CN112292228A - 头部件，焊接工具和焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种头部件(3)和一种配备有该头部件的焊接工具(1)、特别是FSW工具，以及一种焊接方法。头部件(3)具有用于塑化用焊接装置(2)、特别是转动的焊针的通道开口(4)。头部件(3)还具有在焊接操作中面向工件(7，8)的轮廓化的端侧(13)，该端侧具有不同高度的端侧区域(14，15)和倾斜肩部(17)，该肩部引导工件(7，8)的被塑化的材料并且连接所述端侧区域(14，15)。

Description

头部件，焊接工具和焊接方法

技术领域

本发明涉及具有方法和装置独立权利要求的前序部分中所述特征的一种头部件，一种焊接工具、特别是FSW工具，以及一种焊接方法、特别是FSW方法。

背景技术

由实践中已知这种用于搅拌摩擦焊接的FSW工具和FSW方法。这种搅拌摩擦焊接也被称为摩擦搅拌焊(friction-stir-welding，缩写为FSW)。在下文中将使用缩写FSW来代表搅拌摩擦焊接。

发明内容

本发明的目的在于提出一种改进的焊接技术、特别是FSW技术。

本发明的目的通过方法和装置独立权利要求中的特征来实现。

请求保护的焊接技术、特别是FSW技术，即头部件、焊接工具和焊接方法以及由此产生的焊接部，具有各种优点。利用该焊接技术，在焊缝处具有高度差的工件，例如彼此叠置的、具有搭接接头的工件或者不同厚度的、具有对接接头的工件，可以比以前被焊接得更好，更可靠，特别是FSW焊接。

焊接的质量和强度可以提高。此外，工件之间的缝隙可以通过例如倾斜的焊接过渡区域来密封地封闭。这对于彼此叠置的工件的搭接是特别有利的。这种密封的缝隙封闭能够防止缝隙腐蚀或其它腐蚀性的或其它不利的环境影响。特别有利的是还存在如下的可能：即，在靠近工件边缘的搭接处对相互叠置的工件进行焊接。此外，所述的焊接过渡区域也有利于在这种边缘区域中的焊接部的强度和有利的结构形成。此外，这种倾斜的过渡区域在应力技术方面也是有利的。

在本发明的一种实施方式中，用于焊接工具、特别是FSW工具的头部件配设有用于塑化用焊接装置、特别是旋转的焊针的通道开口，其中，头部件具有在焊接操作中面向工件的轮廓化的端侧，该端侧具有不同高度的端侧区域。这些端侧区域不同程度地突出于端侧或端面。

一倾斜的肩部连接这些不同高度的端侧区域，并且可以在焊接过程中引导工件的被焊接装置塑化的材料。该倾斜的肩部还弥补了这些端侧区域的高度差。该肩部优选地横向于焊接进给方向定向，并在此具有相应于所述高度差的倾斜的定向或者说倾斜。这种倾斜肩部的设计和布置存在多种不同的选择。

在一个实施例中，该倾斜的肩部被布置在头部件的通道开口的区域中，在所述的端侧区域上并且是在通道开口在那里的出口处。该倾斜的肩部可以特别是沿焊接进给方向看布置在通道开口的后部区域中。据此，在一种实施方式中，该倾斜的肩部可以具有基本上笔直的延伸，并在必要时在后部与通道开口间隔开。

在一种特别有利的实施方式中，该倾斜的肩部被构造为弧形的，并且在其沿焊接进给方向看位于后面的区域中是呈半环形或半圆形地围绕通道开口。在此，该倾斜的肩部可以直接连接到通道开口的边缘。开口边缘在此可以同时是肩部边缘。

该倾斜的肩部可以具有肩部面、特别是弧形面，其具有升高部

在此，肩部面或弧形面可以从其前面的且面向通道开口的边缘开始向后下降。通过该升高部，前肩部边缘可以形成一种空间沿，用于在焊接工具的头部件与待焊接的工件之间相对运动期间影响和引导被塑化的材料。

在另一种实施方式中，头部件的不同高度的端侧区域可以从通道开口开始沿焊接进给方向延伸。在此，它们也可具有平坦的表面。在一种实施方式中，该轮廓化的端侧具有两个不同高度的端侧区域。端侧区域的数量也可以大于两个。所述的端侧区域的高度差关系到头部件的端侧的主平面上的法线方向。该方向可以与通道开口在端侧上的出口处的轴线重合。通过这些不同高度的端侧区域，头部件可以被平放在工件上或者与工件紧密相邻。当工件在焊接接头处具有不同的高度时，这是特别有利的。

在不同高度的端侧区域之间可以构造直的台阶部。该台阶部可以大约居中地从通道开口的前边缘出发并沿焊接进给方向延伸。该直的台阶部可以形成焊接工具及其头部件在焊接进给过程中运动的引导沿。这在焊接过程中简化并改善了对焊接工具的精确引导，并提高了焊接质量。在焊接进给过程中，焊接工具可以垂直于工件表面定向。替代地，焊接工具也可以沿进给方向倾斜地定向，其中，例如焊接装置的尖端引出。

端侧区域的高度差或者直的台阶部的高度可以适配于待焊接工件的高度差。在此，工件可以相互叠置并且利用搭接接头焊接。另一方面，不同厚度的工件可以对接并在对接接头中被焊接。这种适配可以包括高度差的一致或近似。

请求保护的头部件是技术上和经济上独立的单元。它可以在焊接工具中被固定地或可拆卸地布置。在首次装备焊接工具时，头部件可以存在。如果需要，它也可以被改装或加装在焊接工具上，例如，以替换另一个现有的头部件。

请求保护的焊接工具、特别是FSW工具，具有塑化用焊接装置，特别是旋转的焊针，并且请求保护的头部件具有用于焊接装置的通道开口。与作为FSW工具的优选实施方式不同，该焊接工具也可以被不同地设计并且具有另一塑化用焊接装置。这例如可以是根据通道开口取向的高能射束、防蚀针等。头部件也可以成功地用于其它类型的焊接工具。

在一种技术实施方式中，头部件被抗扭地布置在焊接工具上。据此，在FSW焊接工具中，焊针在头部件中转动，并在必要时还能够被布置为轴向可移动的。

焊接工具还可以具有其它所需的组件，例如，用于旋转的焊针或其它的塑化用焊接装置的驱动器，用于塑化用焊接装置、特别是旋转的焊针的保持件，以及用于操作装置的接口。

优选地，操作装置可以是多轴的并且特别是触觉的工业机器人。这种工业机器人优选地具有四个、五个或更多个可控驱动的机器人轴。触觉工业机器人可以具有对应的传感装置，用于记录外部载荷。该传感装置可以是布置在焊接工具与操作装置、特别是工业机器人的从动元件之间的传感装置。在一种优选的实施方式中，触觉工业机器人具有集成的传感装置。其可以在机器人轴上具有记录载荷的传感器。这些传感器可以特别是力传感器或力矩传感器。此外，在机器人轴上还可以布置位移传感器或其它的传感器。由请求保护的焊接工具和操作装置、特别是所述的多轴触觉工业机器人组成的焊接设备同样可以是本发明的主题。

头部件可以可更换地布置在焊接工具上。在此，其可被构造为用于具有变换的高度差的不同待焊接工件的适配器。头部件可以被以合适的方式可拆卸地紧固在焊接工具上，例如通过螺纹连接或卡口连接。有利的是一种连接技术，其能够使头部件相对于所提供的和在必要时被编程的焊接进给方向实现精确的旋转定向。焊接工具可以装配不同的头部件或适配器的套件。由此可以快速且简单地适配于不同的工件条件和工艺条件。

本发明还涉及一种由利用请求保护的焊接方法、特别是FSW方法焊接的工件制成的焊接件。该焊接件具有所述的优点，即，最初存在于待焊接工件之间的缝隙可以由焊缝处的焊接过渡区域密封地封闭。在此，该焊接过渡区域可以优选地具有倾斜的设计。由此，在搭接中彼此叠置的工件之间或者在对接中彼此对接的工件之间的跃变点或台阶部可以通过焊缝来填充。

本发明的其它优选的实施方式在从属权利要求中给出。

附图说明

在附图中示例性和示意性地示出了本发明。其中：

图1和图2以不同的侧视图示出了用于焊接工具的头部件；

图3示出了根据图2的剖面线Ⅲ-Ⅲ穿过头部件的剖视图；

图4示出了头部件的另一剖视图；

图5和图6示出了头部件及其端侧的不同的透视图；

图7和图8示出了头部件的俯视图和侧视图；

图9示出了在端侧穿过上头部件区域的另一个且被放大的剖视图；和

图10示出了彼此叠置的工件之间已焊接的搭接接头，其具有倾斜的焊接过渡区域。

具体实施方式

本发明涉及一种用于焊接工具(1)、特别是FSW工具的头部件(3)。本发明还涉及该焊接工具(1)、特别FSW工具以及相关的焊接方法、特别是FSW方法。本发明还涉及一种利用该方法制造的焊接件。

图1至图9以不同的视图示出头部件(3)。头部件(3)可以是焊接工具(1)、特别FSW工具的可拆卸的组件。在附图中仅示意性地示出了焊接工具(1)。

焊接工具(1)除了头部件(3)之外还具有用于将工件(7，8)塑化的焊接装置(2)以及其它的组件。在所示出的用于摩擦搅拌焊接的实施方式中，焊接装置(2)是被示意性示出的旋转的焊针，该焊针被可转动地并在必要时也可沿轴向调节地安装在合适的保持件(未示出)中。所述其他的组件可以是转动驱动器，必要时也可以是用于焊接装置(2)的进给驱动器，控制器等。

焊接工具(1)可以由未示出的操作装置沿着焊接进给方向(6)相对于两个或者更多个待焊接的工件(7，8)沿着焊接路径运动和引导。在此，焊接工具(1)可以相对于静止的工件(7，8)运动。替代地，运动学上的反转或双方的相对运动是可能的。操作装置可以例如是上述的多轴工业机器人，优选是触觉工业机器人。焊接工具(1)可以具有合适的接口，用于在操作装置上的紧固，必要时也用于所需生产资料的供应。

工件(7，8)可以例如被构造为金属板。在图10中，它们例如形成容器法兰，其被密封地并且至少对外耐腐蚀地焊接。在图1至图3中示出了例如拼焊板(tailor-welded-blank)。

在附图中示出了工件(7，8)和焊接接头(9)的各种焊接布置。图1至图3示出了位于不同厚度的工件(7，8)的端侧之间的对接接头。图10示出了两个彼此叠置的工件(7，8)的搭接接头。在这两种变型中，在厚的或上面的工件(8)与薄的或下面的工件(7)之间形成台阶部。

焊接装置(2)指向工件(7，8)的接头处或者说焊接接头(9)。其例如根据图1和图10所示地在两个工件(7，8)各自的边缘上对它们加载。在此，可以例如产生不同的工具覆盖，其中，在厚的或上面的工件(8)上的覆盖较大。

工件(7，8)可以由相同或不同的材料构成，特别是由金属构成。在所示出的示例中，它们例如分别由轻金属合金(例如铝合金)制成。替代地，也可以是被不同熔化或塑化的材料对，例如轻金属合金和钢。

在附图中示出的头部件(3)具有用于焊接装置(2)的、优选在中心的通道开口(4)和在焊接操作中面向工件(7，8)的端侧(13)或端面。该通道开口(4)在端侧(13)上开口。头部件(3)例如可以具有在图3和图4的剖视图中示出的中空体形状，并且可以通过螺纹连接、插接或卡口连接或者以其它合适的方式与焊接工具(1)的组件可拆卸地连接。替代地，也可以是持久固定的连接。

焊接工具(1)和头部件(3)在附图中是垂直于或者说是沿待焊接工件(7，8)的主平面或表面的法线方向定向。同样，通道开口(4)与其中心轴线(5)也具有这样的定向。轴线(5)也可以是头部件(3)的中心轴线。轴线(5)垂直于焊接进给方向(6)地定向。

在所示出的实施方式的变型中，焊接工具(1)和头部件(3)能够以相对于焊接进给方向(6)稍微倾斜和以相对于所述法线方向例如约2°的所谓刺入角度相对于工件(7，8)定向。在此，焊接装置(2)的作用于工件(7，8)上和焊接接头(9)上的尖端可以沿焊接进给方向(6)引出。

头部件(3)具有轮廓化的端侧(13)，该端侧具有不同高度的端侧区域(14，15)。这些端侧区域(14，15)在此是从端侧(13)或其主平面不同程度地伸出。这些端侧区域(14，15)具有在图3和图8中示出的高度差(h)。该高度差(h)可以沿轴线(5)的方向定向。

头部件(3)具有倾斜的肩部(17)，该肩部连接不同高度的端侧区域(14，15)。该肩部(17)弥补了高度差并且引导了工件的在焊接过程中被塑化的材料。由此，可以在焊缝(11)上形成在图10中示出的位于工件(7，8)之间的焊接过渡区域。

焊接装置(2)更早地并且在必要时更强烈地加载于厚的或上面的工件(8)，在此，其材料被更多地塑化和挤出。因此，工件(7，8)之间的所述的台阶部是由所引导的塑化材料和焊接过渡区域(12)填充。在此，焊接过渡区域(12)可以具有倾斜的延伸。

在搭接接头的另一种变型中，其中工件(7，8)彼此平齐地叠置，焊接过渡区域可以以其它的方式构成，例如为帽状的。

通过焊接过渡区域(12)，可能将待焊接工件(7，8)之间存在的缝隙(10)(见图10)密封地封闭。

如图1至图9所示，倾斜的肩部(17)被布置在通道开口(4)的区域中。它沿焊接进给方向(6)看是位于通道开口(4)的后部区域。在所示出的实施例中，倾斜的肩部(17)被构造为弧形的，并且在通道开口(4)的后部区域半环形地围绕通道开口(4)，或者在圆形通道开口(4)的情况下半圆形地围绕通道开口(4)。

在所示出的实施方式中，倾斜肩部(17)具有一表面或弧形面(18)。其宽度可以沿弧角保持不变。弧形的肩部(17)沿焊接进给方向(6)看是在背侧直接连接在通道开口(4)上，在此，肩部(17)或者其弧形面(18)的边缘(19)同时是开口边缘。

弧形面(18)可以具有升高部。在此，该升高部从其前边缘(19)开始向后下降。边缘(19)在此是弧形面(18)的沿轴线(5)的方向突出最远的那一部分。

在一种未示出的变型中，倾斜的肩部(17)一方面可以反向于焊接进给方向(6)地与通道开口(4)间隔开。另外，它还可以具有不同的、例如直的延伸，并且可以横向于焊接进给方向(6)地定向。在此，它可以保持其所述的倾斜布置或位置，以引导被塑化的材料。

不同高度的端侧区域(14，15)可以从通道开口(4)开始并且沿焊接进给方向(6)延伸。它们优选地各自具有平坦的表面。图4至图7示出了这种设计。

较高的端侧区域(14)在轴线(5)的高度上齐平地连接在肩部(17)或弧形面(17)的上端部上。在肩部(17)或弧形面(18)的下部连接点处，在较低的端侧区域(14)上可以存在一凹进(20)。

在不同高度的端侧区域(14，15)之间，形成有例如直的台阶部(16)。根据图5至图6，该台阶部大致居中地从通道开口(4)的前边缘处开始并沿焊接进给方向(6)延伸。

根据图4、图5和图9，这些端侧区域(14，15)的表面横向于进给方向(6)看可以被彼此倾斜地定向。该倾斜可以在此例如分别朝台阶部(16)的方向下降。还有可能是使较低的端侧区域(15)的表面相对于法线方向或相对于轴线(5)成直角地定向，而较高的端侧区域(14)的表面以所述方式倾斜。这些表面也可以彼此平行地定向。

头部件(3)可以在上侧具有倾斜下降的切割部(21)。由此，可以暴露出主要与工件(7，8)共同作用的端侧区域(14，15)和倾斜的肩部(17)，并且可以避免在焊接进给期间的约束。头部件(3)可以在面向工件(7，8)的前部区域上具有优选为圆柱形的主体。端侧区域(14，15)沿进给方向(6)终止于主体边缘。

端侧区域(14，15)的所述高度差(h)形成在台阶部(16)上。台阶部壁例如垂直于端侧区域(14，15)的表面延伸，并且可以平行于轴线(5)延伸。

端侧区域(14，15)的高度差(h)可以适配于待焊接工件(7，8)上的高度差(w)。根据图1和图3，在对接的情况下，该高度差(w)可以存在于不同厚度的工件(7，8)上。另一方面，根据图10，对于相互叠置的工件(7，8)，该高度差可以存在于搭接接头处。

在所述适配的情况下，高度差(h)可以与高度差(w)一样大。替代地，其可以接近并且略小于高度差(w)。例如，前述的焊接工具(1)及其轴线(5)以相对于工件(7，8)的刺入角倾斜定向就属于这种情况。由此，还可以使得头部件(3)在上面的或者说较高的工件(8)上与仅一个端侧区域(14，15)、特别是更低的端侧区域(15)实现所定义的更好的贴靠。此外，还可以防止卡在工件(7，8)之间。

头部件(22)还可以具有一个或多个从外壳向内延伸至通道开口(4)的开口(22)。它们可以例如用于排出从通道开口(4)吸入的被塑化的材料。

开口(22)可以在通道开口(4)的边缘上具有基本为圆形的通入口。在头部件(3)或其主体的外侧上，通入口可以更大。其可以例如沿主体的周向延伸一段距离。这对于旋转排出是有利的。在此，定向可以是倾斜于轴线(5)或者是螺钉段状的。开口(22)可以在两侧存在于头部件(3)上，并且可以在通道开口(4)上彼此对置地开口。

在所示出的示例性实施例中，头部件(3)被抗扭地布置在焊接工具(1)上。通过螺纹连接、卡口连接等，头部件(3)可以被可更换地布置在焊接工具(1)上。头部件(3)可以被设计为适配器，用于具有变化的高度差(w)的不同的待焊接工件(7，8)。在此，不同的头部件(3)的端侧区域(14，15)可以具有不同大小的高度差(h)。

在焊接时，焊接工具(1)可以以头部件(3)在焊接接头(9)上沿进给方向(6)被引导。在此，端侧区域(14，15)之间的台阶部(16)可以用作引导沿。其可以在对接中压靠在较厚的工件(8)的端侧上，或者在搭接中压靠在上面的工件(8)的端侧上。这种导向接触可以通过操作装置以合适的力测量来检测，并用于控制或调节进给运动。

焊接工具(1)可以在焊接过程开始时以垂直或倾斜的进给运动从待焊接工件(7，8)的上侧进给到待焊接的工件。利用例如旋转的焊针(2)，可以在此通过对工件材料的塑化而形成起始孔，然后进行焊接进给(6)。在进给时，头部件(3)能够以合适的方式相对于进给方向(6)和焊接接头(9)定向。在此，头部件(3)可以通过焊接工具(1)与操作装置抗扭地联接并且具有已知的转动配属。

在附图中示意性示出了焊接装置(2)。其对于FSW焊接工具来说可以被构造为旋转的、具有合适的工件塑化效果的焊针，例如被设计为圆锥形的尖端。在其它实施方式中，焊接装置(2)可以被不同地设计，并且可以在焊接点处使工件(7，8)塑化。

所示实施方式的变型可以不同的方式实现。不同高度的端侧区域(14，15)的数量和布置是可以变化的，特别是在应焊接两个以上的工件(7，8)时。

附图标记列表

1 焊接工具，FSW工具

2 焊接装置，焊针

3 头部件，适配器

4 通道开口

5 轴线

6 焊接进给方向

7 工件

8 工件

9 焊接接头，搭接接头，对接接头

10 缝隙

11 焊缝

12 焊接过渡区域

13 端侧

14 突出的端侧区域

15 下沉的端侧区域

16 台阶部，引导沿

17 倾斜的肩部

18 弧形面

19 边缘

20 凹进

21 切割部

22 开口

h 端侧区域的高度差

w 工件的高度差。

Claims (16)

1.一种用于焊接工具(1)、特别是FSW工具的头部件，该头部件具有用于塑化的焊接装置(2)、特别是旋转的焊针的通道开口(4)，其中，所述头部件(3)具有在焊接操作中面向工件(7，8)的端侧(13)，其特征在于，所述头部件(3)具有轮廓化的端侧(13)，该端侧具有不同高度的端侧区域(14，15)，其中，用于引导所述工件(7，8)的被塑化的材料的倾斜的肩部(17)连接所述端侧区域(14，15)。

2.根据权利要求1所述的头部件，其特征在于，所述倾斜的肩部(17)在所述通道开口(4)的区域中，特别是沿焊接进给方向(6)看，被布置在所述通道开口(4)的后部区域中。

3.根据权利要求2所述的头部件，其特征在于，所述倾斜的肩部(17)被构造为弧形的，并且在所述通道开口(4)的后部的区域呈半环形地围绕所述通道开口。

4.根据权利要求1、2或3所述的头部件，其特征在于，所述倾斜的肩部(17)的弧形面(18)具有升高部并且从其面向所述通道开口(4)的前边缘(19)开始向后下降。

5.根据前述权利要求中任一项所述的头部件，其特征在于，不同高度的所述端侧区域(14，15)从所述通道开口(4)开始沿所述焊接进给方向(6)延伸并优选地具有平坦的表面。

6.根据前述权利要求中任一项所述的头部件，其特征在于，在不同高度的所述端侧区域(14，15)之间构造直的台阶部(16)，该台阶部从所述通道开口(4)的前边缘开始出发沿所述焊接进给方向(6)大致居中地延伸。

7.根据前述权利要求中任一项所述的头部件，其特征在于，所述端侧区域(14，15)的高度差(h)适配于待焊接的工件(7，8)在焊接接头(9)上的高度差(w)，特别是适配于彼此叠置的工件(7，8)在搭接接头上的高度差(w)。

8.一种焊接工具、特别是FSW工具，具有塑化用的焊接装置(2)，特别是转动的焊针，并且具有头部件(3)，该头部件具有用于所述焊接装置(2)的通道开口(4)，其特征在于，所述头部件(3)根据权利要求1至7中至少一项所述地构造。

9.根据权利要求8所述的焊接工具，其特征在于，所述头部件(3)被抗扭地布置在所述焊接工具(1)上。

10.根据权利要求8或9所述的焊接工具，其特征在于，所述头部件(3)被可更换地布置在所述焊接工具(1)上并被设计为适配器，用于在所述焊接接头(9)、特别是搭接接头上具有变化的高度差(w)的不同的待焊接工件(7，8)。

11.一种焊接方法、特别是FSW方法，用于利用焊接工具(1)、特别是FSW工具来焊接工件(7，8)，所述焊接工具由多轴的、优选为触觉的工业机器人沿着焊接路径引导，其特征在于，所述焊接工具(1)根据权利要求8至10中至少一项所构造。

12.根据权利要求11所述的焊接方法，其特征在于，在焊接接头(9)、特别在搭接接头上具有高度差(w)地在边缘区域处焊接工件(7，8)。

13.根据权利要求11或12所述的焊接方法，其特征在于，在焊接过程中，利用焊接工具(1)的头部件(3)来引导被塑化的材料，其中，在焊缝(11)处，在所述工件(7，8)之间形成优选为倾斜的焊接过渡区域(12)。

14.根据权利要求11、12或13所述的焊接方法，其特征在于，在焊接过程中，通过所述头部件(3)的台阶部(16)沿着所述焊接接头(9)来引导所述焊接工具(1)。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的焊接方法，其特征在于，在焊接过程中，密封地封闭所述工件(7，8)之间的缝隙(10)。

16.一种由工件(7，8)制成的焊接件，所述工件利用焊接方法、特别是FSW方法进行焊接，其特征在于，所述工件(7，8)通过根据权利要求11至15中至少一项所述的焊接方法进行焊接，其中，所述工件(7，8)之间的缝隙(10)在焊缝(11)上由优选为倾斜的焊接过渡区域(12)密封地封闭。

Images