CN110315197A - 用于搅拌摩擦焊的焊头 - Google Patents

Abstract

本公开提出的搅拌摩擦焊焊头包括焊头壳体和轴。焊头壳体从顶端部延伸到敞开的底端部，并且限定在顶端部和敞开的底端部之间延伸的孔。轴与孔同轴并且可在孔内旋转。轴也横向固定在焊头壳体内并可相对于焊头壳体轴向移动。此外，轴包括延伸超过焊头壳体的敞开的底端部的接合端部。接合端部支撑搅拌摩擦焊工具，其构造成与轴一起旋转以实现搅拌摩擦焊操作。搅拌摩擦焊焊头还可以包括测力传感器，其构造成响应于轴的轴向移动而产生负载信号。

Description

用于搅拌摩擦焊的焊头

技术领域

本公开涉及一种用于搅拌摩擦焊(FSW)的焊头，并且特别地涉及一种具有改进的轴向力测量的紧凑型的FSW焊头。

背景技术

搅拌摩擦焊(FSW)是一种焊接工艺，其使用由高压摩擦产生的热量在两个工件之间形成接合部和/或修复工件中的裂缝。也就是说，在FSW操作期间，FSW工具横穿设置在工件之间的接合部或接缝(或工件中的裂缝)，并且一个或多个工件通过FSW工具的旋转产生的摩擦而被热塑化。当FSW工具横穿接缝时，FSW工具也被压抵工件，所述工件在焊接操作期间相对于彼此固定。更具体地，FSW工具包括肩部和从肩部延伸的销或探针。在焊接操作期间，肩部被压抵一个或多个工件，并且销在工件之间的接缝中(或在工件中的裂缝中)旋转。在一些FSW焊头中，肩部与销一起旋转或相对于销旋转，但是在其他FSW焊头中，肩部可以是静止的。销的旋转(在某些情况下肩部的旋转)软化并混合形成工件的材料。然后，被混合的材料固结形成固态焊缝。

当焊接工具相对于一个或多个工件移动时和/或当一个或多个工件相对于焊接工具移动时(例如，焊接工具可以静止)，FSW工具可以横穿接缝(或裂缝)。无论如何，在FSW期间，必须用很大的力将焊接工具压抵工件，以足够地摩擦加热工件，从而在接缝中产生所需的塑化，并且重要的是知道作用在工具和工件上的轴向力以正确地校准和控制FSW操作(或许可以调整焊接衬垫)从而提供高质量的焊接。因此，通常，FSW焊头包括力测量传感器，例如测力传感器，并且重要的是力测量传感器提供准确的数据。

发明内容

本公开涉及一种搅拌摩擦焊(FSW)焊头。根据一个实施例，FSW焊头包括焊头壳体和轴。焊头壳体从顶端部延伸到敞开的底端部，并且限定在顶端部和敞开的底端部之间延伸的孔。轴与孔同轴并且能够在孔内旋转。轴也横向固定在焊头壳体内并且能够相对于焊头壳体轴向移动。此外，轴包括延伸超过焊头壳体的敞开的底端部的接合端部。接合端部支撑FSW工具，所述FSW工具构造为与轴一起旋转以实现FSW操作。有利地，轴的轴向移动允许轴将轴向力施加到设置在焊头壳体内或焊头壳体下方的测力传感器(load cell)。另外，轴的轴向移动可以允许焊头通过单次操作在旋转肩部FSW和固定肩部FSW之间转变。

在这些实施例的至少一些中，FSW焊头还包括电动机组件，所述电动机组件构造成使轴在孔内并且相对于焊头壳体旋转。因此，FSW焊头可能不需要安装在主轴或主轴致动器上。相反，FSW焊头可以安装在机器人、龙门架或任何其他载架上，其将FSW焊头移动到位并向电动机组件供电，FSW焊头将提供其自身的旋转力。

如上所述，除了电动机组件之外或替代电动机组件，FSW焊头可以包括测力传感器，所述测力传感器构造成响应于轴的轴向移动而产生负载信号。在这些实施例中的一些实施例中，测力传感器设置在焊头壳体的敞开的底端部下方。替代地，测力传感器可以设置在焊头壳体的敞开的底端部和焊头壳体的顶端部之间。有利地，将测力传感器定位在这些位置中的任一个中，使测力传感器靠近FSW工具，这可以增加负载信号的精度。例如，如果测力传感器定位在焊头壳体的敞开的底端部下方，则施加在FSW工具上的轴向力几乎可以直接作用在测力传感器上。

作为更具体的示例，在包括测力传感器的一些实施例中，测力传感器包括内环和外环。内环固定地联接到轴并且通过柔性部分可移动地联接到外环，并且内环相对于外环的相对移动使得测力传感器产生负载信号。在这些实施例中的一些实施例中，工具包括销和肩部，所述肩部与销一起旋转以实现FSW操作。然后，当向上力作用在肩部上时，向上力被转移到内环以使内环相对于外环移动并使测力传感器产生负载信号。具体地，在一些实施例中，下轴承使得轴能够相对于焊头壳体旋转，并且下轴承经由一个或多个浮动部件联接到内环或者与内环和一个或多个浮动部件一起形成，使得肩部上的向上力通过下轴承和一个或多个浮动部件转移到内环。替代地，在其他实施例中，所述工具包括销和肩部，所述肩部由固定肩部覆盖。在这些实施例中，固定肩部上的向上力被转移到内环以使内环相对于外环移动并使测力传感器产生负载信号。例如，向上力可以直接从固定肩部转移到内环。

根据另一实施例，FSW焊头包括焊头壳体、一个或多个浮动部件和测力传感器。焊头壳体从顶端部延伸到敞开的底端部，并且限定在顶端部和敞开的底端部之间延伸的孔。一个或多个浮动部件构造成支撑FSW工具，并且一个或多个浮动部件能够相对于焊头壳体轴向移动。测力传感器设置在焊头壳体的敞开的底端部下方，并且构造成响应浮动部件的轴向移动而产生负载信号。如上所述，当测力传感器定位在焊头壳体下方时，测力传感器靠近FSW工具定位，这可以增加测力传感器产生的负载信号的精度。例如，如果测力传感器定位在焊头壳体的敞开的底端部下方，则施加在FSW工具上的轴向力几乎可以直接作用在测力传感器上。此外，当测力传感器定位在焊头壳体下方并且FSW焊头包括一个或多个浮动部件时，在旋转肩部FSW操作和固定肩部FSW操作之间切换可能相对简单。

在这些实施例中的一些实施例中，一个或多个浮动部件包括：轴，所述轴与孔同轴；一个或多个轴承，所述一个或多个轴承允许轴在孔内旋转；以及连接器环，所述连接器环将一个或多个轴承中的特定轴承连接到测力传感器。另外，一个或多个浮动部件可以包括测力传感器的内环。内环通过至少连接器环固定地联接到轴，并且还通过柔性部分可移动地联接到测力传感器的外环，使得内环相对于外环的相对移动导致测力传感器生成负载信号。附加地或替代地，一个或多个浮动部件可以包括电动机组件的转子。转子可以通过固定地联接到焊头壳体的定子移动，以实现轴在孔内的旋转。如上所述，如果焊头包括电动机组件(例如，如果一个或多个浮动部件包括电动机组件的转子)，则FSW焊头不需要安装在主轴或主轴致动器上。相反，FSW焊头可以安装在机器人或龙门架上，其将FSW焊头移动到位并为电动机组件供电。上述其他部件可以轴向和纵向地将轴固定在焊头壳体内，并确保作用在轴上的轴向力传递到测力传感器。

在一个或多个浮动部件包括允许轴在孔内旋转的一个或多个轴承的实施例中，一个轴承可以是设置在包括在FSW焊头中的测力传感器和电动机组件之间的下轴承。在这些实施例中的一些实施例中，辅助轴承壳体从下轴承同轴地向外设置，并且能够通过包括在焊头壳体上的检修面板接近。这可以允许下轴承易于维修和/或更换，而无需拆卸FSW焊头的其他部件。

更进一步地，在一些实施例中，FSW焊头可以通过单次安装操作在旋转肩部构造和固定肩部构造之间重新构造。例如，固定肩部壳体可以简单地与焊头联接或分离。这是有利的，因为它允许这两种类型的FSW操作之间的几乎无缝转变。相比之下，其他FSW焊头可能需要完全移除/替换以实现这样的改变，这不仅在时间方面效率较低，而且在成本方面也是如此(获取和维护两个FSW焊头的成本很可能远远高于获取一个焊头并且通过单次操作重新构造焊头的成本)。

根据又一个实施例，本文提供了一种FSW的方法。所述方法包括提供焊头壳体，所述焊头壳体从顶端部延伸到敞开的底端部，并且限定在顶端部和敞开的底端部之间延伸的孔；以及在焊头壳体中安装浮动轴。浮动轴包括接合端部，所述接合端部延伸超过敞开的底端部并且支撑FSW工具。所述方法还包括将测力传感器安装在焊头壳体的敞开的底端部上，并且基于由测力传感器产生的负载信号通过工具控制FSW。

在这些实施例中的一些实施例中，FSW是旋转肩部FSW，并且所述方法还包括通过将固定肩部壳体安装到测力传感器上而转变到固定肩部FSW。在这些实施例中的一些实施例中，固定肩部壳体覆盖FSW工具的肩部，并且通过单次操作完成转变。也就是说，除了固定肩部壳体之外，焊头的其他部件可能不需要被改变、移除、安装等来实现转变。如上所述，与使用用于这两个操作的两个焊头相比，使用单个可重新构造的焊头在时间和成本方面可能更有效。当转变包括单次操作时尤其如此。

附图说明

图1是根据本公开的第一示例性实施例的搅拌摩擦焊(FSW)焊头的侧透视图。

图2是图1的FSW焊头的局部分解剖视透视图，其中FSW焊头以侧向取向示出。

图3是图1的FSW焊头的剖视透视图。

图4是图1的FSW焊头的另一剖视透视图，示出了从包括在FSW焊头中的FSW工具到包括在FSW焊头中的测力传感器的力路径。

图5是根据固定肩部构造重新构造的图1的FSW焊头的侧透视图。

图6是图1的FSW焊头的局部分解剖视透视图，其处于图5所示的固定肩部构造中。

图7是图1的FSW焊头的另一剖视透视图，示出了当图1的FSW焊头处于图5所示的固定肩部构造时从FSW工具到测力传感器的力路径。

图8是根据本公开的第二示例性实施例的FSW焊头的剖视透视图，其中FSW焊头以侧向取向示出。

在所有附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

具体实施方式

本文提供了一种紧凑型搅拌摩擦焊(FSW)焊头，其具有改进的轴向力测量(例如，沿着焊头的轴向方向或竖向方向)。FSW焊头提供改进的向下力测量，因为FSW焊头包括“浮动”轴和测力传感器，所述测力传感器设置在焊头的底部上并且邻近浮动轴的接合端部(例如，焊接端部)。轴是“浮动的”，因为轴可以相对于FSW焊头的主体或壳体(在此也称为焊头壳体)沿轴向方向(例如，纵向或竖向)至少略微行进。测力传感器的位置和轴的纵向移动范围允许测力传感器精确测量轴向力。此外，将测力传感器定位在焊头的底部并提供浮动轴，从而形成稳固、结实且易于维修的紧凑型FSW焊头。这些概念可用于制造各种尺寸的紧凑型FSW焊头，其中肩部旋转或静止。实际上，在至少一些实施例中，本文呈现的FSW焊头可以在旋转肩部构造和固定肩部构造之间容易地转变(例如，通过单次操作)。

图1-7示出了根据第一示例性实施例的FSW焊头10。在图1-4中，焊头10示出为处于旋转肩部构造C1。在图5-7中，焊头10示出为处于固定肩部构造C2。如将进一步详细解释的，焊头10可以通过单次操作在这些构造之间转变，而无需拆卸焊头10。然而，在开始焊头10的这个方面之前，结合图1-4描述焊头10。

首先转向图1，焊头10包括焊头壳体100和轴202。焊头壳体100从第一端部或顶端部102延伸到第二端部或底端部104。顶端部102可以附接到机器人、龙门架或其他这样的保持结构。同时，底端部104是敞开的，使得壳体100限定封闭端部孔106，所述封闭端部孔在第二端部104处敞开，但在第一端部102处封闭，如图2所示。即，底部104是敞开的底端部104。轴202与壳体100的中心轴线同轴并且沿轴向或纵向方向延伸穿过壳体100的孔106，使得轴202在壳体100的底端部104下方延伸。在FSW期间限定肩部和销/探针的FSW工具280联接到轴202的底端部204(底端部204也可以称为焊接端部或接合端部204)。

在图1所示的实施例中，环形测力传感器250也定位在底端部104下方，使得测力传感器250与轴(和工具280)的接合端部204相邻或靠近。通常，测力传感器250根据施加在轴202的接合端部204上的力(通过工具280)产生负载信号。换句话说，并且如结合图4和8进一步详细解释的那样，当工具280作用在工件上时，轴202将相对于壳体100略微向上移动(例如，竖向平移约0.1mm，或更一般地在0.01-1.0mm的范围内)，推动或拉动测力传感器250的一部分，使得测力传感器250根据施加在轴202的底端部204上的纵向力(通过工具280)产生负载信号。相比之下，许多其他FSW解决方案包括在焊头10上方的测力传感器(例如，在顶端部102处或附近)，这可能在由测力传感器250产生的负载信号中产生不准确性(由于在施加力的点和产生信号的点之间的距离)。

由测力传感器产生的任何信号可以被传输到控制器40，所述控制器将负载信号转换成力测量值(例如，数字数据)，所述力测量值可以用于控制FSW操作并确保高质量的焊接。也就是说，控制器可以累积来自负载信号的数据并确定是否需要改变施加到FSW焊头的向下的力，例如以确保通过FSW工具280进行完全穿透。力测量可以在整个焊接过程中连续地进行并且用于将力保持在所需的水平，以产生光滑的表面和所需的焊接特性。根据特定焊接工艺或工件的要求，目标力水平可以程序化为在焊接的区段期间变化。此外，可以记录在整个焊接过程中测量的力(例如，可以在时间基础上或者根据焊头相对于工件的位置来记录力)。可选地，控制器40可以构造成在力偏离目标力水平的情况下产生视觉或听觉警告。

仍然参考图1，总体而言，焊头10是紧凑的并且不需要外力(例如，来自主轴驱动器/致动器等)。也就是说，焊头10具有相对小的外部尺寸并且可以在焊头可以在没有外部驱动机构的情况下操作(但是仍然可能需要联接到电源、控制器和/或保持装置，例如龙门架)的范围内是相对独立的FSW焊头。作为焊头10的外部尺寸的示例，焊头100的外径可以在约100mm至约500mm范围内，外部纵向尺寸(例如，高度)可以在约200mm至约1,000mm的范围内。作为一个具体示例，对于高达12mm的典型焊接厚度，焊头100的外径可以为约250mm，外部纵向尺寸(例如，高度)可以为约325mm。这种紧凑的设计减少了在保持结构(机器人、龙门架等)上产生的偏差(弯曲)，并且还最小化了焊头10在FSW操作期间与工件的部分、保持结构的部分或其他这样的物体碰撞的机会。

图2和图3示出了包括在焊头10中的部件的更详细描述。在图2中，焊头10被示出为部件从壳体100移出，以示出焊头10相对于壳体“浮动”的部分。为清楚起见，在图2中，浮动部件200以虚线示出，所述浮动部件包括轴202、上轴承210、下轴承212(和下轴承壳214)、间隔件216、连接环220、测力传感器250的内环252、和电动机组件150的转子154。值得注意的是，尽管测力传感器250的内环252以及转子154(其是电动机150的一部分)联接到浮动部件200并且与浮动部件一起移动(并且因此可以被认为是浮动部件)，但整个测力传感器250和整个电动机组件150不与轴202一起浮动。相反，电动机150和测力传感器250各自包括固定到焊头壳体100的部分(分别为定子152和外环256)。图3示出了与图2相同的剖视图(虽然旋转了90度)，但焊头10完全组装。

在图2和3所示的实施例中，焊头壳体100包括位于上轴承210和下轴承212之间的旋转电动机150，所述旋转电动机具有固定地联接到焊头壳体100的定子152和固定地联接到轴202的中心部分的转子154。转子154可以通过径向间隔件216与下轴承212和测力传感器250机械地间隔开，以确保转子154在下部轴承212被维修时不会被磁性卡住和/或损坏。同时，定子152固定到焊头壳体100并且可以通过入口/出口156和入口/出口158进行液体冷却(项156和158中的一个将是入口而另一个是出口，但是流动可以是可逆的；因此，每个都标记为入口/出口)。通常，电动机150可以将旋转运动赋予给轴202(并且因此赋予给工具280)。

在高水平处，轴202是可旋转主体，其从(或穿过)壳体100的顶端部102延伸到壳体100的底端部104(或穿过所述底端部延伸/延伸离开所述底端部)。轴202可以是大致圆柱形的；然而，轴还可以包括各种台阶部、凹部、容纳部和允许轴浮动地固定(在“浮动地固定”意味着轴202横向固定(使得轴不能横向倾斜或平移)但是能够在焊头壳体100内轴向移动的范围内)。例如，在图1-7所示的实施例中，轴202包括横向地固定轴而不阻止轴202的轴向移动的各种台阶部(例如，不同直径的部分)。在图2和3所示的实施例中，轴202在中心区段203处最宽，该中心区段构造成接合电动机组件150。此外，为了确保中心区段203保持与电动机组件150接合(或更具体地，转子154保持与定子152接合)，中心区段203的底端部(图2中的最左端部)包括在下轴承212和径向间隔件216之间延伸的周边凸缘。从中心段203向下(或图2中从右到左)移动，轴202可包括多个直径减小的台阶部，所述台阶部可以用于将各种部件横向锁定在轴202和焊头壳体100之间的适当位置、和/或仅是将轴202的直径朝向轴202的下端部204减小，在所述下端部处工具280固定到轴202。

为了固定工具280，下端部可以包括轴向空腔，所述轴向空腔的尺寸适于容纳工具280的主体。空腔可以具有任何期望的尺寸并且还可以包括锁定特征286(例如螺纹螺钉)，所述锁定特征允许任何期望的工具280固定到轴202。工具280从轴202的下端部204突出(例如，向下延伸)，并且限定肩部284和将在一个或多个中间工件中或之间形成连结部的销或探针282。在所描绘的实施例中，肩部284基本上垂直于轴向方向(销282延伸的方向)，并且销282具有截头圆锥形状；然而，在其他实施例中，工具280的操作端部可以具有任何期望的形状和/或包括任何期望的特征(例如，销可以包括螺纹)。另外，在其他实施例中，销282可以相对于肩部284移动(例如，可伸缩)和/或包括现在已知或在下文中开发的任何其他FSW特征。

另外，在所描绘的实施例中，轴202包括内孔或通道206。通道206构造成与包括在工具280中的冷却特征并且与包括在焊头壳体100中的冷却剂输送特征对准。例如，在所描绘的实施例中，焊头壳体100的顶端部102包括用于气体或液体冷却剂的入口112和出口114。经由入口112输送的冷却剂经由导管120进入通道206，使得冷却剂与轴202的下端部204相邻近地接触工具206和轴202。然后，冷却剂向上行进，围绕导管120并经由出口114离开通道206。然而，在其他实施例中，焊头10可包括任何期望的冷却特征以冷却轴202和/或工具280。

仍然参考图2和3，上轴承210(或至少包括轴承210的壳体)和下轴承212(或至少包括轴承210的壳体)也被联接(例如，轴承的内边缘固定地联接到轴202)到轴202，使得轴202(和工具280)可以在电动机150旋转轴202时相对于壳体100旋转。上轴承210设置在电动机250上方，并且下轴承212设置在电动机150下方，以使紧邻电动机250的摩擦最小化。如图3所示，在所描绘的实施例中，上轴承210通过偏置构件211被纵向向上偏置。这种偏置可以确保在维护轴承、测力传感器和/或任何其他部件(或其不使用时)期间，轴202保持轴向固定。在其他实施例中，焊头10不需要包括偏置构件211；然而，如果焊头10包括偏置构件211，则测力传感器250可以在FSW操作之前通过归零来校准该偏置。

下轴承212由辅助轴承壳体214支撑，所述辅助轴承壳体从轴承210同轴地向外布置。轴承壳体214基本上在下轴承212和焊头壳体100之间延伸，使得轴承壳体邻近壳体100(尽管可以在焊头壳体100和轴承壳体214之间提供一些间隙，使得壳体214不会由于在FSW操作期间产生的热量膨胀而卡在焊头壳体100上)。由于该位置，轴承壳体214可以通过包括在壳体100中的检修面板215(见图5)接近，使得轴承212可以在不拆卸焊头10的任何其他部件的情况下进行维护/更换。焊头壳体100还可以包括O形环108，所述O形环构造成支撑轴承壳体214并使其居中。

仍然参考图2和3，但现在也参考图4，连接器环220联接到测力传感器250和轴承壳体214并在其间延伸。更具体地，在至少一些实施例中，连接器环220固定地联接到测力传感器250的内环252并固定地联接到轴承壳体214。替代地，连接器环220、测力传感器250的内环252和轴承壳体214可以是一体地形成(即，作为单个零件)，这可以减小焊头10的总高度(纵向尺寸)。无论如何，轴承壳体214固定地联接到轴202(通过轴承212)，并且因此连接器环220确保测力传感器250的内环252与轴204一起移动或浮动。另一方面，内环252也通过柔性部分254柔性地联接到测力传感器的外环256，所述外环固定地联接到焊头壳体100。因此，由于内环252相对于外环256的相对移动，轴的任何“浮动”可以使测力传感器250产生负载信号。

例如，在图1-4所描绘的示例性实施例中，当工具280作用在一个或多个工件上时，轴202将向上浮动并相对于外环256向上拉动内环252，如力路径P1所示。如图4所示，力路径P1在测力传感器250中产生力F1，从而使测力传感器250产生负载信号。负载信号可以经由传输构件258向上传输通过焊头10，使得数据连接可以将信号从焊头10传输到控制器40(参见图1)。在所描绘的实施例中，轴202(以及固定地联接到轴202的任何其他浮动部件200)可以移动大约0.1mm。这种少量的轴向移动足以使测力传感器250(例如，柱式测力传感器)测量施加到工具280的轴向(例如纵向)力。

现在转到图5-7，示出当重新构造成固定肩部构造C2时的FSW焊头10。值得注意的是，由于测力传感器250和浮动部件200的布置，焊头10可以容易地从旋转肩部构造C1(图1-4)重新构造为固定肩部构造C2。为了实现这种改变，通过单次操作将固定肩部壳体300简单地联接到测力传感器250的内环252。在该单次操作期间，不需要从焊头10移除任何部件。由于构造的这种变化相对简单，下面仅讨论图5-7和图1-4之间的差异，并且除了如下所述的差别之外，上面包括的对相同部分的任何描述应理解为适用于图5-7中所示的部件。

最值得注意的是，由于固定肩部壳体300(例如，“钟形壳体”)安装在轴202的下端部204上方，因此从焊头10的外部不再能看到轴202(如图5所示)。事实上，甚至工具280的肩部284也从焊头10的外部变得不太可见，相反，固定肩部壳体300为销282提供固定肩部302，所述销从包括在固定肩部壳体300的底部的中心处的小开口304突出。

仍然参考图5-7，但现在重点在于图6和7，当固定肩部壳体300联接到焊头壳体100时，所述固定肩部壳体通过连接器320连接到测力传感器250的内环252。因此，如果向上压力施加到固定肩部300(例如，在肩部302处)，则固定肩部300将直接推动在测力传感器250的内环252上。由于内环252联接到浮动轴202，内环252可以相对于外环256至少稍微向上浮动(例如，竖向移动)，并且使得测力传感器250产生负载信号。更具体地，当工具280作用在一个或多个工件上时，向上力将沿着力路径P2施加到测力传感器，如图7所示。力路径P2在测力传感器250中产生力F2(如同路径P1产生力F1，除了现在通过直接推动在测力传感器上而不是间接地拉动测力传感器而产生力)，从而使测力传感器250产生负载信号。同样，负载信号可以经由传输构件258向上传输通过焊头10，使得数据连接可以将信号从焊头10传输到控制器40(参见图5)。如上所述，在所描绘的实施例中，轴202(以及固定地联接到轴202的任何其他浮动部件200)可以移动约0.1mm，并且这种小的移动足以使测力传感器250测量施加到工具280的轴向(例如，纵向)力。

现在转到图8，其示出了具有改进的轴向力测量的FSW焊头20的另一实施例。尽管与图1-7中所示的实施例相比图8中描绘的实施例是不同的实施例(与重新构造相反)，但是图8中所示的实施例仍然非常类似于图1-7中所示的实施例。因此，下面讨论图8和图1-7之间的差异，并且除了如下所述的差别之外，上面包括的对相同部分的任何描述应理解为适用于图8中所示的部件。

例如，在图8所示的实施例中，轴202具有与图1-7中所示的实施例不同的形状，但总体上，轴202仍然是浮动轴；因此，上面包括的浮动轴202的任何描述(除了图1-7中的轴的形状的描述之外)都适用于图8中所示的轴202。在图8中，与图1-7最显著的区别在于，测力传感器250已经从焊头壳体100的底端部104移动到电动机组件150和下轴承212(与两排轴承相反，所述下轴承现在包括三排轴承，但是在其他方面可以以与图1-7中的轴承212相同的方式来操作和接近)之间的位置。该位置可以为测力传感器250提供保护，并且仍然足以在旋转肩部FSW操作期间产生负载信号。例如，在旋转肩部FSW期间，轴202和下轴承212相对于焊头壳体100(以及测力传感器250的外环256)的相对移动在测力传感器250的内环252上产生向上的轴向力(图8中从左到右)，这使得测力传感器产生负载信号。然而，由于该位置，可能无法为固定肩部FSW重新构造焊头20，因为肩部将不能向测力传感器250施加直接力(例如，固定肩部壳体300不能联接到测力传感器250并且起作用在所述测力传感器上)。

本文提出的FSW焊头具有许多优点。例如，本文提出的FSW焊头提供紧凑且基本上独立的FSW焊头，其可以在各种保持结构(例如，龙门架、机器人等)上操作，同时最小化与工件、保持结构的部件或任何其他物体碰撞的机会。本文提出的FSW焊头的紧凑尺寸还确保FSW焊头刚性并且稳固，同时降低FSW焊头将导致保持结构(例如，龙门架、机器人等)中的偏差(例如，弯曲)的几率。此外，FSW提供了改进的轴向力测量(例如，沿着焊头的中心轴线作用的力，例如向上或向下的力)，因为测力传感器和FSW工具之间的路径大大减小，特别是与将测力传感器定位在FSW焊头上方的解决方案相比。路径减小导致精度提高，这继而使控制器能够提供改进的(例如，更精确的)操作参数(例如，行进速度、向下力等)，从而产生更高质量的焊接。

更进一步地，在至少一些实施例中，FSW焊头提供改进的可维修性，这至少因为测力传感器和下轴承易于接近。因此，可以接近和修理/更换测力传感器和/或下轴承而无需大量解构焊头。例如，测力传感器和/或下轴承可以是可更换的，而无需从保持结构(例如，龙门架、机器人等)移除FSW焊头。此外，在至少一些实施例中(例如，图1-7中所示的实施例)，本文呈现的FSW焊头是有利的，因为它可以在适于旋转肩部FSW的构造和适合于固定肩部焊接的构造之间快速且容易地重新构造(即，通过简单地将固定肩部壳体安装到FSW焊头或从其上移除)。

总而言之，在一种形式中，提供了一种FSW焊头，所述FSW焊头包括：焊头壳体，所述焊头壳体从顶端部延伸到敞开的底端部并且限定在顶端部和敞开的底端部之间延伸的孔；轴，所述轴与孔同轴并且能够在孔内旋转，所述轴横向地固定在焊头壳体内并且能够相对于焊头壳体轴向移动，所述轴包括接合端部，所述接合端部延伸超出焊头壳体的敞开的底端部并且支撑FSW工具，所述FSW工具构造为与轴一起旋转以实现搅拌摩擦焊操作。

在另一种形式中，提供了一种FSW焊头，所述FSW焊头包括：焊头壳体，所述焊头壳体从顶端部延伸到敞开的底端部并且限定在顶端部和敞开的底端部之间延伸的孔；一个或多个浮动部件，所述浮动部件构造成支撑FSW工具，所述一个或多个浮动部件可相对于焊头壳体轴向移动；以及测力传感器，所述测力传感器设置在焊头壳体的敞开的底端部下方，所述测力传感器构造成响应于浮动部件的轴向移动而产生负载信号。

在另一种形式中，提供了一种搅拌摩擦焊方法，该方法包括：提供焊头壳体，所述焊头壳体从顶端部延伸到敞开的底端部并且限定在顶端部和敞开的底端部之间延伸的孔；在所述焊头壳体中安装浮动轴，所述浮动轴包括接合端部，所述接合端部延伸超出敞开的底端部并且所述接合端部支撑FSW工具；在焊头壳体的敞开的底端部上安装测力传感器；根据测力传感器产生的负载信号控制通过工具的搅拌摩擦焊。

尽管本文中示出和描述了如在一个或多个具体示例中体现的技术，但是示例的具体细节并不旨在限制本文所呈现的技术的范围，因为可在本发明的范围内进行各种修改和结构改变。另外，来自本文讨论的示例之一的各种特征可以结合到任何其他示例中。因此，所附权利要求应当广泛地并且以与本公开的范围一致的方式解释。

Claims (20)

1.一种搅拌摩擦焊焊头，所述搅拌摩擦焊焊头包括：

焊头壳体，所述焊头壳体从顶端部延伸到敞开的底端部，并且限定在所述顶端部和所述敞开的底端部之间延伸的孔；

轴，所述轴与所述孔同轴并且能够在所述孔内旋转，所述轴横向固定在所述焊头壳体内并且能够相对于所述焊头壳体轴向移动，所述轴包括接合端部，所述接合端部延伸超出所述焊头壳体的敞开的底端部并且支撑搅拌摩擦焊工具，所述搅拌摩擦焊工具构造为与所述轴一起旋转以实现搅拌摩擦焊操作；和

测力传感器，所述测力传感器布置在所述焊头壳体的敞开的底端部下方，并且构造成响应于所述轴的轴向移动而产生负载信号。

2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊焊头，还包括：

电动机组件，所述电动机组件构造成使所述轴在孔内并且相对于焊头壳体旋转。

3.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊焊头，其中，所述测力传感器设置在所述焊头壳体的敞开的底端部和由所述轴的所述接合端部支撑的搅拌摩擦焊工具之间。

4.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊焊头，其中，所述测力传感器包括：

内环；和

外环，所述内环固定地联接到所述轴并且通过柔性部分可移动地联接到所述外环，其中所述内环相对于所述外环的相对移动使所述测力传感器产生负载信号。

5.根据权利要求4所述的搅拌摩擦焊焊头，其中，所述搅拌摩擦焊工具包括：

销；和

肩部，所述肩部与所述销一起旋转以实现搅拌摩擦焊操作，其中所述肩部上的向上力传递到所述内环以使所述内环相对于外环移动并且使测力传感器产生负载信号。

6.根据权利要求5所述的搅拌摩擦焊焊头，还包括：

下轴承，所述下轴承允许所述轴相对于焊头壳体旋转，所述下轴承通过所述一个或多个浮动部件联接到所述内环或者与所述内环和所述一个或多个浮动部件一起形成，其中所述肩部上的向上力通过所述下轴承和所述一个或多个浮动部件转移到所述内环。

7.根据权利要求4所述的搅拌摩擦焊焊头，其中，所述搅拌摩擦焊工具包括：

销；和

肩部，所述肩部由固定肩部覆盖，其中所述固定肩部上的向上力传递到所述内环以使所述内环相对于外环移动并且使所述测力传感器产生负载信号。

8.根据权利要求7所述的搅拌摩擦焊焊头，其中，所述向上力直接从所述固定肩部转移到所述内环。

9.一种搅拌摩擦焊焊头，所述搅拌摩擦焊焊头包括：

焊头壳体，所述焊头壳体从顶端部延伸到敞开的底端部，并且限定在所述顶端部和所述敞开的底端部之间延伸的孔；

一个或多个浮动部件，所述一个或多个浮动部件构造成支撑搅拌摩擦焊工具，所述一个或多个浮动部件能够相对于所述焊头壳体轴向移动；和

测力传感器，所述测力传感器设置在所述焊头壳体的敞开的底端部下方，所述测力传感器构造为响应于所述浮动部件的轴向移动而产生负载信号。

10.根据权利要求9所述的搅拌摩擦焊焊头，其中，所述一个或多个浮动部件包括：

轴，所述轴与所述孔同轴；

一个或多个轴承，所述一个或多个轴承允许所述轴在孔内旋转；和

连接器环，所述连接器环将所述一个或多个轴承中的特定轴承连接到测力传感器。

11.根据权利要求10所述的搅拌摩擦焊焊头，其中，所述一个或多个浮动部件还包括：

测力传感器的内环，所述内环通过至少所述连接器环固定地联接到所述轴，并且通过柔性部分可移动地联接到所述测力传感器的外环，使得所述内环相对于外环的相对移动使所述测力传感器产生负载信号。

12.根据权利要求10所述的搅拌摩擦焊焊头，其中，所述一个或多个浮动部件还包括：

电动机组件的转子，所述转子能够通过固定地联接到所述焊头壳体的定子而移动以实现所述轴在孔内的旋转。

13.根据权利要求10所述的搅拌摩擦焊焊头，其中，所述特定轴承是设置在包括在所述搅拌摩擦焊焊头中的所述测力传感器和电动机组件之间的下轴承。

14.根据权利要求13所述的搅拌摩擦焊焊头，其中，所述下轴承还包括：

辅助轴承壳体，所述辅助轴承壳体从所述下轴承同轴地向外设置，并且能够通过包括在所述焊头壳体上的检修面板接近。

15.根据权利要求9所述的搅拌摩擦焊焊头，其中，所述搅拌摩擦焊焊头能够通过单次安装操作在旋转肩部构造和固定肩部构造之间重新构造。

16.一种搅拌摩擦焊的方法，所述方法包括：

提供焊头壳体，所述焊头壳体从顶端部延伸到敞开的底端部，并且限定在所述顶端部和所述敞开的底端部之间延伸的孔；

在所述焊头壳体中安装浮动轴，所述浮动轴包括延伸超出所述敞开的底端部的接合端部，所述接合端部支撑搅拌摩擦焊工具；

在所述焊头壳体的敞开的底端部处安装测力传感器；和

根据测力传感器产生的负载信号控制通过所述搅拌摩擦焊工具的搅拌摩擦焊。

17.根据权利要求16所述的搅拌摩擦焊的方法，其中，所述搅拌摩擦焊是旋转肩部搅拌摩擦焊，并且所述方法还包括：

通过在所述测力传感器上安装固定肩部壳体而转变到固定肩部搅拌摩擦焊。

18.根据权利要求17所述的搅拌摩擦焊的方法，其中，所述固定肩部壳体覆盖所述搅拌摩擦焊工具的肩部，并且在单次操作之后完成所述转变。

19.根据权利要求16所述的搅拌摩擦焊的方法，还包括：

通过所述浮动轴安装一个或多个浮动部件，所述浮动轴和所述一个或多个浮动部件能够相对于所述焊头壳体轴向移动。

20.根据权利要求19所述的搅拌摩擦焊的方法，其中，所述一个或多个浮动部件包括：

一个或多个轴承，所述一个或多个轴承允许所述轴在孔内旋转；

连接器环，所述连接器环将所述一个或多个轴承中的特定轴承连接到测力传感器；和

以下特征中的至少一个：

测力传感器的内环，所述内环通过至少所述连接器环固定地联接到所述浮动轴，并且通过柔性部分可移动地联接到所述测力传感器的外环，使得所述内环相对于外环的相对移动使所述测力传感器产生负载信号；和

电动机组件的转子，所述转子能够通过固定地联接到所述焊头壳体的定子而移动以实现所述轴在孔内的旋转。