（用于第一半周的焊接）的第一组搅拌摩擦焊。随后从部件下表面C至另一部件侧面B执行用于第二半过程（用于第二半周的焊接）的第二组搅拌摩擦焊。因此，具有矩形截面的被焊部件14和15通过两组搅拌摩擦焊（第一半过程和第二半过程）在整个外周上纵向地对焊在一起。

被焊部件14和15分别适当地设置有膨出部14b和15b，该膨出部在待对接的四个侧面作为焊接终端部的延长部而膨出。

更具体地，在根据图15所示的第二实施方式的搅拌摩擦焊中，通过执行以下步骤完成第一半周的对焊：第一焊接工序21，通过焊接工具10沿着作为一边的部件上表面A焊接被焊部件14和15的对接面，并且在膨出部14b和15b的紧前方终止沿着所述一边的对焊；填充工序22，在沿着部件上表面A（所述一边）的对焊之后从膨出部14b和15b插入焊接工具10以使材料塑性流动，从而填充第一焊接工序21之后残留的针孔28；以及部件侧面B上的第二焊接工序23，在填充工序22之后沿着作为与之前的部件上表面A连续的侧边的一个部件侧面B执行对焊。

此外，在第二焊接工序23中，通过在沿着部件侧面B向下执行的焊接之后掉转焊接方向由此回转焊接工具10而在部件侧面B的中央部附近终止焊接。

通过执行以下步骤完成从部件下表面C至另一部件侧面B的剩余半周的搅拌摩擦焊：另一边（部件下表面）上的第一焊接工序21，在部件侧面上的第二焊接工序23终止之后沿着与之前的一边相对的另一边、即部件下表面C焊接被焊部件14和15的对接面，并且在下一膨出部14b和15b的紧前方终止沿着所述另一边的对焊；另一边填充工序22B，在沿着所述另一边的对焊之后从下一膨出部14b和15b插入焊接工具10以使材料塑性流动，由此填充第一焊接工序21之后残留于所述另一边的针孔28；以及第二第二焊接工序23A，在另一边填充工序22B之后沿着与所述另一边连续的另一部件侧面B（另一侧边）执行对焊。

在第二焊接工序23A中，通过在沿着另一部件侧面B向上执行焊接之后掉转焊接方向由此回转焊接工具10而在另一部件侧面B的中央部附近终止焊接。在搅拌摩擦焊终止之后，通过机械加工将膨出部去除。在第二焊接工序23和第二第二焊接工序23A中，通过在中途停止焊接工具10能够将沿着部件侧面B的对焊终止在侧边中央部。

在根据第二实施方式的搅拌摩擦焊中，由于焊接操作在相应的第二焊接工序23和23A中终止在部件侧面B的中央部，所以最终残留焊接工具10的针孔28。然而，在整个外周的搅拌摩擦焊之后，仅在施加有较少应力的部件侧面B的中央部附近残留针孔28，而在部件上表面A和部件下表面C的应力集中部37和38处不残留针孔或未焊接部分。

因此，在通过根据第二实施方式的搅拌摩擦焊过程对焊被焊部件而获得的具有矩形截面的金属材料焊接体40中，在应力集中部37和38不存在针孔和未焊接部分，因此获得了高焊接强度。此外，由于在金属材料焊接体40的应力集中部不残留针孔和未焊接部分，可以提供能够改善机械强度和物理强度并且获得良好的焊接外观的接头结构。

[第三实施方式]（图17和图18）

下文中将参照图17和图18说明本发明的第三实施方式。

第三实施方式展示具有矩形截面的金属部件13的被焊部件14和15被对焊在一起的接头结构的示例，其中应力集中在部件的四个表面中的三个表面。

在该接头结构示例中，从与没有应力集中的剩余表面邻接的表面、例如从部件的上表面A沿顺时针方向或逆时针方向执行搅拌摩擦焊。此外，相同的附图标记添加至与第一实施方式的部件相对应的部件，并且在此省略重复的说明等。

更具体地，如图17和18所示，当在搅拌摩擦焊中对焊具有矩形截面的金属部件13的被焊部件14和15时，从与没有应力集中的表面邻接的表面、例如从部件上表面A顺序地执行第一焊接工序（S21）、第二焊接工序（S23）、第三焊接工序（S42）和第四焊接工序（S43）。在第一焊接工序S21和第二焊接工序S23之间、在第二焊接工序S23和第三焊接工序S42之间以及在第三焊接工序S42和第四焊接工序S43之间还分别执行填充工序（孔填充工序）（S22、S45和S46），由此填充通过执行第一焊接工序21、第二焊接工序S23和第三焊接工序S42而残留的针孔28a、28b和28c。

在相应的填充工序S22、S45和S46中，通过从膨出部48a、48b和48c插入焊接工具10、根据材料的塑性流动来填充在之前的焊接工序之后残留的针孔28a、28b和28c。

如图18所示，在搅拌摩擦焊的最后的第四焊接工序S43中，焊接沿部件侧面B向上进行。通过在靠近部件上表面A的位置掉转焊接方向由此回转焊接工具10而在部件侧面B的中央部附近终止焊接。在第四焊接工序S43中的焊接终止之后，最终残留针孔28。

由于针孔28形成在没有应力集中的部件侧面B中，能够防止对焊接强度的不良影响。在搅拌摩擦焊终止之后，通过机械加工切除和去除膨出部48a、48b和48c。

即，根据第三实施方式的搅拌摩擦焊是用于金属材料的搅拌摩擦焊方法，其中具有角截面形状的由金属材料制成的矩形被焊部件14和15沿纵向对焊在一起。在搅拌摩擦焊技术中，各被焊部件14和15均设置有在各对接面的四个边作为焊接终端部的延长部而膨出的膨出部48a、48b和48c。

搅拌摩擦焊通过执行以下步骤来完成：

第一焊接工序S21，通过焊接工具10沿着一边焊接被焊部件14和15的对接面，并且在膨出部48a的紧前方终止沿着所述一边的对焊；

填充工序S22，在沿着所述一边的对焊之后从膨出部48a插入焊接工具10以使材料塑性流动，由此填充第一焊接工序21之后残留的针孔28a；

第二焊接工序S23，在填充工序S22之后沿着与所述一边连续的侧边（一个部件侧面B）进行焊接，并且在第二膨出部48b的紧前方终止沿着所述侧边的对焊；

侧边填充工序S45，在沿着所述侧边的对焊之后从第二膨出部48b插入焊接工具10以使材料塑性流动，由此填充第二焊接工序S23之后残留的针孔28b；

第三焊接工序S42，在侧边填充工序S45之后沿着与之前的所述一边相对的另一边（部件下表面C）焊接被焊部件14和15的对接面，并且在第三膨出部48c的紧前方终止沿着所述另一边的对焊；

另一边填充工序S46，在沿着作为部件下表面C的另一边的对焊之后从第三膨出部48c插入焊接工具10以使材料塑性流动，由此填充第三焊接工序S42之后残留的针孔28c；以及

在另一边填充工序S46之后沿着与之前的所述侧边相对的另一侧边焊接被焊部件14和15的对接面，并且通过中途停止焊接工具10或者在从侧边缘回转焊接工具10之后停止焊接工具10而在所述另一侧边的中央部终止沿着所述另一侧边的对焊。

如上所述，通过根据第三实施方式的搅拌摩擦焊，能够获得如下接头结构：其中，通过对焊被焊部件14和15将在矩形截面中具有复杂形状部分（角部）的金属部件13在整个外周上焊接在一起。因此能够提供在整个外周上具有接头结构的金属材料焊接体40A。在焊接体40A中，除了没有应力集中的一个部件侧面B之外，在具有应力集中的应力集中部的三个表面中不残留针孔28a，28b和28c和未焊接部分。因此，能够改善焊接强度，还能够改善机械强度和物理强度，由此提供良好的外观品质（焊接品质）。

根据第三实施方式，在整个外周上搅拌摩擦焊接部件14和15之后，针孔28在具有矩形截面的金属部件13中仅残留在施加有较少应力的表面、例如部件侧面B的一个位置。因此，能够在没有残留应力集中部的情况下获得高焊接强度。

[第四实施方式]（图19至图27）

下文中将参照图19至图27说明本发明的第四实施方式。

第四实施方式展示用于构成金属材料焊接体55的示例，其中由铝或铝合金制成并且设置有具有角截面形状的复杂形状部分的金属部件50的被焊部件51和52在图20示出的用于执行搅拌摩擦焊的条件下对焊在一起。

在根据第四实施方式的搅拌摩擦焊中，使用例如由A6061-T6发泡材料制成的金属部件50。通过对接和焊接被焊部件51和52，提供了针孔28不残留在应力集中的部件上表面A中的金属材料焊接体55。

所准备和使用的焊接工具10是具有如图5A所示的圆柱形搅拌针的工具形状、具有诸如图20所示的轴肩直径ΦA为12mm、搅拌针直径ΦB为6mm并且搅拌针长度L为6mm的形状尺寸的焊接工具。如图19所示，金属部件50在部件上表面A的两侧的部件侧面B上具有半圆柱形膨出部51a和51b、52a和52b。具有曲率半径为6mm、膨出部长度Dc为4mm并且膨出部深度D为12mm的形状尺寸的膨出部被用作膨出部51a和51b、52a和52b。

在根据第四实施方式的搅拌摩擦焊中，以类似于第一实施方式中说明的搅拌摩擦焊的方式执行第一焊接工序S21、填充工序S22以及第二焊接工序S23，从而执行对焊。其后，如图21所示从上侧向下执行第三焊接工序S42以焊接与第二焊接工序S23中的部件侧面相对的部件侧面B，由此终止搅拌摩擦焊。

在搅拌摩擦焊终止后，针孔28和28残留在两个部件侧面B的下部中。通过机械加工将剩余的膨出部51a和51b、52a和52b去除。

在图20所示的搅拌摩擦焊条件下借助于由SKD61制成的焊接工具10来执行根据第四实施方式的搅拌摩擦焊，其中焊接工具10以1500rpm的转速、在填充工序S22中以20mm/min的工具插入速度并且以100mm/min的进给速度被驱动。因此，提供了金属材料焊接体55。

如上所述提供的金属材料焊接体55具有如图21所示的焊接截面结构。在第一焊接工序S21之后残留在部件上表面A中的针孔28通过执行填充工序S22和第二焊接工序S23通过膨出部51b和52b等的材料的塑性流动被填充并且消失。

在如上所述的过程中，在通过根据第四实施方式的搅拌摩擦焊的对焊提供的金属材料焊接体55中获得了接头结构。在这种接头结构中，针孔28和28仅存在于没有应力集中的位于两侧的部件侧面B的下部，在具有应力集中的应力集中部的部件上表面A中不残留针孔或未焊接部分。

对金属材料焊接体55和由传统的搅拌摩擦焊提供的传统产品进行比较，在如图22所示的传统产品中，被焊部件不具有膨出部。因此，在如第四实施方式中那样借助于焊接工具10在相同的搅拌摩擦焊条件下通过对焊来提供传统产品时，产品提供如图22所示的焊接截面结构。在传统产品中，在第一焊接工序S21中形成的针孔28残留在作为应力集中的应力集中部的部件上表面A中，并且未焊接部分58和58残留在部件上表面A的复杂形状部分（角部）。因此，被焊部件之间的焊接强度劣化，并且不能期待良好的焊接品质。

此外，当在第四实施方式的第一焊接工序S21中沿着部件上表面A对接并且搅拌摩擦焊接金属部件50的被焊部件51和52时，如图23所示，由于焊接工具10而在对接面的部件上表面A中残留针孔28。

然而，如图23和图24所示，当在填充工序S22中从膨出部51b和52b插入焊接工具10时，执行第一焊接工序S21时残留在部件上表面A中的针孔28填充有塑性地流入针孔28中的、膨出部51b和52b的材料以及部件侧面中的部件的材料。由于在填充工序S22和随后的第二焊接工序S23中材料的塑性流动，部件上表面A中的针孔28因此被填充并且针孔因此消失。

此外，当部件上表面A中的针孔28被填充并且针孔因此消失时，能够在在应力集中的部件上表面A中不存在诸如针孔和未焊接部分等焊接缺陷的情况下执行对焊。

在通过第二焊接工序S23和第三焊接工序S42通过对焊金属部件50的被焊部件51和52来提供金属材料焊接体55之后，并且在切除由于搅拌摩擦焊而残留在金属材料焊接体55上的膨出部51a和51b、52a和52b之后，在图26所示的状态下对金属材料焊接体55进行弯曲测试。

在弯曲测试中，金属材料焊接体55在部件上表面A朝下的状态下以例如120mm的支承间隔支承在两端。测试件56压抵金属材料焊接体55的中央部，因而从上侧施加弯曲载荷。使具有曲率半径R（R=20mm）的测试件56升降。在图27中示出对作为示例产品的金属材料焊接体55执行的上述弯曲测试的结果。

根据图27中的弯曲测试结果，已经证实与图22所示的传统产品相比，作为示例产品的金属材料焊接体55的抗弯强度提高了23%。因此，本发明与传统产品相比更优。

如以上所说明和解释的，根据本发明提供了一种用于金属材料的搅拌摩擦焊方法，其用于将端部截面具有复杂形状的被焊部件相互对接，使用具有搅拌针的焊接工具，在搅拌针旋转的同时按压所述被焊部件使其焊接在一起，在所述被焊部件对接面的至少其中一边的焊接终端部的延长面上形成有膨出的膨出部，所述方法包括如下步骤：第一焊接工序，使用所述焊接工具，沿着所述被焊部件的一边对焊所述被焊部件的对接面，在到达所述膨出部之前终止所述一边的对焊；针孔填充工序，在所述一边的对焊之后，从所述膨出部插入所述焊接工具，将在第一焊接工序中残留的针孔通过金属材料塑性流动填充；以及第二焊接工序，在填充工序之后，沿着与所述先前的一边连续的另一边进行对焊。

在另一个实施方式中，可以执行摩擦搅拌焊方法来对焊具有带四个侧面的矩形轴的部件。在这种情况下，执行搅拌摩擦焊过程，简单地说，可以对相应的四个侧面重复在上述方法中执行的搅拌摩擦焊的相应的步骤，但是有选择地在侧面中形成有延长面。

在任意情况下，通过在使焊接工具旋转的状态下在待被对接然后被焊接的部件的表面之间插入设置有搅拌针的焊接工具来执行焊接过程。这种焊接结束之后，通过移除搅拌针而形成的针孔被填充。对设置有膨出延长部的部件的侧部执行该步骤。

在本发明中，借助于上述搅拌摩擦焊方法来生产金属材料焊接体。

还要注意，本发明不限于说明的实施方式，在不偏离所附权利要求书的情况下可以作出多种其他变化和变型或变换。

Claims (5)

1.一种用于金属材料的搅拌摩擦焊方法，其用于将端部截面具有复杂形状的被焊部件相互对接，使用具有搅拌针的焊接工具，在搅拌针旋转的同时按压所述被焊部件使其焊接在一起，在所述被焊部件对接面的至少其中一边的焊接终端部的延长面上形成有膨出的膨出部，所述方法包括如下步骤：

第一焊接工序，使用所述焊接工具，沿着所述被焊部件的一边对焊所述被焊部件的对接面，在到达所述膨出部之前终止所述一边的对焊；

针孔填充工序，在所述一边的对焊之后，从所述膨出部插入所述焊接工具，将在第一焊接工序中残留的针孔通过金属材料塑性流动填充；以及

第二焊接工序，在填充工序之后，沿着与所述一边连续的另一边进行对焊。

2.根据权利要求1所述的用于金属材料的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，在所述一边的焊接的终端被夹具固定的情况下实行所述针孔填充工序。

3.根据权利要求1或2所述的用于金属材料的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，对所述被焊部件进行焊接，在焊接终止后通过机械加工除去所述膨出部。

4.一种金属材料焊接体，由端部截面具有复杂形状的被焊部件通过搅拌摩擦焊接焊接而成，

所述被焊部件的对接面上至少在一边的焊接终端部的延长面上形成有膨出部；

使用焊接工具，对所述被焊部件进行对接时，在到达所述膨出部之前终止一边的对焊；

在所述一边的对焊之后，从所述膨出部侧插入所述焊接工具将在所述一边的焊接终端残留的针孔通过金属材料塑性流动填充；

所述搅拌摩擦焊接终止后，通过机械加工除去膨出部。

5.根据权利要求4所述的金属材料焊接体，其特征在于，所述被焊部件具有矩形截面，并且通过使用所述焊接工具，沿着所述被焊部件的四个边按顺序地对所述被焊部件的焊接面进行对焊。