CN111347149B - 搅拌摩擦焊毛刺移除部件 - Google Patents

Abstract

本文中给出的毛刺移除单元适用于搅拌摩擦焊(FSW)焊头，并且包括刀片和环形本体。刀片在FSW操作期间将由FSW工具产生的毛刺移除。环形本体围绕刀片限定了毛刺捕获区域，并且构造成将由刀片移除的毛刺至少暂时地保持在毛刺捕获区域内。毛刺移除单元还可以限定流动路径，可以沿着所述流动路径将毛刺从所述毛刺移除单元中抽走。本文还涉及一种适用于搅拌摩擦焊(FSW)焊头的切削单元以及一种搅拌摩擦焊(FSW)焊头。

Description

搅拌摩擦焊毛刺移除部件

技术领域

本公开涉及一种用于搅拌摩擦焊(FSW)焊头的、有助于移除毛刺的部件。

背景技术

搅拌摩擦焊(FSW)是一种利用高压摩擦产生的热量在两个工件之间形成接头和/或修复工件中的裂纹的焊接过程。即，在FSW操作期间，FSW工具横越设置在工件之间的接头或接缝(或工件中的裂纹)，并且通过FSW工具的旋转产生的摩擦热而对一个或多个工件进行塑化。当FSW工具横越接缝时，还将FSW工具压抵在一个或多个工件上。更具体地，在焊接操作期间，将肩部压抵在工件上，并且销在工件之间的接缝中(或者在工件内的裂纹中)旋转。在某些FSW焊头中，肩部与销一起旋转或者相对于销旋转，但在其他的FSW焊头中，肩部可以是固定的。通过销的旋转(在某些情况下还有肩部的旋转)，对形成工件的材料进行软化和混合。然后，混合的材料固结以形成固态焊缝。

当FSW工具的FSW焊头相对于工件移动时和/或当工件相对于焊接工具移动时(例如，焊接工具可以是固定的)，FSW工具(其可以包括销和肩部)能够横越接缝(或裂纹)。无论如何，在FSW工具对接缝进行焊接时，通过FSW工具与工件之间的摩擦，工件的软化会造成至少某些材料从工件中挤出而成为“毛刺”。例如，挤出材料的周向套环经常会从FSW工具回滚，以形成类似于公羊角的构造(其通常被称为分叉毛刺结构)。因此，为了完成搅拌摩擦焊接，必须从工件上移除毛刺。

通常，在FSW工具之后，通过横越接缝的铣削或磨削过程来移除毛刺。例如，在对接缝进行焊接后，可以将FSW工具从旋转机床移除并更换为铣削工具，以使得旋转机床能够在第二次经过焊缝时移除毛刺。可选地，用户能够使用与FSW机床分离且与之不同的铣削工具铣削毛刺。但是，这些选项中的每一个都会延长特定作业的产距时间(例如，生产率)。更进一步地，一些FSW焊头已经包括了刀片，当FSW焊头横越接缝时，这些刀片能够从焊缝移除(例如切掉)毛刺。但是，这些刀片散落的碎屑(即毛刺碎屑)经常会遍布整个工作场所。这些散落的碎屑不仅会造成杂乱，而且在某些情况下，碎屑可能会进入FSW机床并且迫使终端用户要清洁机床。另外，碎屑可能会粘附到尚未完全聚结的焊缝的一部分，从而使刀片无法从接缝移除毛刺。

发明内容

本公开涉及一种搅拌摩擦焊(FSW)毛刺移除单元以及包括该FSW毛刺移除单元的FSW焊头。根据一个实施例，FSW毛刺移除单元包括刀片和环形本体。刀片将在FSW操作期间由FSW工具产生的毛刺移除。环形本体围绕刀片限定了毛刺捕获区域，并且构造成将由刀片移除的毛刺至少暂时地保持在毛刺捕获区域内。有利地，因为环形本体将毛刺保持在毛刺捕获区域中，所以移除的毛刺不会散落在工件、车间中和/或返回到已从中移除毛刺的焊缝中。

在这些实施例中的至少一些实施例中，环形本体是环形刷单元，并且毛刺移除单元包括具有刀片的环形切削单元。在这些实施例中，环形刷单元设置在环形切削单元的径向外部。在这些实施例中的至少一些实施例中，刀片沿着环形切削单元的内边缘的至少一部分延伸，以使得刀片至少部分为环形。例如，内边缘的部分可以是与FSW操作的后边缘对准的部分。这可以确保刀片延伸越过或跨过在FSW操作期间形成的塑化区域，并且因此可以确保刀片移除在塑化区域的任何位置处产生的毛刺。在一些实施例中，刀片相对于FSW焊头是固定的，并且定位成刮擦在FSW操作期间产生的塑化区域的顶部。有利地，尤其是与随FSW工具一起旋转的刀片相比，在固定刀片从焊缝(即塑化区域)分离毛刺时，固定刀片不会造成毛刺的散落。

在FSW毛刺移除单元的一些实施例中，毛刺移除单元包括刷，所述刷与刀片纵向对准且构造成将由刀片移除的毛刺至少暂时地保持在毛刺捕获区域内。刷可以是能够压抵在工件上，并且因此可以用于与工件一起形成包封毛刺捕获区域的密封件或密封型包封件。然而，刷也可以是透气的，以使得毛刺移除单元能够操作性地联接到真空单元，该真空单元可以通过抽吸从毛刺移除单元移除所分离的毛刺。实际上，在一些实施例中，毛刺移除单元包括流动路径，该流动路径延伸通过环形本体并且引导由刀片移除的毛刺远离毛刺捕获区域。在某些情况下，真空单元可以附接到所述流动路径以提供前述的抽吸。在至少一些实施例中，刀片被包括在切削单元中，所述切削单元限定一个或多个第一开口，并且环形本体限定一个或多个第二开口。所述一个或多个第一开口以及所述一个或多个第二开口限定所述流动路径。

根据另一个实施例，本文给出了一种适用于FSW焊头的切削单元。切削单元包括环形本体和部分为环形的刀片。环形本体具有顶部和底部。底部具有内边缘和外边缘。所述部分为环形的刀片围绕所述环形本体的底部的内边缘的至少一部分延伸，并且所述环形本体固定到所述FSW焊头，以使得在FSW焊头的FSW操作期间，所述部分为环形的刀片相对于所述FSW焊头是固定的。另外，环形本体固定到FSW焊头，以使得刀片定位成尾随FSW焊头中所包括的FSW工具并且将在FSW操作过程中由FSW工具产生的毛刺从焊缝切除。如上所述，固定刀片比旋转刀片更具有优势，原因至少在于固定刀片不会产生大量散落的需要从车间、机床、以及可能需要从焊缝中清除的碎屑。

在这些实施例中的至少一些实施例中，环形本体包括一个或多个开口，所述一个或多个开口构造成引导从焊缝切除的毛刺远离焊缝。由于这些开口，切削单元可以将所移除的毛刺引导到特定位置，以使得例如可以由真空单元收集毛刺。因此，开口可以进一步简化在FSW操作之后的清理。附加地或可选地，部分为环形的刀片可以围绕整个内边缘延伸。如果刀片围绕整个内边缘延伸，则FSW机床可以在任意方向上持续进行FSW操作而无需对切削单元进行重新布置或重新定向。无论FSW操作的方向如何，切削单元都可以切削毛刺。

根据再一个实施例，本文提供了一种FSW焊头。FSW焊头包括焊头壳体、轴杆和环形毛刺移除单元。焊头壳体从顶端延伸到底端。轴杆与焊头壳体同轴并且能够在焊头壳体内旋转。轴杆还包括延伸超出焊头壳体并支撑FSW工具的端部。环形毛刺移除单元将在FSW焊头的FSW操作期间由FSW工具产生的毛刺移除。另外，环形毛刺移除单元围绕FSW工具限定毛刺捕获区域，并且将所移除的毛刺至少暂时地保持在毛刺捕获区域内。因此，FSW焊头有利地将FSW操作期间的毛刺移除，同时防止或减少了散落在工件、车间、和/或焊缝上的毛刺的量。而且，并且同样有利地，FSW焊头可以是固定肩部式FSW焊头或旋转肩部式FSW焊头。

附图说明

图1A是根据本公开示例性实施例的具有代表性毛刺移除单元的搅拌摩擦焊(FSW)焊头的侧视图，其中FSW焊头设置成第一构造。

图1B是图1A的FSW焊头的仰视透视图，其中FSW焊头设置成第二构造并且包括(在其上包括)根据本公开的另一示例性实施例形成的代表性毛刺移除单元。

图2是图1B的FSW焊头的剖视图。

图3A是安装在图1B的FSW焊头的接合端上的毛刺移除单元的仰视透视图，该毛刺移除单元根据本公开的示例性实施例形成。

图3B是图3A的毛刺移除单元的正视透视图，但是其中移除了在毛刺移除单元中所包括的刷单元。

图4是安装在图1B的FSW焊头的接合端上的图3A的毛刺移除单元的一部分的正视剖视图。

图5A-5E分别提供了在图3A的毛刺移除单元中所包括的切削单元的透视图、侧视图、仰视图、正视剖视图和后视图。

图6A和6B分别提供了适用于图3A的毛刺移除单元的切削单元的另一示例性实施例的俯视透视图和剖视图。

图7A和7B分别提供了在图3A的毛刺移除单元中所包括的刷单元的仰视透视图和俯视透视图。

图8是图3A的毛刺移除单元的一部分在FSW操作期间安装到图1B的FSW焊头上时的剖视图。

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

本文中给出了一种搅拌摩擦焊(FSW)部件，该部件能够被包括在FSW焊头中或与之联接，并且有助于移除毛刺。通常，所述FSW部件是毛刺移除单元，并且包括切削单元和刷单元。切削单元包括刀片，该刀片构造成从焊缝和/或工件移除或分离毛刺，并且刷单元构造成将分离的毛刺保持在由毛刺移除单元的周边限定的边界内。即，切削单元和刷单元都是环形部件，并且构造成移除毛刺并将毛刺保持在由它们的圆环所限定的中心开口内。此外，切削单元和刷单元共同限定了通道，该通道能够操作性地联接到真空单元，从而可以利用抽吸将由毛刺移除单元移除并保持的任何分离的毛刺从FSW焊头和工件上恰到好处地移除。

因此，有利地，本文提出的毛刺移除单元移除毛刺而不会产生大量散落在工件、FSW接缝、和/或FSW机床上方/内部的碎屑。相比之下，围绕FSW焊头旋转以移除毛刺的单个刀片可以使围绕工作区的毛刺碎屑(在本文中也简称为碎屑、分离的毛刺、移除的毛刺、或其变形)沿着工件散落到机床中。这样散落的碎屑可以对本应由刀片产生的任何效率(例如，与焊接时移除毛刺相关联的效率)产生不利影响，原因是在使用旋转刀片完成搅拌摩擦焊之后，将要求用户对FSW机床、工件和/或工作区进行大量的清洁工作。可选地，如果终端用户避免使用旋转刀片，则在完成FSW操作之后将要求终端用户进行附加的机加工以完成FSW接缝。例如，终端用户可能需要对FSW接缝进行研磨或铣削以移除毛刺。附加的机加工不仅耗时和低效，而且在FSW接缝已经冷却和硬化后，可能更难以移除毛刺，这可能会导致用户在附加的机加工期间要对接缝施加更大的力并且可能会损坏接缝。

图1A和1B示出了示例性FSW焊头10，其能够在处于旋转肩部构造C1(参见图1A)或固定肩部构造C2(参见图1B)时容纳本文提出的毛刺移除单元400。为了清楚地示出FSW焊头10，图1A和1B所示的FSW焊头10在其上安装有代表性的毛刺移除单元400，并且在随后的附图中更详细地示出了该毛刺移除单元。值得注意的是，通过向FSW焊头10的底部增加钟状壳体300或者从底部移除钟状壳体300，焊头10即可在旋转肩部构造C1和固定肩部构造C2之间转换。除此之外，FSW焊头10在构造C1和构造C2这两种构造中大体相同。

尽管在图1A和1B中图示的FSW焊头10主要示出了能够支持本文提出的毛刺移除单元400(也称为毛刺移除配件400或毛刺移除部件400)的FSW焊头，现在至少在一些细节方面对FSW焊头10进行描述以便于提供对毛刺移除部件400的全面理解。然而，对FSW焊头10的描述绝不旨在限制本文提出的毛刺移除部件400的范围，并且应当理解，毛刺移除部件400能够安装在现在已知或以后设计的任何FSW焊头上。此外，下文所包括的对FSW焊头10的描述是相对简要的，并且集中在与毛刺移除部件400相关的FSW焊头10的操作上，这至少是因为已经在2018年3月30日提交的发明名称为“用于搅拌摩擦焊的焊头(Welding Head forFriction Stir Welding)”且申请号为15/941,092的美国专利申请中对附图中所示的FSW焊头10(没有毛刺移除配件400)进行了详细说明，其全部内容通过引用而并入本文。

在此基础上，图1和图2中所示的FSW焊头10包括焊头壳体100和轴杆202。焊头壳体100从第一端或顶端102延伸到第二端或底端104。顶端102能够附接到机器人、台架或其他这样的保持结构上。同时，底端104提供能够接收轴杆202的开口。轴杆202与壳体100的中心轴线同轴，并且沿轴向或纵向方向延伸通过由壳体100限定的孔，从而使得轴杆202的一部分204在壳体100的底端104下方延伸。限定肩部和销/探针的FSW工具280在搅拌摩擦焊期间联接到轴杆202的部分204(也可以称为底端204、焊接端204或接合端204)。

在本申请中，轴杆202的部分204、安装在其中的工具280以及钟形壳体300可以统称为FSW焊头10的接合或焊接部分30。在下文中将对焊接部分30进一步详细描述；然而，一般而言，本文提出的毛刺移除配件400被安装或包括在FSW焊头10的焊接部分30之上/上方。例如，当FSW焊头10处于旋转肩部构造C1时，毛刺移除单元400被安装到FSW工具280以及轴杆202的在壳体的底端104下方突出的部分204之上和上方(如图1A的高层级处所示)。同时，当FSW焊头10处于固定肩部构造C2时，毛刺移除单元400被安装或包括在FSW工具280、轴杆202的在底端104下方突出的部分204、以及钟状壳体300之上和上方(如图1B和图2的高层级处所示)。在至少一些实施例中，FSW焊头10可以包括安装座290(参见图1B和3A)，其有助于将焊接部分30与焊头壳体100的中心纵向轴线对准。

在将毛刺移除单元400安装到FSW焊头10上之前或之后，毛刺移除单元400能够连接到真空单元42，该真空单元42可以为毛刺移除单元400提供抽吸。真空单元还可以包括或限定袋、罐、集尘袋、旋风器和/或任何这样的能够捕获从毛刺移除单元400抽出的所分离的毛刺的碎屑的容器(类似于家用真空吸尘器)。可选地，毛刺移除单元可能包括内置(on-board)真空单元，该内置真空单元能够对所分离的毛刺的碎屑提供抽吸和捕获。正如下面进一步详细描述的那样，无论是从外部真空单元(例如真空单元42)还是内置真空单元进行抽吸，毛刺移除单元400都可以捕获从FSW焊头10产生的焊缝所分离的毛刺并且将其移除。在一些实施例中，真空单元42可以由控制FSW焊头的操作的控制器40控制(如下所述)，以使得例如真空单元42在接通FSW焊头10时接通。

仍参考图1A和1B，但是现在也参考图2，在所示的实施例中，环形载荷单元250也位于底端104的下方，以使得载荷单元250邻近或接近轴杆(和工具280)的接合端204。一般来说，载荷单元250根据(通过工具280)施加在轴杆202的接合端204上的力而产生载荷信号。换句话说，并且正如在申请号为15/941,092的美国专利申请中进一步详细说明的那样(如上所述，其全部内容通过引用并入本文)，当工具280作用于工件时，轴杆202将相对于壳体100略微向上移动，推动或拉动载荷单元250的一部分，以使得载荷单元250根据(通过工具280)施加在轴杆202的底端204上的纵向力而产生载荷信号。

为了实现这一点，FSW焊头100可以包括连接环220，该连接环220将载荷单元250的内环252联接到轴杆202(例如，经由被包括在FSW焊头100中的其他部件)。另一方面，内环252也经由柔性部分254柔性地联接到载荷单元的外环256，该载荷单元的外环256固定地联接到焊头壳体100。因此，轴杆的任何轴向运动都可以促使载荷单元250因内圈252相对于外圈256的相对运动而产生载荷信号。该信号可以经由信号路径258发送到控制器40，使得控制器40能够控制FSW焊头10的操作。

例如，在接收到载荷信号时，控制器40可以将载荷信号转换为能够用于控制FSW操作并确保高质量焊接的力测量值(例如，数值数据)。也就是说，控制器可以积累来自于载荷信号的数据，并确定是否需要改变施加到FSW焊头的向下的力，例如用以确保利用FSW工具280实现完全穿透。力测量值可以连续地获取并且被用于在整个焊接过程中将力保持在期望的水平，从而产生焊接的光滑表面和期望特性。根据特定的焊接工艺或工件的要求，可以将目标力水平设计成在焊接的各个阶段期间变化。此外，可以记录在整个焊接过程中测得的力(例如，可以基于时间或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生成视觉警告或听觉警告。

仍参考图1A、1B和图2，总体上，所示的焊头10是紧凑的并且不需要(例如来自主轴驱动器/致动器等的)外力。也就是说，焊头10具有相对较小的外部尺寸，并且可以是相对独立的FSW焊头，只要该焊头可以在没有外部驱动机构的情况下工作即可(但是可能仍需要联接到电源、控制器和/或诸如台架的保持设备)。作为焊头10的外部尺寸的示例，焊头壳体100可以具有在大约100mm至大约500mm的范围内的外径以及在大约200mm至大约1000mm的范围内的外部纵向尺寸(例如高度)。作为一个具体示例，对于可达12mm的典型焊接厚度，焊头壳体100可以具有大约250mm的外径和大约325mm的外部纵向尺寸(例如高度)。

这种紧凑的设计减少了在保持结构(机器人、台架等)上产生的偏移(弯曲)，并且还使得在FSW操作期间焊头10与工件的一部分、保持结构的一部分或其他这样的物体发生碰撞的可能性最小化。因此，图1A和1B所示的FSW焊头可以适用于(甚至是优选地用于)对本文所支持的毛刺移除单元400进行支撑。也就是说，图1A和1B所示的FSW焊头10可以减少或消除有时会导致环形切削刀片出现问题的偏斜问题。然而，在其他的实施例中，本文提供的毛刺移除单元也可以与任何形状或尺寸的以现在已知或以后设计的方式进行操作的FSW焊头一起使用、并入其中或包括于其中，以便实现FSW操作。

现在转向图2，尽管本文提供的毛刺移除配件可以与大量的FSW焊头一起使用，但是为了完整起见，图2示出了图1B中所示的焊头10的剖视图。该剖视图示出了轴杆202的整体、构造成使轴杆202绕中心轴线旋转的马达150以及便于进行这种旋转的各种轴承。更具体地，轴杆202是可旋转的本体，其从壳体100的顶端102伸出(或穿过)并且延伸到壳体100的底端104(或从中穿过/伸出)。轴杆202可以是大体圆柱形的；然而，轴杆还可以包括各种台阶、凹陷、接收部以及其他这样的允许轴杆以在仍然确保马达150可以接合并旋转轴杆150的同时防止轴杆202侧向倾斜或平移的方式固定在焊头壳体100内的特征部。

在图示的实施例中，马达150是旋转式马达150，其具有固定地联接到焊头壳体100的定子152和固定地联接到设置在上轴承210与下轴承212之间的轴杆202的一部分的转子154(其由轴承壳体214支撑)。转子154可以通过径向间隔件与下轴承212和载荷单元250机械地间隔开，以确保在对下轴承212进行保养时转子154不会磁性地卡住和/或损坏。同时，定子152被固定到焊头壳体100并且可以经由形成在壳体100中的入口/出口进行液体冷却。一般而言，马达150可以将旋转运动施加到轴杆202(并且因此施加到工具280)。

轴杆202可以包括内部孔或通道206。通道206构造成与工具280中所包括的冷却特征部以及焊头壳体100中所包括的冷却剂输送特征部对准。另外，轴杆202的下端可以包括尺寸设计成接收工具280的本体的轴向腔。所述轴向腔可以具有任何期望的尺寸，并且还可以包括诸如带螺纹的螺杆这样的锁定特征部(未示出)，该锁定特征部允许将任何期望的工具280固定到轴杆202。工具280从轴杆202的下端204突出(例如向下延伸)，并且限定了肩部284和销或探针282(参见图4)，它们将在一个或多个工件之中或之间形成接头。在图示的实施例中，肩部284具有截锥形的形状。然而，在其他的实施例中，工具280的操作端可以具有任何期望的形状和/或包括任何期望的特征部(例如，销可以包括螺纹)。此外，在其他的实施例中，销282可以是能够相对于肩部284移动(例如，可缩回)和/或包括现在已知或以后设计的任何其他的FSW特征部。

现在转向图3A、3B和4，这些图示出的毛刺移除单元400在图1A、1B和2中以虚线框表示。在高层级(high-level)处，毛刺移除单元包括切削单元410和刷单元430。切削单元410设置在刷单元430的径向内部，因此，在图3A中，切削单元410的大部分不可见。在图3B中，移除了刷单元430以示出切削单元410的外部。在图示的实施例中，切削单元410具有与钟形壳体300的底部302接合并围绕其延伸的圆柱形外部。刷单元具有圆柱形的外部，其与钟形壳体300的中部310的外径接合并围绕其延伸。

然而，在其他的实施例中，切削单元410和刷单元430可以具有任何外部形状和尺寸。例如，在一些实施例中，毛刺移除单元400的尺寸和形状可以设计成匹配固定肩部、旋转肩部284和/或焊接表面的形状。作为具体的示例，在一些实施例中，毛刺移除单元可以是大致三角形的，以使得毛刺移除单元可以用于拐角焊和/或角焊缝。

另外，切削单元410和刷单元430能够以任何方式联接到FSW焊头10，只要该联接防止毛刺移除单元400至少相对于FSW焊头10沿X方向和Y方向(例如沿焊头10的底面)平移即可。在图示的实施例中，切削单元410和刷单元430(例如使用紧固件)联接到钟形壳体300，并且因此在FSW操作期间是固定的。即，当通过马达150使轴杆202旋转时，钟形壳体300和毛刺移除单元400将不会旋转。换句话说，图示的毛刺移除单元400相对于FSW焊头10在所有六个自由度上都是固定的(并且因此例如如果台架或臂移动或旋转FSW焊头10，则毛刺移除单元400与焊头10一起移动)。

然而，在其他的实施例中，毛刺移除单元400可以相对于FSW焊头是高度可调节的，因此可以相对于FSW焊头10仅在五个自由度(X平移、Y平移以及所有三个旋转角度)上固定。即，在一些实施例中，毛刺移除单元400可以沿FSW焊头10的Z轴(即纵向轴线)调节。附加地或可选地，在至少一些实施例中，切削单元410和/或刷单元430可以联接到FSW焊头10的另一部分(例如焊头壳体100或钟形壳体300的顶部320)，该另一部分相对于轴杆202固定切削单元410和/或刷单元430。

在其他的实施例中，切削单元410和/或刷单元430可以直接或间接地联接到轴杆202，以使毛刺移除单元400的至少一部分与轴杆204一起旋转或相对于轴杆204旋转。例如，当毛刺移除单元以其旋转肩部构造C1包括有FSW焊头10或安装到FSW焊头10上时(参见图1A)，切削单元410可以联接到轴杆202并且刷单元430可以联接到壳体100的下端102。作为其他示例，切削单元410和刷单元430都可以联接到轴杆202(并随其旋转)，或者切削单元410和刷单元430都可以联接到壳体100的下端102(以在轴杆202旋转时保持固定)。

更进一步，在一些实施例中，毛刺移除单元400或其至少一部分可以经由齿轮部件或其他这样的机械部件联接到轴杆202，以使得当轴杆202旋转时，毛刺移除单元400(或其一部分)也旋转，但是以不同的速度和/或沿不同的方向旋转。更一般地，毛刺移除单元400能够以任何方式联接到任何类型的FSW焊头，包括线管型FSW焊头、固定肩部式FSW焊头和旋转肩部式FSW焊头。实际上，毛刺移除单元400可以特别适用于旋转肩部式FSW焊头，原因在于旋转肩部通常会在焊缝中留下旋转轨迹且毛刺移除单元400可以清理那些轨迹。

不论其外部形状和尺寸以及其与FSW焊头10联接的方式如何，毛刺移除单元400的刷单元430都是环形的，以使得刷单元限定了一个有界或封闭的毛刺捕获区域“FA”。也就是说，由于刷单元430是环形的，因此毛刺捕获区域FA的周边由刷单元430界定或封闭。在至少一些实施例中，切削单元410也是环形的；然而，切削单元410不需要是环形的。可选地，切削单元410在毛刺捕获区域FA内布置成使得通过切削单元410从焊缝移除的毛刺在毛刺捕获区域FA中被移除，或者以另外的方式构造成将分离的毛刺碎屑引入到毛刺捕获区域FA中。例如，切削单元可以是固定刀片，其沿着与包括毛刺移除单元400的FSW机床的焊接方向垂直的方向在毛刺捕获区域FA的直径上延伸。

在所示的实施例中，切削单元410和刷单元430均是环形的并且也都与焊头10的轴杆202同轴。因此，毛刺捕获区域FA与切削单元410同心。因此，当毛刺移除单元400从焊缝中移除毛刺时(正如下面结合图8所详细描述的那样)，所移除/分离的毛刺可以保留在FSW焊头10的下方并且基本上防止其散落到工件、工作站等上。

现在转向图4和图5A-5E，在所示的实施例中，切削单元410包括环形主体411，该环形主体411从底部412延伸到顶部416(参见图5A)，同时限定了中心开口418。正如在图5C中可以清楚看到的那样，底部412具有由内边缘4122和外边缘4123限定的面4121。外边缘4123是倒圆或倒角的边缘。同时，内边缘4122是被限定的拐角(即直角或更小)，并且内边缘4122的至少一部分接收或限定刀片414。此外，在所示的实施例中，底面4121具有通过连接件4127连接的第一区域4125和第二区域4126(在图5B和5C中清楚地示出)。连接件4127可以逐渐远离第一区域4125延伸，但是可以与第二区域4126形成坚硬的或限定的边缘。

在所示的实施例中，底部412的第二区域4126与形成在主体411中的开口420对准，并且沿着第二区域4126的内边缘4122的至少一部分包括刀片414。附加地或可选地，刀片可以沿形成在第二区域4126和连接件4127之间的坚硬边缘形成。无论何种方式，刀片414都布置为使得在通过工具280焊接工件而产生毛刺之后不久它就能够从工件上切除任何毛刺。也就是说，由于刀片414围绕第二区域4126的内边缘4122的至少一部分延伸，因此刀片414将延伸通过由工具280产生的塑化区域并移除在塑化区域中的任何位置处产生的任何毛刺。通过沿着形成在第二区域4126之间的坚硬边缘延伸刀片414，只是扩大了刀片414的宽度或跨度，并且进一步确保了刀片414跨越塑化区域(即跨越焊缝)。

在一些实施例中，刀片414可以至少部分地由主体411形成或限定，并且因此可以是与主体411相同的材料，只要主体411由适用于从焊缝切除毛刺的材料形成即可(例如所述材料具有合适的硬度和耐用性等)。附加地或可选地，刀片414可以包括添加到主体411或者被包括在主体411中的辅助元件，例如硬化钢涂层、刀元件、锯齿构件、金刚石边缘等。辅助元件能够以任何方式被包括在切削单元410的内边缘4122中或附接到切削单元410的内边缘4122。

不管如何形成或限定刀片414，刀片414可以是至少部分环形的，此处的“部分环形”旨在表示刀片414是弓形的并且沿着对切削单元410的中心开口418进行限定的圆形或椭圆形边缘的至少一部分延伸。在至少一些实施例中，部分为环形的刀片414跨过切削单元410的宽度或直径。这些尺寸确保了环形刀片414跨过由FSW工具280形成的整个塑化区域，并且因此在FSW操作期间，如果需要就允许环形刀片414保持静止。由于固定刀片414的移动将只需与焊头10沿焊缝的横向移动一样快，因此尤其是与随着轴杆一起旋转的刀片相比，固定刀片414有利地使得刀片414在其切削时的速度最小化，并且因此将毛刺散落在工件和工作站等上的可能性降到最低。

此外，在其他的实施例中，刀片414可以沿着底部412的任何表面被包括于其中或者在底部412的任何表面之间延伸，只要在FSW焊头10完成FSW操作时刀片414能够将在FSW操作期间产生的毛刺移除即可。也就是说，刀片414可以沿着底部412的任何表面被包括于其中或者在底部412的任何表面之间延伸，只要刀片414尾随FSW工具280之后并且跨越塑化区域即可。例如，在一些实施例中，刀片414可以沿着底部412的整个内边缘4122延伸。在这些实施例中，FSW工具可以沿任何方向对接缝进行焊接，而毛刺移除单元400无需重新布置或重新定向。附加地或可选地，在其他的实施例中，切削单元的底部412可以是完全平坦的(即不包括任何区域)、可以包括两个以上的区域、或者能够以任何方式成型。

仍参考图4和图5A-5E，在所示的实施例中，切削单元基本上是中空的，并且包括外壁4101和内壁4102(参见图5D，其特别示出了壁4203延伸穿过在内壁4102和外壁4101之间形成的中空区域)。如上所述，底部412是封闭的或实心的。同时，顶部416可以是敞开或闭合的，并且总体上，切削单元410可以是中空的、实心的、填充的、部分实心的，等等。然而，不管切削单元410的总体结构如何，主体411还限定了至少一个周向开口420，此处的用词“周向”是用于描述至少一个开口如何设置在切削单元410的周边之上/周围。在图5A-5E所示的实施例中，切削单元410包括单个开口420；然而，在诸如图6A和图6B所示的实施例这样的其他实施例中，主体411可以限定多个开口。

开口420限定了从内壁4101延伸到外壁4102的路径，以使得通过刀片414从焊缝分离的任何毛刺都可以离开切削单元410的中心开口418。换句话说，开口410提供了通道，所分离的毛刺能够通过该通道离开切削单元410。正如下面进一步详细讨论的那样，在所示的实施例中，通过操作性地联接到毛刺移除单元400的真空单元42(参见图1A和1B)产生的抽吸将分离的毛刺从切削单元410中抽出并送入刷单元430。然而，在其他的实施例中，所分离的毛刺不需要通过抽吸而移动从而被抽入刷单元中，而是可以简单地通过开口420从切削单元410中离开。

为了促使所分离的毛刺碎屑通过开口420离开切削单元，开口420包括向上倾斜的底壁4201和向上倾斜的顶壁4203。换句话说，在内壁4102上，开口420设置在固定水平面(例如与外壁4101的顶部边缘416对准的水平面)以下的第一高度处，并且在外壁4101上，开口420设置在所述固定水平面以下的第二距离处。第二距离小于第一距离，并且壁4201和4203连接这些纵向偏移的开口。向上倾斜的壁4201和4203有助于将所分离的毛刺向上引导并远离焊缝，并因此有助于毛刺移除单元400捕获由切削单元410移除的毛刺。

现在转向图6A和6B，这些图示出了根据第二实施例构造的切削单元510。切削单元510大体类似于图5A-5E所示的切削单元410，区别在于切削单元510包括围绕实心主体511间隔开的多个周向开口520并且还包括具有环形刀片514的大致平坦的底部512，该环形刀片514围绕底部512的整个内边缘5124延伸。为了简洁起见，切削单元510的与切削单元410相似的部分(包括顶部516、中心开口518、开口520的向上倾斜的顶壁5203和底壁5203、以及切削单元510的整体形状和尺寸)均未详细描述，并且上文所包括的对切削单元410的各部分的任何描述应理解为适用于切削单元510中包括的相似部分。

切削单元510中包括的多个开口520和环形刀片514允许包括切削单元510的毛刺移除单元400在任意方向上连续地用于FSW操作，而无需对毛刺移除单元400进行重新布置和重新定向。例如，如果需要，包括切削单元510的毛刺移除单元400可以沿着焊缝多次往复运动，而无需使整个FSW机床在焊缝的端部旋转180度。相比之下，在改变使用该机床执行的FSW操作的方向之前，包括切削单元410的毛刺移除单元400和/或具有包括切削单元410的毛刺移除单元400的FSW机床可能需要重新定向，以使开口420和刀片414保持定向在FSW操作的后缘处。

尽管如此，与切削单元510相比，切削单元410可以提供至少一些优点。例如，生产具有更少周向开口的切削单元可能更加廉价，并且更少的周向开口可以允许毛刺移除单元400利用更少的(或者不太复杂的)抽吸，原因在于(例如由真空单元42提供的)抽吸可以沿着更少的路径(其由开口限定)将所移除的毛刺抽出。因此，可以通过在优点与特定的毛刺移除单元400的需求之间取得平衡来确定在切削单元中包括的开口的数量。也可以基于类似的考虑和/或基于开口的数量来确定刀片的尺寸和位置。

现在转向图7A和7B，但继续参考图4，对可以被包括在毛刺移除单元400中的示例性刷单元430进行描述。在所示的实施例中，刷单元430包括环形主体431，其从底部432延伸到顶部436，同时限定了中心开口438，该中心开口438限定了毛刺捕获区域FA。底部432支撑刷434，该刷434构造成将所分离的毛刺碎屑保持在毛刺移除单元400的毛刺捕获区域FA内。也就是说，刷434防止或至少阻止所分离的毛刺滑到毛刺400的周边以外。刷434还包括或限定气流通道，以使得在向毛刺移除单元施加抽吸(例如由真空单元42提供)时，空气可以进入刷单元430和/或毛刺移除单元FA。在至少一些实施例中，通道还可以允许所分离的毛刺碎屑通过刷434被抽入刷单元430的主体431中。

主体431还限定了周向开口440，该周向开口440构造成与被包括在切削单元410中的开口420对准，使得开口440可以引导从切削单元410离开的所分离的毛刺远离毛刺移除单元400(此处术语“周向”的使用与其在上文的使用方式类似，区别只是现在是针对刷单元430而不是切削单元410)。开口420延伸通过主体431的外壁4401，并且在所示的实施例中，开口420设置在主体431的内壁4402上方，以使得开口不需要延伸通过内壁4402。然而，在一些实施例中，开口420可以延伸通过主体431的任何部分，只要其提供从中心开口438到主体431的外部的路径或通道即可。

在所示的实施例中，刷单元430仅包括单个开口440；然而，在其他的实施例中，刷单元430可以包括任何数量的开口(类似于切削单元410)。正如下面进一步详细讨论的那样，开口440定位成与被包括在切削单元410中的开口420对准，以使得开口440和开口420可以限定用于所分离的毛刺离开毛刺移除单元400的路径。因此，如果切削单元包括多个开口(例如，如图6A和6B所示)，则刷单元430也可以包括多个开口，它们可以定位成与被包括在切削单元410上的开口匹配或配合。

可选地，刷单元430不需要包括与切削单元上所包括的开口相匹配的开口440的模式，而是可以限定沿径向定向的流动路径，该流动路径将切削单元的多个(例如所有)开口操作性地连接到被包括在刷单元430上的任意数量的(例如一个)开口440。在所示的实施例中，刷单元430包括将开口440连接到刷单元430的中心开口438的向上倾斜的表面4404(其类似于切削单元410中所包括的向上倾斜的表面4201和4203)。在(例如通过真空单元42)向毛刺移除单元400施加抽吸时，倾斜表面4404还促使所分离的毛刺向上移动并远离焊缝。

图8示出了在FSW操作期间的毛刺移除单元400的示例性实施例。在该示例中，当FSW焊头10处于其固定肩部构造C2时，毛刺移除单元400被包括在FSW焊头10上。在该构造中，FSW焊头10在沿焊接方向“WD”移动的同时作用在工件“WP”上以产生焊缝“WS”。如上所述，在所示的实施例中，在焊头10的后缘处(例如相对于焊接方向“WD”的焊头10的后部)，切削单元410中的开口420与被包括在刷单元430中的开口440对准。因此，在焊头10的后缘处，开口420和开口440共同限定了离开毛刺移除单元400的流动路径“FP”。

更具体地，开口420的向上倾斜的壁4201和4203(以及在它们之间延伸的侧壁)从尾随FSW工具280的毛刺捕获区域FA的第一部分延伸到与刷单元430的向上倾斜的壁4404邻近的刷单元的中心开口438。通过由真空单元提供的抽吸，将分离的毛刺向上抽到该第一部分，然后进一步将所分离的毛刺向上抽到由刷单元430的向上倾斜的壁4404和开口440限定的第二部分。

尽管并未示出，但是在至少一些实施例中，管件可以将真空单元42(参见图1)连接到开口440的外部。该管件可以沿着流路FP产生抽吸，并且还可以确保对离开毛刺移除单元400的已分离的毛刺碎屑恰到好处地进行捕获或收集。此外，在至少一些实施例中，真空单元42不仅产生抽吸力以将毛刺480沿流路FP抽出，而且还将毛刺480捕获到某种类型的罐或容器中(未示出)。在这些实施例中，刷单元430、切削单元410和真空单元42配合以将在FSW操作期间产生的几乎所有的毛刺480移除，而不会在车间中、工件上或机床上/机床中造成任何杂乱。

仍然参考图8，可以看出，切削单元410的底部412或者至少被包括在切削单元410的底部412上的刀片414与工具280的底部纵向间隔开(例如竖直地间隔开)，以使得当工具280穿透工件WP以产生焊缝WS时，底部412(或至少刀片414)抵靠工件WP移动。因此，当工具280焊接焊缝WS时，刀片414基本上刮擦焊缝WS的顶部以从焊缝WS的顶部分离或移除任何毛刺480。在图8中，毛刺480A表示因为还没有触及刀片414而尚未从焊缝WS移除的毛刺。图8中所示的剩余毛刺480已经通过刀片414从焊缝WS切除，并且因此而被沿着流动路径FP抽取。

刷434还纵向间隔开以与焊缝WS的顶部对准，并且因此可以用于防止毛刺480从毛刺捕获区域FA逸出。即，由于刷434也沿着焊缝WS的顶部移动，因此刷434可以将毛刺480保持在抽吸所作用的区域中。在至少一些实施例中，刷434可以是有弹性的并且至少是稍微可压缩的，以确保在FSW操作期间刷434抵靠焊缝WS的顶部保持齐平。附加地或可选地，刷单元430和/或切削单元410可以经由可调节的连接部固定到焊头，该可调节的连接部允许用户在开始进行FSW操作之前将刷单元430和/或切削单元410移动成与焊缝WS的顶部直接接触。更进一步地，刷单元430和/或切削单元410可以经由弹性连接部而联接到FSW焊头，该弹性连接部将刷单元430和/或切削单元410朝向焊缝WS的顶部偏置，以便确保这些单元能够切削并收集在FSW操作期间产生的毛刺。

总而言之，在一种形式中，提供了一种适用于FSW焊头的毛刺移除单元，其包括：刀片，该刀片在FSW操作期间将由FSW工具产生的毛刺移除；以及环形本体，该环形本体在刀片周围限定了毛刺捕获区域，该环形本体构造成将由刀片移除的毛刺至少暂时地保持在毛刺捕获区域内。

在另一种形式中，提供了一种适用于FSW焊头的切削单元，其包括：具有顶部和底部的环形本体，该底部包括内边缘和外边缘；以及围绕所述环形本体的底部的内边缘的至少一部分延伸的部分为环形的刀片，其中，所述环形本体固定到所述FSW焊头，使得所述部分为环形的刀片在FSW焊头的FSW操作期间相对于所述FSW焊头固定，并且使得刀片定位成尾随在FSW焊头中包括的FSW工具，并且将由FSW工具在FSW操作期间产生的毛刺从焊缝切除。

在又一种形式中，提供了一种FSW焊头，包括：焊头壳体，其从顶端延伸至底端；以及轴杆，其与焊头壳体同轴并能够在焊头壳体内旋转，该轴杆包括延伸超出焊头壳体并支撑FSW工具的端部；以及环形毛刺移除单元，其在FSW焊头的FSW操作期间将由FSW工具产生的毛刺移除，其中环形毛刺移除单元围绕FSW工具限定毛刺捕获区域，并且将移除的毛刺至少暂时地保持在毛刺捕获区域内。

尽管本文中以一个或多个特定示例的形式对技术进行了图示和说明，但是示例的具体细节并不旨在限制本文所提供的技术的范围，原因是在本发明的范围和区间内进行可以各种变型和结构更改。另外，来自本文中讨论的其中一个示例的各种特征可以并入到任何其他的示例中。因此，所附的权利要求应当被宽泛的解读并且以与本公开的范围相一致的方式进行解释。

Claims (17)

1.一种适用于搅拌摩擦焊(FSW)焊头的毛刺移除单元，包括：

环形切削单元，所述环形切削单元具有环形内边缘，所述环形内边缘限定至少部分为环形的刀片，所述至少部分为环形的刀片在搅拌摩擦焊操作期间将由搅拌摩擦焊工具产生的毛刺移除，所述环形切削单元构造成与所述搅拌摩擦焊工具同心；

环形本体，所述环形本体围绕所述至少部分为环形的刀片限定了毛刺捕获区域，所述环形本体构造成将由所述至少部分为环形的刀片移除的毛刺至少暂时地保持在所述毛刺捕获区域内；以及

刷，所述刷与所述至少部分为环形的刀片纵向对准并且构造成将由所述至少部分为环形的刀片移除的毛刺至少暂时地保持在所述毛刺捕获区域内。

2.根据权利要求1所述的毛刺移除单元，其中所述环形本体是环形刷单元，所述环形刷单元设置在所述环形切削单元的径向外部并且包括所述刷。

3.根据权利要求1所述的毛刺移除单元，其中在搅拌摩擦焊操作期间，所述环形内边缘的一部分与所述搅拌摩擦焊工具的后边缘对准。

4.根据权利要求1所述的毛刺移除单元，其中所述至少部分为环形的刀片相对于所述搅拌摩擦焊焊头是固定的，并且定位成刮擦在所述搅拌摩擦焊操作期间产生的塑化区域的顶部。

5.根据权利要求4所述的毛刺移除单元，其中所述毛刺移除单元还包括所述搅拌摩擦焊工具，其中所述搅拌摩擦焊工具相对于所述搅拌摩擦焊焊头旋转。

6.根据权利要求1所述的毛刺移除单元，还包括：

流动路径，所述流动路径延伸通过所述环形本体并且引导由所述至少部分为环形的刀片移除的毛刺远离所述毛刺捕获区域。

7.根据权利要求6所述的毛刺移除单元，其中：

所述环形切削单元限定一个或多个第一开口；并且

所述环形本体限定一个或多个第二开口，其中所述一个或多个第一开口以及所述一个或多个第二开口限定所述流动路径。

8.一种适用于搅拌摩擦焊(FSW)焊头的毛刺移除单元，包括：

环形切削单元，所述环形切削单元具有顶部和底部，所述底部包括环形内边缘和外边缘；

部分为环形的刀片，所述部分为环形的刀片围绕所述环形切削单元的所述底部的所述环形内边缘的至少一部分延伸，其中所述环形切削单元固定到所述搅拌摩擦焊焊头，以使得在所述搅拌摩擦焊焊头的搅拌摩擦焊操作期间，所述部分为环形的刀片相对于所述搅拌摩擦焊焊头是固定的，并使得所述部分为环形的刀片定位成尾随所述搅拌摩擦焊焊头中所包括的搅拌摩擦焊工具并且将在搅拌摩擦焊操作期间由所述搅拌摩擦焊工具产生的毛刺从焊缝切除；以及

刷单元，所述刷单元包括：

环形本体，所述环形本体围绕所述部分为环形的刀片限定了毛刺捕获区域；以及

刷，所述刷与所述部分为环形的刀片纵向对准并且构造成将由所述部分为环形的刀片移除的毛刺至少暂时地保持在所述毛刺捕获区域内。

9.根据权利要求8所述的毛刺移除单元，还包括：

一个或多个开口，所述一个或多个开口形成在所述切削单元中并且构造成引导从焊缝切除的毛刺远离焊缝。

10.根据权利要求8所述的毛刺移除单元，其中所述部分为环形的刀片围绕整个所述环形内边缘延伸。

11.一种搅拌摩擦焊(FSW)焊头，包括：

焊头壳体，所述焊头壳体从顶端延伸到底端；

轴杆，所述轴杆与所述焊头壳体同轴并且能够在所述焊头壳体内旋转，所述轴杆包括延伸超出所述焊头壳体并且支撑搅拌摩擦焊工具的端部；以及

环形毛刺移除单元，所述环形毛刺移除单元包括：

切削单元，所述切削单元限定与所述端部同心的环形内边缘，所述环形内边缘限定一个或多个第一开口以及至少部分为环形的刀片，所述至少部分为环形的刀片在所述搅拌摩擦焊焊头的搅拌摩擦焊操作期间将由所述搅拌摩擦焊工具产生的毛刺移除，其中所述环形毛刺移除单元围绕所述搅拌摩擦焊工具限定毛刺捕获区域，并且将所移除的毛刺至少暂时地保持在所述毛刺捕获区域内；以及

刷单元，所述刷单元具有一个或多个第二开口，其中所述一个或多个第一开口以及所述一个或多个第二开口限定流动路径，所述流动路径构造成将所移除的毛刺从所述毛刺捕获区域引导到所述毛刺移除单元的外部。

12.根据权利要求11所述的搅拌摩擦焊焊头，其中所述切削单元为环形切削单元，所述刷单元为环形切削单元；并且

所述环形刷单元设置在所述环形切削单元的径向外部并且还限定所述毛刺捕获区域。

13.根据权利要求12所述的搅拌摩擦焊焊头，其中所述至少部分为环形的刀片沿着所述环形内边缘的至少一部分延伸。

14.根据权利要求12所述的搅拌摩擦焊焊头，其中所述至少部分为环形的刀片与搅拌摩擦焊工具的底部纵向间隔开，以使得在所述搅拌摩擦焊工具穿透工件或接头以进行搅拌摩擦焊操作时所述至少部分为环形的刀片刮擦所产生的焊缝的顶部。

15.根据权利要求14所述的搅拌摩擦焊焊头，其中所述环形毛刺移除单元还包括：

刷，所述刷与所述至少部分为环形的刀片纵向对准并且构造成将所移除的毛刺至少暂时地保持在所述毛刺捕获区域内。

16.根据权利要求11所述的搅拌摩擦焊焊头，其中所述搅拌摩擦焊焊头包括固定肩部式搅拌摩擦焊焊头。

17.根据权利要求11所述的搅拌摩擦焊焊头，其中所述搅拌摩擦焊焊头包括旋转肩部式搅拌摩擦焊焊头。

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