CN113618227B - 摩擦搅拌焊接组件及摩擦搅拌焊接加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摩擦搅拌焊接组件及摩擦搅拌焊接加工方法，其中，摩擦搅拌焊接加工方法包括：提供一摩擦搅拌焊接组件，包含：二金属板件，每一金属板件具有一焊接区；以及一固定件，供置入二金属板件，使其局部位于二焊接区，以固定相邻叠置的二金属板件；其中，固定件的局部可借由摩擦搅拌焊接加工与二焊接区熔融；将二金属板件的二焊接区彼此相邻且相对叠置；将固定件置入二金属板件，且其局部触及二焊接区，使二金属板件相互固定；以及进行摩擦搅拌焊接加工，固定件的局部与二焊接区皆于摩擦搅拌焊接加工后熔融结合。

Description

摩擦搅拌焊接组件及摩擦搅拌焊接加工方法

技术领域

本发明是有关于一种摩擦搅拌焊接加工技术，特别是有关于一种能简易固定与定位层叠的二金属板件的摩擦搅拌焊接组件及摩擦搅拌焊接加工方法。

背景技术

摩擦搅拌积层制造（Friction Stir Additive Manufacturing, FSAM）为摩擦搅拌焊接与积层制造两项加工技术的结合，其利用多道次摩擦搅拌焊接加工将叠合的上下两层板材焊合，并视需求重复多次堆栈焊合成形。

进行摩擦搅拌焊接时，摩擦搅拌焊接工具作用于工件上的下压力及轴向扭力均非常的大，需以夹治具压持工件使其稳固，摩擦搅拌焊接加工方能顺利进行。然而，压持工件的夹治具会妨碍摩擦搅拌焊接工具进行，也就是说，工件受夹治具压持的区域无法进行摩擦搅拌焊接加工。这将使得受夹治具压持的区域的材料无法有效利用，积层后还需将此区域的材料削除，造成材料浪费。再则，板材积层高度越高，需具备刚性更佳的夹治具以克服搅拌工具的轴向扭力，增加夹治具设计的难度与制作成本。此外，在积层制造时，上下料需先组设和卸除夹治具，作业时间长，大幅降低设备稼动率。

此外，已知摩擦搅拌焊接加工亦有以点焊方式将两工件定位与固定，点焊虽有操作简便与经济的优势，但点焊会将热导入工件，极易造成工件变形，使层叠的工件无法彼此贴合，将导致接合上的缺陷，影响积层制造质量。

以上所述的现有夹治具的缺点，不利于摩擦搅拌焊接加工与摩擦搅拌积层制造的发展，因此，有需要提供新的摩擦搅拌焊接组件及摩擦搅拌焊接加工方法，以解决前述的问题。

发明内容

本发明的一目的是提供一种摩擦搅拌焊接组件与一种摩擦搅拌焊接加工方法，借由一固定件固定与定位层叠的二金属板件，以降低对层叠的二金属板件进行摩擦搅拌焊接加工的作业时间与成本。

本发明的另一目的是提供一种摩擦搅拌焊接组件与一种摩擦搅拌焊接加工方法，借由一固定件固定与定位层叠的二金属板件，以提升对层叠的二金属板件进行摩擦搅拌焊接加工的有效积层面积与材料利用率。

本发明的又一目的是提供一种摩擦搅拌焊接组件与一种摩擦搅拌焊接加工方法，借由一固定件固定与定位层叠的二金属板件，以提升对层叠的二金属板件进行摩擦搅拌焊接加工的质量。

依据上述的目的，本发明提供一种摩擦搅拌焊接组件，包含：二金属板件，每一金属板件具有一焊接区；以及一固定件，供置入前述二金属板件，使其局部位于二焊接区，以固定相邻叠置的二金属板件；其中，固定件的局部能够借由摩擦搅拌焊接加工与二焊接区熔融。

依据上述的目的，本发明更提供一种摩擦搅拌焊接加工方法，其步骤包括：提供如前述的摩擦搅拌焊接组件；将二金属板件的二焊接区彼此相邻且相对叠置；将固定件置入二金属板件，且其至少局部触及二焊接区，使二金属板件相互固定；以及进行摩擦搅拌焊接加工，使固定件的局部与二焊接区皆于摩擦搅拌焊接加工后熔融而结合。

本发明能借由将一固定件的局部置入层叠的二金属板件的焊接区以固定与定位二金属板件，并于进行摩擦搅拌焊接加工时，使固定件的局部与二焊接区皆于摩擦搅拌焊接加工后熔融而结合，省却夹治具开发设计、组设拆卸等作业时间与成本，且固定件的设置不会妨碍摩擦搅拌焊接工具进给，可提升有效积层面积与材料利用率，更能使层叠的工件能彼此贴合，确保积层制造的质量。

附图说明

图1 为本发明的摩擦搅拌焊接加工方法第一实施例的步骤流程图；

图2A~2G 为本发明的摩擦搅拌焊接加工方法第一实施例的施作示意图；

图3A~3F 为本发明的摩擦搅拌焊接加工方法第二实施例的施作示意图；

图4 为本发明以固定件固定二金属板件另一施作态样的示意图。

附图中的符号说明：

1 积层工件；

10、 20 摩擦搅拌焊接组件；

11、11'、21、31 金属板件；

12、12'、22、32 金属板件；

111、111'、211、311 焊接区；

121、121'、221、321 焊接区；

1111、2111 焊接区的中间区域；

1211、2211 焊接区的中间区域；

13、13'、23、33 固定件；

212、222 孔洞；

40 摩擦搅拌焊接工具；

S10 ~S40 步骤。

具体实施方式

为让本发明的目的、特征以及特点能更明显易懂，配合附图将本发明相关实施例详细说明如下：

图1为本发明的摩擦搅拌焊接加工方法第一实施例的步骤流程图，图2A~2G为本发明的摩擦搅拌焊接加工方法第一实施例的施作示意图。请一并参考图1与图2A~2G，本发明第一实施例的摩擦搅拌焊接加工方法步骤如下：

请参考图2A，提供摩擦搅拌焊接组件步骤S10：摩擦搅拌焊接组件10包含二金属板件11、12和至少一固定件13。每一金属板件具有一焊接区111、121，固定件13供置入二焊接区111、121以固定相邻叠置的二金属板件11、12，其中，固定件13的材质可借由摩擦搅拌焊接加工与二金属板件11、12融合的材料。固定件13的材质可选择为铝基金属、镁基金属、铜基金属、铁基金属或钛基金属。较佳地，固定件13的材料刚性分别大于二金属板件11、12的材料刚性。在本实施例中，固定件13为一自冲铆钉。自冲铆钉具有容易取得、价格低廉以及易于操作的优点。

本实施例的固定件13数量为4，但本发明的实施并不以此为限。固定件设置的数量会与摩擦搅拌焊接工具所施加的作用力、固定件的材质、固定件的尺寸、固定件设置的位置、二金属板件的摩擦系数等有关，可借力学分析求得。

请参考图2B，叠置二金属板件步骤S20：首先，将下层的金属板件11放置于一工作台面（未绘示），并加以固定。再将上层的金属板件12叠置于下层的金属板件11之上，并使该二焊接区111, 121彼此相邻且相对叠置。在本实施例中，以压板、螺栓以及螺帽等将下层的金属板件11固定于工作台面（未绘示），而压板是压抵于下层的金属板件11的焊接区111以外的区域，以免妨碍后续摩擦搅拌焊接加工。然而，能将下层的金属板件11固定于工作台面的技术手段相当众多，本发明的实施并不以此为限。

请参考图2C，以固定件固定二金属板件步骤S30：将固定件13置入于二焊接区111、121，二金属板件11、12受到固定件13的拘束后，便能相互固定与定位，在后续进行摩擦搅拌焊接加工时不会因摩擦搅拌的作用力产生相对运动。当固定件13为一自冲铆钉时，固定件13可自上层的金属板件12朝下层的金属板件11的方向直接打入上层金属板件12的焊接区121，使自冲铆钉的钉脚刺穿上层金属板件12的焊接区121而停留在下层金属板件11的焊接区111内部，钉脚亦在冲入金属板件过程中产生变形，二金属板件11、12之间因而无法相对运动而固定。较佳地，自冲铆钉打入二金属板件11、12后，其顶面与上层的金属板件12的上表面齐平，以免妨碍后续摩擦搅拌焊接工具进行摩擦搅拌焊接加工。相对以已知夹治具固定二金属板件而言，以自冲铆钉固定二金属板件可大幅省去架设与夹持所耗费的时间，使固定与定位层叠的二金属板件更为简易。相对以点焊固定二金属板件而言，层叠的板件不会因热影响而变形，能彼此贴合，确保积层制造的质量。

请参考图2D，将固定件13置入于二金属板件11、12时，较佳地，至少一固定件13设置于二焊接区111、121各自的中间区域1111、1211内。如此可避免摩擦搅拌焊接时，因为加工应力造成二焊接区111、121的中间区域1111、1211有翘曲的问题。在本申请中，中间区域1111、1211指二焊接区111、121各自相对靠近中间的区域，且各中间区域1111、1211的面积相对各焊接区111、121的面积的比值为三分之二。

请参考图2E，进行摩擦搅拌焊接步骤S40：以一摩擦搅拌焊接工具40对二焊接区111、121进行摩擦搅拌焊接加工，使二焊接区111、121熔融而结合。进行摩擦搅拌焊接时，摩擦搅拌焊接工具40会对二金属板件11、12施加相当大的作用力（下压力及轴向扭力），本发明的固定件13，自冲铆钉，能在摩擦搅拌焊接工具40施加作用力时，使二金属板件11、12不产生相对运动，而达到固定的功效。而行摩擦搅拌焊接时，位于二焊接区111、121内的固定件13亦会受到摩擦搅拌焊接工具40的摩擦搅拌，由于固定件13的材质为可借由摩擦搅拌焊接加工与二金属板件11、12融合的材料，固定件13在摩擦搅拌焊接加工后，会与二焊接区111、121熔融在一起，并使二金属板件11、12接合以形成一积层工件1参考图2F。由于固定件13在摩擦搅拌焊接加工后，会与二焊接区111、121熔融在一起，因而省去了夹治具拆卸的时间，大幅提升工作效率。

在一实施例中，固定件13与二金属板件11、12的材料不同，固定件13经摩擦搅拌焊接工具40的摩擦搅拌后与二焊接区111、121熔融，而分别在二焊接区111、121内形成具明暗交错纹路的洋葱环结构。在一实施例中，固定件13与二金属板件11、12的材料不同，且具有多个彼此相间隔设置的固定件13，经摩擦搅拌焊接后，二焊接区111、121内会间隔地分布固定件13的材料。

请参考图2G，在完成摩擦搅拌焊接步骤S40后，可更重复步骤S10～S40，在积层工件111'上再叠置另一金属板件12'，并置入固定件13'，使金属板件12'固定于积层工件111'上，再以摩擦搅拌焊接工具40对二焊接区111'、121'进行摩擦搅拌焊接，固定件13'与二焊接区111'、121'在摩擦搅拌焊接加工下熔融在一起，使金属板件12'接合于积层工件111'上。金属板件可如上述步骤逐一堆栈接合而形成所需的积层工件。

图3A~3F为本发明的摩擦搅拌焊接加工方法第二实施例的部分施作示意图。本发明的摩擦搅拌焊接加工方法第二实施例的步骤大致与第一实施例相同。请一并参考图1与图3A，在本实施例提供摩擦搅拌焊接组件步骤S10中，摩擦搅拌焊接组件20同样包含二金属板件21、22和一固定件23。与第一实施例不同之处在于，本实施例的固定件23为一销，销的横截面形状可为圆形或多边形。同样地，销具有容易取得、价格低廉以及易于操作的优点。

本实施例的固定件23数量为4，但本发明的实施并不以此为限。固定件设置的数量会与摩擦搅拌焊接工具所施加的作用力、固定件的材质、固定件的尺寸、固定件设置的位置、二金属板件的摩擦系数等有关，可借力学分析求得。

请参考图3B-1与3B-2，在本实施例提供摩擦搅拌焊接组件步骤S10中，可更包含一孔洞成形步骤：分别于二焊接区211、221相对应的位置各自形成孔洞212、222，供后续以固定件固定二金属板件步骤S20中将固定件23嵌入于二焊接区211、221以固定二金属板件21、22。在本实施例中，二孔洞212、222各自贯穿二金属板件21、22。二孔洞212、222的形状与销的横截面形状相对应。孔洞212、222的数量亦与销的数量相对应。较佳地，二孔洞212、222的直径小于销的直径，销与二孔洞212、222的组设为紧配干涉配合能使二金属板件21、22获得较佳的定位与固定效果。

请参考图3C-1与3C-2，在一实施例中，为了避免摩擦搅拌焊接的应力造成二焊接区211、221的中间区域产生翘曲，至少二孔洞212、222各自形成于二焊接区211、221的中间区域2111、2211内，供后续以固定件固定二金属板件步骤S20中将固定件23嵌入于二焊接区211、221的中间区域2111、2211内，以固定二金属板件21、22。中间区域的定义已公开于前一实施例，于此不再重复。

请参考图3D，在本实施例的叠置二金属板件步骤S20中，先将下层的金属板件21放置并固定于一工作台面（未绘示）上。再将上层的金属板件22叠置于下层的金属板件21之上，使二焊接区211、221彼此相邻且相对叠置，并使位于二焊接区211、221的二孔洞212、222相对且连通。

请参考图3E，在本实施例的以固定件固定二金属板件步骤S30中，将固定件23，销，嵌入位于二焊接区211、221的二孔洞212、222中，二金属板件21、22受到固定件23的拘束后，便能相互固定。销可自上层的金属板件22往下层的金属板件21的方向直接打入上层金属板件22的孔洞222，而嵌入连通的二孔洞212、222中，使二金属板件21、22之间无法相对运动而定位与固定。较佳地，销嵌入连通的二孔洞212、222后，其顶面与上层的金属板件22的上表面齐平，以免妨碍后续摩擦搅拌焊接工具进行摩擦搅拌焊接加工。相同地，以销固定二金属板件21、22可大幅省去已知夹治具架设与夹持所耗费的时间，使固定与定位层叠的二金属板件更为简易。层叠的板件也不会因热影响而变形，能彼此贴合，确保积层制造的质量。

本实施例的进行摩擦搅拌焊接步骤S40与第一实施例相同，在此不再重复叙述。请参考图3F，相同地，由于固定件23，销，其材质为可借由摩擦搅拌焊接加工与二金属板件21、22融合的材料，固定件23在摩擦搅拌焊接加工后，会与二焊接区211、221熔融在一起，并使二金属板件21、22接合以形成一积层工件。由于固定件23在摩擦搅拌焊接加工后，会与二焊接区211、221熔融，因而省去了夹治具拆卸的时间，大幅提升工作效率。

在前公开的第一与第二实施例的以固定件固定二金属板件步骤S30中，固定件皆设置于二焊接区内请参考图2C与图3E，但本发明的实施并不以此为限。请参考图4，在其他应用上，在以固定件固定二金属板件步骤S30中，亦可仅使固定件33的局部设置于二焊接区311、321内，其余部分不在二焊接区311、321内。换言之，在固定二金属板件31、32时，固定件33仅局部触及二焊接区311、321，其余部分并未触及二焊接区311、321；如此，同样能固定与定位二金属板件31、32。在进行摩擦搅拌焊接步骤S40时，固定件33位于二焊接区311、321内的局部亦会受到摩擦搅拌焊接工具的摩擦搅拌，而与二焊接区311, 321熔融结合。

本发明具有下列功效：

1. 本发明的固定件容易取得，固定二金属板件之施作简易；

2. 能节省夹治具设计制造、组设拆卸等作业成本与时间；

3. 可提升工件有效积层面积与材料利用率；

4. 层叠的工件能彼此贴合，确保积层制造的质量。

综上所述，仅记载本发明为呈现解决问题所采用的技术手段的较佳实施方式或实施例而已，并非用以限定本发明专利实施的范围。即凡与本发明专利申请范围文义相符，或依本发明专利范围所做的均等变化与修饰，皆为本发明专利范围所涵盖。

Claims (11)

1.一种摩擦搅拌焊接组件，其特征在于，包含：

两个金属板件，每一个金属板件都具有一个焊接区；以及

固定件，供置入所述两个金属板件，使其局部位于所述两个金属板件的焊接区，以固定相邻叠置的所述两个金属板件；

其中，所述固定件的所述局部能够借由摩擦搅拌焊接加工与所述两个金属板件的焊接区熔融。

2.如权利要求1所述的摩擦搅拌焊接组件，其特征在于，所述固定件的材料刚性分别大于所述两个金属板件的材料刚性。

3.如权利要求1所述的摩擦搅拌焊接组件，其特征在于，所述固定件为自冲铆钉。

4.如权利要求1所述的摩擦搅拌焊接组件，其特征在于，所述两个金属板件的焊接区相对应的位置分别包含孔洞或孔洞的局部，以供所述固定件容置。

5.如权利要求4所述的摩擦搅拌焊接组件，其特征在于，所述两个金属板件的孔洞的直径小于所述固定件的直径。

6.如权利要求1、4或5中任一项所述的摩擦搅拌焊接组件，其特征在于，所述固定件为销。

7.一种摩擦搅拌焊接加工方法，其特征在于，包含下列步骤：

提供如权利要求1所述的摩擦搅拌焊接组件；

将所述两个金属板件的焊接区彼此相邻且相对叠置；

将所述固定件置入所述两个金属板件，且其局部触及所述两个金属板件的焊接区，使所述两个金属板件相互固定；以及

进行摩擦搅拌焊接加工，所述固定件的所述局部与所述两个金属板件的焊接区皆于摩擦搅拌焊接加工后熔融而结合。

8.如权利要求7所述的摩擦搅拌焊接加工方法，其特征在于，所述固定件为自冲铆钉，在以所述固定件固定所述两个金属板件的步骤中，将所述自冲铆钉自上层的金属板件朝向下层的金属板件的方向直接打入所述上层的金属板件的所述焊接区，使所述自冲铆钉的钉脚刺穿所述上层的金属板件的所述焊接区而停留在所述下层的金属板件的所述焊接区。

9.如权利要求7所述的摩擦搅拌焊接加工方法，其特征在于，在叠置所述两个金属板件之处更包含孔洞成形步骤，分别于所述两个金属板件的焊接区相对应的位置各自形成孔洞，以供所述固定件容置。

10.如权利要求9所述的摩擦搅拌焊接加工方法，其特征在于，在叠置所述两个金属板件的步骤中，使所述两个金属板件的焊接区彼此相邻且相对叠置，并使所述两个金属板件的孔洞相对且连通；所述固定件为销，在以所述固定件固定所述两个金属板件的步骤中，将所述销嵌入所述两个金属板件的孔洞中。

11.如权利要求7所述的摩擦搅拌焊接加工方法，其特征在于，所述固定件的材质与所述两个金属板件的材质不同时，在摩擦搅拌焊接后，所述固定件会与所述两个金属板件的焊接区熔融，而在所述两个金属板件的焊接区内分别形成明暗交错的纹路。

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