CN109475972B - 具有静止的凸肩的fsw工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于FSW工具(摩擦搅拌焊接工具)(10)的配件组(18)，包括：可插入到工具收纳部(15)中的适配器(12)，该适配器被设计用于接收焊针(11)；和凸肩盖(13)，该凸肩盖具有用于焊针(11)和适配器(12)的通孔(20)。凸肩盖(13)具有在外表面上邻接通孔(20)的焊接凸肩区域(21)。适配器(12)围绕关于通孔(20)同心延伸的纵向轴线(A)相对于凸肩盖是可转动的。通孔(20)的内轮廓(20a)以及适配器(12)的径向外轮廓(12a)至少在面向焊接点的端部上被锥形地形成。由此，在适配器(21)与凸肩盖(13)之间形成环形间隙(21)，其宽度(D)可通过适配器(12)沿着纵向轴线(A)的定位而调整。本发明还涉及一种配备有这种配件组(18)的FSW工具(10)，一种用于使FSW工具适配于焊接操作的方法，以及一种用于用于执行至少一个焊接操作的FSW工具的操作方法。

Description

具有静止的凸肩的FSW工具

技术领域

本发明涉及一种用于FSW工具的配件组，一种配备有这种配件组的FSW工具和一种适配用于焊接操作的FSW工具的方法，以及一种用于FSW工具的操作方法。

背景技术

在本公开的框架下，缩写“FSW”是用于摩擦搅拌焊接(英语：friction stirwelding)。因此，FSW工具是摩擦搅拌焊接工具，FSW工艺/方法是摩擦搅拌焊接工艺/方法。

FSW方法在实践中以不同的设计为人所知。它们通常用于将两个由相同或相互匹配的材料制成的部件彼此连接。在转动运动中偏移的焊针在FSW工艺开始时被置放于至少一个部件的表面上。该至少一个部件的材料通过针与表面之间的摩擦被加热直到其塑化，即变为糊状状态，而不是在此熔化。焊针浸入到该至少一个工件的材料中，在此，位于材料中更深处的层也被塑化。

在焊针的背侧端部上设置有沿径向方向突出的表面，即，所谓的焊接凸肩或凸肩，其在焊针浸入时与焊针旁边的至少一个工件的材料贴靠。该凸肩可以具有相对于焊针相同或不同的转速。该凸肩可以相对于至少一个工件执行旋转运动或停止不动。

FSW工具随着浸入到材料中的焊针和贴靠在所述表面上的焊接凸肩一起根据所期望的焊接线或焊接路径沿工件运动。在这种情况下，有更多的工件材料通过焊针被塑化，并可能围绕焊针被传送。FSW工具的焊接凸肩在基本为平移的焊接运动期间形成焊缝，并且在必要时还用于将一按压力特别是基本上垂直于表面地或相对于正交方向具有小偏角地作用在所述至少一个工件的表面上。通过该按压力以及用焊接凸肩覆盖在塑化区上，实现了糊状材料填充焊缝的整个深度，并且不会在不期望的方向上逃逸。

在摩擦搅拌焊接时，焊接凸肩被限定为焊针附近的表面区域，该表面区域在FSW焊接操作期间接触至少一个工件的表面，使其与被塑化的材料接触。焊接凸肩可以相对于工件进行旋转运动以及沿着焊接路径进行平移运动。通过焊接凸肩与工件之间的该平移运动和/或旋转运动(通常为相对运动)，可以产生摩擦热，该摩擦热至少局部地有助于塑化。替代地，这种塑化可以仅通过焊针的作用或者主要通过焊针的作用实现。

由专利文献US8006890B2和US8814027B2已知FSW工具，其中，在旋转的且分别一体化实现的焊针与相邻的形成焊接凸肩的部件之间的间隙至少在面对焊接点的端部上圆柱形地形成。

专利文献DE102012206368A1公开了一种摩擦搅拌点焊装置，其通过摩擦搅拌点焊(Friction Stir Spot Welding-FSSW)使相互叠加的平坦工件连接。在该FSSW焊接工具上设置有具有压脚的压力施加装置。压脚在点焊操作期间压在上面的工件上，以防止从下面的工件抬起。一体化形成的、旋转的并具有端侧焊针的焊接工具通过浸入机构浸入到上面的工件的表面中。在浸入时，压脚反向于预紧部件的力压入FSSW工具的壳体中。在焊接操作期间，压脚没有相对于工件的相对运动。压脚的接触面位于焊接区外，也就是说，其不接触塑化的材料。焊接凸肩在一体化的、旋转的焊接工具上仅设置在在焊针附近的区域中。

本公开还涉及到FSW方法，其中，焊接工具的凸肩相对于至少一个工件进行基本上纯粹的平移运动。该方法也被称为利用直立凸肩或利用静止凸肩的FSW方法。如有可能，这里公开的FSW工具也可用于该FSW方法，其中，焊接凸肩和焊针以不同的旋转速度(相互之间或相对于工件)被驱动。

在该方法中已经证实存在的问题是：糊状材料可能会渗透到焊针与直立凸肩之间的区域中。在焊针和直立凸肩之间需要有转动运动，该转动运动通常关系到轴承和环形间隙。在目前已知的FSW工具中，在焊接操作期间，部分塑化的材料能够渗入到支承点或环形间隙中，并以各种方式损害焊接操作或在FSW工具上和/或在工件上造成损伤。特别是可能会堵塞间隙和/或阻塞支承点，这一方面可能会在焊接操作中出现不规则或断裂，或者产生有缺陷的焊缝，另一方面可能会造成FSW工具的损伤或完全损坏。但是由于焊针和焊接凸肩之间必要的相对运动，因此不能省去该环形间隙。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于FSW工具的配件组、一种配备有这种配件组的FSW工具和一种对应的用于FSW工具的适配方法，以及一种用于FSW工具的操作方法，利用它们可以减少或消除前述的缺点。

本发明的目的通过独立权利要求中的特征来实现。

FSW工具通常具有高寿命的组件，这些组件的使用可以贯穿许多焊接操作或者FSW工具的整个使用寿命而无需更换。此外，FSW工具还包括这样的组件：其在焊接操作期间会受到很大的磨损并因此必须在一定数量的焊接操作之后进行修理或更换。这样的组件在下文中称为配件组。

用于根据本公开的FSW工具的配件组包括可插入到FSW工具的工具收纳部中的适配器。该适配器被设计用于接收焊针。配件组还包括凸肩盖，该凸肩盖形成焊接凸肩的至少一部分。焊针是根据本公开的配件组的可选组成部分。

所述的适配器、焊针和凸肩盖可以分别在一定数量的焊接操作之后单独地或一起被修理或更换。工具收纳部通常很少或根本不更换。然而，其可以优选被适配用于收纳和紧固根据本公开的适配器和/或焊针并可能适配于凸肩盖的形状。工具收纳部同样构成根据本公开的配件组的可选组成部分。

凸肩盖具有用于焊针和适配器的通孔。其还具有在外表面上邻接于通孔的焊接凸肩区域。该焊接凸肩区域是凸肩盖的远端表面区域，即面对焊接点的表面区域，其实体地参与焊接工艺。

优选地，焊针、适配器和通孔在凸肩盖中具有共同的参考轴线，在下文中称为“纵向轴线”。该纵向轴线通常与凸肩盖的通孔同心地延伸，并且同时是适配器和焊针的转动运动的旋转轴线。换句话说，适配器被围绕关于通孔同心延伸的纵向轴线相对于凸肩盖可转动地安装。

根据本公开，通孔的内轮廓以及适配器的径向外轮廓至少在面向焊接点的端部上，即在远端部上被锥形地形成。据此，在凸肩盖和适配器之间，特别是在前述的内轮廓与径向外轮廓之间形成基本上锥形的环形间隙。优选地，将通孔的内轮廓上的锥形形状和适配器的外侧上的锥形形状选择为，使它们朝向FSW工具的内侧，即朝向背侧变宽。这两个锥体的开口角度可以选择为相同或不同的，以便使环形间隙形成朝向内侧、即背侧变细的、变宽的或在截面中相同的内径宽度。

环形间隙或通孔内轮廓以及适配器的外轮廓的这种锥形形状有许多优点。一方面，在沿着纵向轴线的方向相对于焊接凸肩区域改变对适配器的定位时，环形间隙的内径宽度也会改变。如果适配器移动靠近FSW工具的背侧，即内侧，则环形间隙的开口宽度增加。另一方面，如果适配器更多地是向FSW工具的远端侧移动，即，更多地是沿着FSW工具的接合点的方向移动，则环形间隙的内径宽度减小。亦即，通过相对于凸肩盖对适配器的定位，能够根据锥形轮廓的开口角度控制性地调整环形间隙的内宽度。因此，环形间隙在远端部上的宽度(直接在朝向焊接点的外接触区上)可以被调整到适用于任一种焊接操作的大小。这对于迄今已知的圆柱形间隙是不可能的。

特别优选地，将适配器和工具收纳部设计为，使适配器沿纵向轴线的方向相对于焊接凸肩区域的定位可以被连续地调整，其结果是环形间隙的内径宽度也能被连续地调整内径宽度。

因此，环形间隙的宽度可以适配于相应的工艺条件和例如待加工的材料和/或焊接速度。

此外，优选将适配器和/或焊针设计为，能够连续地调整焊针沿着纵向轴线的定位，并且因此能够连续地调整针在至少一个工件的材料中的穿入深度。

特别优选地，对焊针定位的调整可以独立于对适配器定位的调整来进行。因此，有可能为焊针预先设定低和高的穿入深度分别与宽或窄的间隙尺寸相结合，使得配件组或FSW工具能灵活地适应各种焊接任务。找到焊针的穿入深度与环形间隙的宽度的理想组合可以以任何方式进行，例如通过实验、迭代优化或分析计算/建模。

本发明的其它优选的实施方式由从属权利要求、附图和下面的说明给出。

附图说明

在附图中示例性且示意性地示出了本发明。其中：

图1以半剖视图以及远端部区域的放大视图示出了根据本公开的FSW工具；

图2以侧视图示出了根据图1的FSW工具；

图3以前视图和侧视图示出了焊针；

图4示出了用于收纳焊针的适配器；

图5和图6示出了用于说明适配器和焊针沿纵向方向的定位和用于使FSW工具适配于焊接操作的比较视图。

具体实施方式

图1和图2示出了具有根据本公开的配件组(18)的FSW工具(10)。图1中的剖视图根据图2中的切割线I-I来选择。

根据本公开的配件组(18)包括至少一个适配器(12)和凸肩盖(13)。适配器(12)可以插入到FSW工具(10)上的被相应适配的工具收纳部(15)中。焊针(11)可以插入到适配器(12)中。根据图5和图6，对适配器(12)的(连续)定位(XA)以及对焊针(11)的(连续)定位(XP)被设定为沿着纵向轴线(A)的方向进行。

在该示例中，焊针(11)、适配器(12)和工具收纳部(15)具有共同的纵向轴线(A)，上述的组件可以共同围绕该纵向轴线旋转地运动。用于该转动运动的驱动可以以任意的方式产生。优选地，FSW工具(10)可以拥有自己的转动驱动器。替代地或附加地，工具收纳部(15)可以永久地或可拆卸地连接外部驱动器，例如主轴。

FSW工具(10)具有可以是任意设计的工具支架(17)。优选地，在工具支架(17)上设有支承点，使得工具收纳部(15)围绕纵向轴线(A)可旋转转动地并沿着轴向方向(A)受到支撑地被接纳。优选地，FSW工具(10)还具有圆顶(16)，该圆顶至少区域性地包围工具收纳部(15)的外侧，并且凸肩盖(13)可抗扭地并沿着轴向方向(A)受到支撑地固定在该圆顶上。换句话说，FSW工具(17)被设计为，接收配件组(18)并相对于一共同的参考基座受到支撑或被安装。

优选地，将FSW工具(10)设计为用于自动化生产过程中的、受操纵器引导的FSW工具。相应地，工具支架(17)优选地具有法兰元件，用于连接到操纵器手上并且可能连接到操纵器的输出轴。优选地，操纵器可以是五轴、六轴或七轴的工业机器人。相应的，操纵器手可以是机器人手。

优选地，将具有配件组(18)、圆顶(16)、工具收纳部(15)和工具支架(17)的FSW工具设计为：工具收纳部(15)与适配器(12)一起相对于圆顶(16)被可转动安装并沿着纵向轴线(A)的方向定位在工具支架(17)上；凸肩盖(13)抗扭地连接工具支架(17)并沿着纵向轴线(A)的方向定位。通过这种方式，一方面可以在FSW工具的远端部上调整适配器(12)沿纵向轴线(A)方向的高度位置，另一方面可以将焊针(11)沿纵向轴线(A)方向的高度位置相对于相对于凸肩盖(13)上的焊接凸肩区域(13a)的高度位置调整到所期望的水平。

替代地或附加地，凸肩盖(13)沿着纵向方向(A)相对于工具支架(17)和/或圆顶(16)的高度位置例如可以通过放入调节垫圈或其它常用的结构变型来调整。

在所示出的实施例中，凸肩盖(13)是基本上旋转对称的部件，该部件可以在圆顶(16)的远端部上插入到相应适配的接纳部中。如有必要，可以在凸肩盖(13)和/或圆顶(16)上设置扭转保护，通过该扭转保护可以支持来自焊接操作的相对于圆顶(16)的反作用力。

在所示出的实施例中，凸肩盖(13)通过锁紧螺母(14)紧固在圆顶(16)上。该锁紧螺母或其他适用于凸肩盖(13)的紧固器件也可以具有转动保护。

根据一种可选的实施变型(未示出)，凸肩盖(13)和锁紧螺母(14)可以一体化地连接。换句话说，凸肩盖(13)可以通过螺纹或其他适合的结构件直接紧固在圆顶(16)上。

但是，将凸肩盖(13)和锁紧螺母(14)分开实施具有许多优点。凸肩盖(13)由于磨损而需要定期地修复或更换。通过凸肩盖(13)和锁紧螺母(14)的功能性分离，凸肩盖(13)的结构能够更简单并因此更便宜。凸肩盖(13)的材料和特别是一方面是焊接凸肩区域(13a)、另一方面是锁紧螺母、特别是紧固器件(此处为螺纹)的材料还可以相互独立地规定。因此，可以针对不同的焊接要求提供由不同材料构成的凸肩盖(13)，它们可以分别通过相同的锁紧螺母(14)或者仅其几种变型紧固在FSW工具(10)上。

在图1的下部区域中示出了FSW工具(10)的远端部的放大视图。在焊接操作期间，特别是通过驱动工具收纳部(15)，有利地使焊针(11)和适配器(12)优选处于共同的转动运动中。此外，具有焊接凸肩区域(13a)的凸肩盖(13)在焊接操作期间关于工件不旋转，而是仅(与FSW工具一起)基本上沿着指定的焊接路径运动，这通常会在焊接凸肩和工件之间产生纯粹的平移相对运动。也就是说，在根据图1的放大视图中，焊针(11)和远端侧端面(12b)以第一转动速度运动，而焊接凸肩区域(13a)以第二转动速度(该第二转动速度优选相对于工件为零)运动。即使是在具有直立凸肩的优选的实施方式变型中，例如基于引导运动或焊接路径产生的整个FSW工具(10)的转动也可能会导致焊接凸肩区域(13a)相对于至少一个工件发生轻微旋转，这不应被视为相关转动。

一方面为了在焊针(11)与适配器(12)之间实现相对转动，另一方面为了在焊针和凸肩盖(13)之间实现实现相对转动，在远端侧端面(12b)和焊接凸肩区域(13a)之间设有缝隙，特别是环形间隙(21)。该环形间隙沿径向方向向外由凸肩盖(13)上的通孔(20)的内轮廓(20a)来限定。该环形间隙(21)沿径向方向向内由适配器(12)的径向外轮廓(12a)来限定。优选地，该环形间隙(21)关于纵向轴线(A)旋转对称地构成。

通孔(20)的内轮廓(20a)和适配器(12)的径向外轮廓(12a)至少在远端部上被锥形地形成。优选地，该锥形形状延伸通过内轮廓(20a)与外轮廓(12a)之间的重叠部的全长。

环形间隙(21)的平均直径优选沿着纵向轴线(A)在背侧方向上增加。换句话说，环形间隙(21)在远端部上的平均直径小于背侧端部上。也就是说，内径宽度(D)(见图6)在环形间隙(21)的整个长度中是相同的，或者沿着背侧方向升高。根据一种可选的变型，环形间隙(21)的平均直径可以沿着纵向轴线(A)在背侧方向上减小。

根据一种优选的实施方式变型(见图6)，锥形内轮廓(20a)的开口角度(W)的值在10°与45°(角度度数)之间。另外，适配器(12)的锥形径向外轮廓(12a)相对于纵向轴线(A)的开口角度(W)的值也优选在10°与45°(角度度数)之间。换句话说，锥形轮廓(20a)和锥形径向外轮廓(12a)的开口角度(W)优选具有相同的大小。替代地，该开口角度可以略微不同。特别是可以设置为，选择内轮廓(20a)的开口角度略微大于锥形径向外轮廓(12a)的开口角度，使得环形间隙(21)的内径宽度(D)沿纵向轴线(A)在背侧方向上增加。

适配器(12)和/或焊针(11)沿纵向轴线(A)相对于凸肩盖(13)的定位(XA)会引起环形间隙的内径宽度(D)的增大和减小。该定位(XA)可以通过任何手段和设计元素来实现。优选地，在工具收纳部(15)上设置一个或多个用于设定适配器(12)和/或焊针(11)的轴向位置的调整装置。该调整装置可以特别被构造为可调节的止挡件和/或夹紧装置。根据图3和图4中的示例，该调整装置被构造为一个或多个夹紧螺栓(未示出)，其可沿径向方向插入到工具收纳部(15)中。

图3和图4示出了焊针(11)和适配器(12)的一种优选的实施方式。焊针(11)和适配器(12)可以分别具有杆部(25，27)，该杆部优选旋转对称地/圆柱形地形成。在该杆部(25，27)上可设置一个或多个削平部(26，29)，其与上述的调整装置协作，特别是用于建立夹紧连接。在工具收纳部(15)上可以设置上述的一个或多个夹紧螺栓或其它合适的紧固器件，其与削平部(26，29)协作。在图4的示例中，适配器(12)具有侧向的开口(28)，夹紧螺栓或其他合适的调整装置可以穿过该开口，以实现与焊针(11)上的削平部(16)的贴靠。

根据另一种实施方式变型(未示出)，可以在工具收纳部(15)和/或适配器(12)上设置可移动的止挡件或沿纵向轴线(A)的方向设置的调节螺栓，用以沿着纵向轴线(A)确定适配器(12)的定位(XA)和/或焊针(11)的定位(XP)。

根据第一种实施方式变型，适配器(12)的锥形径向外轮廓(12a)和凸肩盖(13)的锥形内轮廓(20a)可以基本上平坦地构成，即，形成规则的锥形外表面(见图5和图6)。

根据一种优选的且在图1和图4中示出的实施方式变型，可以在适配器(12)的锥形径向外轮廓(12a)上设置一(第一)传导结构(22)，其在适配器(12)与凸肩盖(13)之间的相对转动期间在位于环形间隙(21)中的材料上沿纵向轴线(A)的方向产生输送力。

替代地或附加地，除了在适配器(12)的径向锥形外表面(12a)上构造(第一)传导结构(22)之外，还可以在通孔(20)的内轮廓(20a)上设置一相应的(第一)传导结构(未示出)。

根据第一种实施方式变型，(第一)传导结构(22)可以被构造为，其沿着FSW工具外侧的方向，即沿着背侧方向产生一输送力。在这种情况下，该传导结构(22)在焊接操作期间会使得可能渗入到环形间隙(21)中的材料排出。换句话说，为环形间隙(21)提供了自清洁功能，由此材料再次沿着焊接点的方向被输送出间隙。在图4中，所设定的用于使适配器(12)相对于凸肩盖(13)转动以沿远端侧方向引起输送力的转动方向用旋转箭头指示。

根据第二种实施方式变型，(第一)传导结构可以被设计为，沿着FSW工具的内侧的方向，即沿着背侧方向引起输送力。在此同样实现了环形间隙(21)的自清洁，但是在此材料被输送到内侧。相应有利的是：在配件组的安装状态下，在环形间隙(21)的内端部上设置一腔室(30)(见图6)，该腔室用于收纳穿过环形间隙(21)的焊接材料。

上述实施方式变型中哪一种更有利可取决于对应的焊接过程，特别是取决于待焊接工件的材料。

在图4所示的一种实施方式变型中，在适配器(12)的锥形径向外轮廓(12a)上设置有上述的第一传导结构(22)并附加地设置有第二(内部/背侧)传导结构(23)。该第二传导结构(23)沿着纵向方向(A)更靠近FSW工具的内侧，即位于锥形径向外轮廓(12a)的背侧端部上。该第一和第二传导结构(22，23)彼此相对地取向。特别有利地，第一传导结构(22)能够沿着远端侧方向、即朝向FSW工具外侧的方向引起输送力，而第二传导结构(23)能够沿着背侧方向、即朝向FSW工具内侧的方向引起输送力。

亦即，第一传导结构用于抵制糊状材料渗入到环形间隙(21)中或将已渗入的材料再次输送向焊接点。但是，如果在克服第一输送力时有过量的材料进入到环形间隙中，则通过第二传导结构实现特别是沿着上述腔室(30)的方向朝向内侧的排空。基于第一与第二传导结构(22，23)之间的尺寸比及其成型，可以根据工艺要求调整沿远端侧和背侧方向的输送效果。

上述传导结构(22，23)可以具有任意的设计。在附图中示例性示出了用于形成传导结构(22，23)的锥形径向外轮廓(12a)中的螺旋形的或者螺纹形的凹部。替代地，也可以使用其他构型的被嵌入或置入到表面中的螺旋，被置入的叶片面

或其它适合的轮廓。

替代地或附加地，也可以通过其他的方式实现对环形间隙(21)的清洁作用。特别是能够在环形间隙(21)的内部或者说背侧开口与外部或者说远端侧开口之间产生一压力差，该压力差根据需要沿着远端侧或背侧方向在位于环形间隙(21)中的材料上产生输送作用。为此，FSW工具可以相对于环形间隙(21)被压力密封并具有压力源。优选地，该压力源可以是可控的或可调节的。

根据一种优选的实施方式变型，凸肩盖(13)压力密封地包围工具收纳部(15)的远端侧端部区域。此外，凸肩盖(13)和圆顶(16)还可一起压力密封地包围工具收纳部(15)。通过这种方式，一方面在凸肩盖(13)与圆顶(16)之间的空间中，另一方面在工具收纳部(15)与适配器(12)之间的空间中，形成可以被加压的流体通道或压送通道。优选地，FSW工具(10)可以在背侧端部上具有压力源，特别是过压源。当在流体通道中产生压力、特别是过压时，在位于环形间隙(21)中的材料上会产生向外(向远端侧)指向的输送力。优选地，可以控制或调节该过压源，以便在一方面来自焊接操作的、用以将材料输送到环形间隙(21)中的反作用力和另一方面在远端侧方向上用于清洁输送间隙的输送力之间建立平衡。替代地或附加地，可以将压力源设计为产生负压。类似地，可以在可能位于环形间隙中的材料上施加输送力，该输送力将材料向内拉动，亦即沿背侧方向起到清洁作用。

产生过压可以优选用于焊接操作期间，以减少或避免糊状材料渗入到环形间隙中。产生负压可以优选用于焊接操作之后，以将可能存在于环形间隙中的材料向内吸入。如果需要，可以交替地产生过压力和负压力，以产生方向变换的输送力(向内/向外)。交替的输送力有助于使已经硬化的材料组分溶解。

一种用于FSW工具的操作方法，该FSW工具具有压力源，为了执行焊接操作，该方法优选包括以下步骤：

将FSW工具(10)递进到至少一个工件，使焊针(11)与工件表面发生接触。使焊针(11)沿着纵向轴线(A)执行浸入运动，直至适配器(12)上的辅助凸肩(12b)和/或凸肩盖(13)的焊接凸肩区域(13a)与工件表面发生接触。在所述浸入运动期间和之后，至少一个工件的一部分材料被塑化。焊接凸肩区域(13a)与工件之间的接触和/或辅助凸肩(12b)与工件之间的接触可以对该塑化起到辅助作用。

(至少)在焊接操作期间和/或在焊接操作之后，使FSW工具(10)的压力源致动，以便在FSW工具(10)的内部产生一压力，并在可能位于环形间隙(21)中的塑化材料上施加一输送力。该输送力可以指向内侧(背侧)或指向外侧(远端侧)。替代地，输送力的方向可以改变。在焊接操作期间，优选以基本为平移的运动沿着设定的焊接路径引导FSW工具(10)。在这种情况下，被塑化的材料优选由辅助凸肩(12b)和/或焊接凸肩区域(13a)形成，特别是用于形成期望的接缝形状或接缝表面。

圆顶(16)可以包括一个或多个横向于纵向轴线(A)设置的开口(24)，通过该开口可以访问一个或多个用于确定适配器(12)和/或焊针(12)的轴向位置(XA，XP)的调整装置。在圆顶(16)的压力密封设计中，可以针对该开口(24)设置相应的密封盖。

下面参照图5和图6说明一种针对焊接操作或焊接工艺适配FSW工具(10)或配件组(18)的优选的方法。

根据图5和图6，适配器(12)在左侧示出的实施方式中在远端侧是过长的，使得适配器在基本状态下沿纵向轴线(A)在远端侧方向上突出超过焊接凸肩区域(13a)的高度位置。亦即，当适配器(12)沿着纵向轴线(A)在远端侧方向上最大程度地移动直至锥形径向外轮廓(12a)与通孔(20)的内轮廓(20a)邻接时，适配器(12)的端面(12b)能够沿着远端方向突出超过凸肩盖(13)的焊接凸肩区域(13a)。在该位置上，环形间隙(21)的内径宽度(D)减小到最小，特别是等于零。适配器(12)的位置(XA)可以在纵向方向(A)上相对于凸肩盖(13)的位置或相对于起始位置来设定：特别是通过使适配器(12)沿着纵向轴线(A)在背侧方向上相对于前述的起始位置移动，将环形间隙(21)的宽度(D)设定在所期望的水平上。

在图6中，由从左视图到右视图的过渡可以看到：所产生的环形间隙(21)的宽度(D)是根据锥形径向外轮廓(12a)和/或内轮廓(20a)的开口角度(W)以及适配器(12)的偏移宽度(XA)来确定的。

一旦达到环形间隙(21)的所期望的宽度(D)，适配器(12)可以通过调整装置相对于凸肩盖(13)沿着纵向方向(A)设定，特别是被夹紧和/或支撑在止挡件上。随后，适配器(12)在远端部上的过长可以被缩短。

在图6的右侧视图中，示例性示出了适配器(12)有一定程度的缩短(12c)，使得适配器(12)的端面(12b)沿着纵向轴线(A)的高度位置适配于焊接凸肩区域(13a)的高度位置。换句话说，使适配器(12)缩短，以便将端面(12b)与焊接凸肩区域(13a)之间的高度差调整到所期望的水平。替代地或附加地，可以至少在焊接凸肩区域(13a)的区域范围内进行凸肩盖(13)的缩短，以便将端面(12b)与焊接凸肩区域(13a)之间的高度差调整到所期望的水平。相应地，也可以将适配器(12)配置为没有上述的过长。

另外，适配器(12)的端面(12b)也可以单独地或者与焊接凸肩区域(13a)一起沿着纵向轴线(A)的方向缩短(未示出)。该缩短特别是可以这样进行：使焊接凸肩区域(13a)和适配器(12)的端面(12b)沿着纵向轴线(A)的方向具有统一的高度。替代地或附加地，可以进行这样的缩短：即，将焊接凸肩区域(13a)和/或端面(12b)的表面尺寸调整至所期望的水平或者调整至所期望的面积比。

适配器(12)和/或凸肩盖(13)的缩短可以通过任何方式实现，特别是通过诸如铣削、车削或磨削的切削加工方法。如有必要，可以在缩短期间向环形间隙(21)中引入填充材料，以防止在缩短期间有碎屑或其它不期望的外来颗粒渗入到环形间隙(21)中。

可以以各种方式修改本发明。凸肩盖(13)可以具有一个或多个开口或凹部，例如输送到FSW工具(10)内部的材料可以通过该开口或凹部再次向外排出。凸肩盖(13)特别可以是弓形的或有孔盘形的。焊针(11)可以具有任何设计。特别地，其可以是标准化的标准工具。

用于FSW工具(10)的配件组(18)除了凸肩盖(13)和适配器(12)以外还可以包括一个或多个焊针(11)以及可能的一个或多个工具收纳部(15)，以及用于设定适配器(12)和/或焊针(11)的位置的调整装置。圆顶(16)可与工具支架(17)一体地连接。

适配器(12)的远端侧端面(12a)可以用作辅助凸肩。其通常以与焊针(11)相同的旋转速度运动。辅助凸肩的尺寸(面积)可以通过缩短适配器(12)或使其过长来调整至所期望的水平，并且与环形间隙(21)的宽度(D)和焊针(11)的穿入深度无关。

附图标记列表

10 FSW工具

11 销/焊针-旋转的

12 适配器-旋转的

12a 锥形的径向外轮廓

12b 端面/辅助凸肩

12c 缩短

13 凸肩盖-直立的

13a 焊接凸肩区域

14 紧固器件/螺母

15 工具收纳部

16 圆顶/钟形部

17 工具支架

18 配件组

20 通孔

20a 内轮廓

21 间隙/环形间隙

22 第一(外部)传导结构

23 第二(内部)传导结构

24 开口

25 杆部

26 削平部

27 杆部

28 开口

29 削平部

30 腔室

A 纵向轴线

D 间隙宽度

W 开口角度/圆锥角度

XA 适配器的位置

XP 焊针的位置。

Claims (28)

1.一种用于FSW工具(10)的配件组，包括：可插入到工具收纳部(15)中的适配器(12)，所述适配器被设计用于收纳焊针(11)；和凸肩盖(13)，该凸肩盖具有用于所述焊针(11)和所述适配器(12)的通孔(20)，其中，所述凸肩盖(13)具有在外表面上邻接于所述通孔(20)的焊接凸肩区域(13a)，并且其中，所述适配器(12)围绕关于所述通孔(20)同心延伸的纵向轴线(A)相对于所述凸肩盖是可转动的，其特征在于，所述通孔(20)的内轮廓(20a)以及所述适配器(12)的径向外轮廓(12a)至少在面向焊接点的端部上被锥形地形成，其中，所述适配器(12)和所述工具收纳部(15)被构造为，所述适配器沿着所述纵向轴线(A)的方向相对于所述焊接凸肩区域(13a)的定位是无级可调的。

2.根据权利要求1所述的配件组，其中，所述适配器(12)被构造为，使得所述焊针(11)沿着所述纵向轴线(A)的定位是无级可调的。

3.根据权利要求1所述的配件组，其中，在所述凸肩盖(13)与所述适配器(12)之间，至少在所述通孔(20)的区域中形成环形间隙(21)。

4.根据权利要求3所述的配件组，其中，在所述适配器(12)的锥形径向外轮廓(12a)上和/或在所述通孔(20)的内轮廓(20a)上设置一第一传导结构(22)，所述传导结构在所述适配器(12)与所述凸肩盖(13)之间的相对转动过程中在位于所述环形间隙(21)中的材料上沿着纵向轴线(A)的方向引起一输送力。

5.根据权利要求4所述的配件组，其中，所述第一传导结构(22)沿着所述FSW工具的外侧的方向引起一输送力。

6.根据权利要求4所述的配件组，其中，所述第一传导结构(22)沿着所述FSW工具的内侧的方向引起一输送力。

7.根据权利要求4所述的配件组，其中，在所述适配器(12)的锥形径向外轮廓(12a)上和/或在所述通孔(20)的内轮廓(20a)上附加地设置一第二传导结构(23)，所述第二传导结构沿着纵向方向(A)更靠近所述FSW工具的内侧，并且其中，所述第一传导结构(22)具有根据权利要求5所述的设计，所述第二传导结构(23)具有根据权利要求6所述的设计。

8.根据权利要求中3至6任一项所述的配件组，其中，在所述配件组的组装状态下，在所述环形间隙(21)的内端部上设置腔室(30)，所述腔室用于收纳穿过所述环形间隙(21)的焊接材料。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的配件组，其中，所述凸肩盖(13)包围所述工具收纳部(15)的远端侧端部区域。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的配件组，其中，在所述工具收纳部(15)上和/或在所述适配器(12)上设置一个或多个调整装置，用于设定所述适配器(12)和/或所述焊针(11)的轴向位置(XA，XP)。

11.根据权利要求10所述的配件组，其中，所述调整装置是可调节止动件、夹紧装置或夹紧螺栓。

12.根据权利要求1至6中任一项所述的配件组，其中，所述凸肩盖(13)的锥形内轮廓(20a)的开口角度(W)的值在10°与45°之间。

13.根据权利要求1至6中任一项所述的配件组，其中，所述适配器(12)的锥形径向外轮廓(12a)的开口角度(W)的值在10°与45°之间。

14.根据权利要求1至6中任一项所述的配件组，其中，所述凸肩盖(13)的锥形内轮廓(20a)和所述适配器(12)的锥形径向外轮廓(12a)的开口角度(W)具有相同的数值。

15.一种FSW工具，包括：根据权利要求1所述的配件组(18)；圆顶(16)，其包围工具收纳部(15)；和工具支架(17)，所述工具收纳部(15)和/或所述圆顶(16)被支撑在该工具支架上，其特征在于，所述工具收纳部(15)被相对于所述圆顶(16)可转动地安装并沿着纵向轴线(A)的方向支撑在所述工具支架(17)上，并且凸肩盖(13)与所述工具支架(17)抗扭地连接并沿着所述纵向轴线(A)的方向受到支撑。

16.根据权利要求15所述的FSW工具，其中，所述工具收纳部(15)被设计为紧固在操纵器上。

17.根据权利要求16所述的FSW工具，其中，所述工具收纳部(15)被设计为紧固在多轴工业机器人上。

18.根据权利要求15所述的FSW工具，其中，所述凸肩盖(13)通过单独的紧固装置与所述圆顶(16)连接。

19.根据权利要求18所述的FSW工具，其中，所述紧固装置是锁紧螺母(14)。

20.根据权利要求15至19中任一项所述的FSW工具，其中，所述圆顶(16)具有一个或多个横向于所述纵向轴线(A)设置的开口(24)，通过所述开口能够访问一个或多个用于设定适配器(12)和/或焊针(11)的轴向位置的调整装置。

21.根据权利要求15至19中任一项所述的FSW工具，其中，所述凸肩盖(13)和所述圆顶(16)压力密封地包围所述工具收纳部(15)，并且其中，所述FSW工具(10)具有压力源，使得当在所述FSW工具(10)内部生成压力时，在位于环形间隙(21)内的材料上产生向外或向内指向的输送力。

22.一种用于使权利要求1至21中任一项所述的配件组(18)或FSW工具(10)适配于一焊接操作的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

-相对于凸肩盖(13)的位置，沿着纵向方向(A)将适配器(12)的位置(XA)设定为，将环形间隙(21)的宽度(D)设定在所期望的水平。

23.根据权利要求22所述的方法，还包括以下步骤：

-缩短(12c)至少在端面(12b)区域中的适配器(12)或至少在焊接凸肩区域(13a)区域中的凸肩盖(13)，以便将所述端面(12b)与所述焊接凸肩区域(13a)之间的高度差调整至所期望的水平。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，减小或消除所述高度差。

25.根据权利要求22至24中任一项所述的方法，其中，所述适配器(12)的端面与所述焊接凸肩区域(13a)一起沿着纵向轴线(A)缩短，

-以便使所述焊接凸肩区域(13a)和所述适配器(12)的端面(12b)沿着所述纵向轴线(A)的方向在同一高度上，和/或

-以便将所述焊接凸肩区域(13a)和/或所述端面(12b)的面积尺寸调整至所期望的水平。

26.一种用于根据权利要求21所述的FSW工具的操作方法，为了执行至少一个焊接操作而包括以下步骤：

-将所述FSW工具(10)递进到至少一个工件上，使得焊针(11) 与工件表面发生接触，

-沿着所述焊针(11)的纵向轴线(A)进行浸入运动，直到适配器(12)上的辅助凸肩(12b)和/或凸肩盖(13)的焊接凸肩区域(13a)与工件表面发生接触，其中，所述至少一个工件的一部分材料被塑化；

-在至少一个焊接操作期间和/或在一焊接操作之后：致动所述FSW工具(10)的压力源，以在所述FSW工具(10)的内部产生压力，并在被塑化的材料上产生输送力，该被塑化的材料可能位于环形间隙(21)中。

27.根据权利要求26所述的操作方法，其中，在焊接操作期间以基本上平移的运动沿着设定的焊接路径引导所述FSW工具(10)。

28.根据权利要求27所述的操作方法，其中，通过辅助凸肩(12b)和/或焊接凸肩区域(13a)形成所述被塑化的材料。

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