CN114589393A - 摩擦搅拌焊接压持治具系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种摩擦搅拌焊接压持治具系统，适用于一摩擦搅拌焊接设备，摩擦搅拌焊接设备包含主轴系统，主轴系统包含外围的非转动区域与可转动的主轴轴心以及连接主轴轴心的搅拌头，压持治具系统包含：一压持治具邻接于非转动区域，并位于搅拌头旁侧，压持治具具有一基座、一连接基座的线性滑移机构、一设置于线性滑移机构上并分别连接基座的回弹机构，以及设置于线性滑移机构端部的接触部，在搅拌头未接触待接合工件时，接触部的第一表面凸出于搅拌头的第二表面，在进行焊接时，接触部会先下压待接合工件表面，再持续下压并保持压紧状态下进行焊接。

Description

摩擦搅拌焊接压持治具系统

技术领域

本发明为一种摩擦搅拌焊接压持治具系统，特别是有关于一种应用设置于搅拌头旁侧的多个可以持续下压工件并可以在一定范围内自动调整下压行程的压持治具系统。

背景技术

摩擦搅拌焊接由英国焊接研究所（The Welding Institute, TWI）于1991年所发展出来的新式焊接方式。由于摩擦搅拌焊接具有优于传统焊接的焊接质量优势，在国际间已大量应用于铝合金相关产品，而近年来世界各地推行节能减碳与环保材料应用的风潮、以及车体结构轻量化、能源电能车的相关政策推动等等，使得铝合金的产应用与摩擦搅拌焊接需求更逐年广泛。

铝合金摩擦搅拌焊接夹持相较于传统焊接强度更高，但在焊接薄板工件的过程中，由于被焊本身的变形抗力不足，在搅拌头周围容易发生翘曲和褶皱变形，导致无法获得良好的焊缝变形，因此限制了搅拌摩擦焊在薄板工件上的应用。在薄板焊接上，传统夹治具均为专用夹治具，针对不同接头形式，产品方式进行夹治具设计，再对应少量多样的产品，尤其在具备特殊结构如：不等厚度焊接、曲面焊接、大型结构等，其上压治具不易设计制作，且须耗费大量制作费用。随动式的上压治具可减少治具制作费用，并达到摩擦搅拌焊接紧密上压持，但同样在对应特殊结构时，无法达成可挠性变化的上部压持需求。

中国公开号CN102672345A公开一种适用于薄板的随焊下压搅拌摩擦焊焊具及其焊接方法。该随焊下压搅拌摩擦焊具，包括搅拌头P1，径向定位轴承P2，下压滑块P3和固定框架P4，径向定位轴承P2套装在搅拌头P1的外螺纹上，下压滑块P3通过螺栓固定安装在固定框架P4的下表面上，下压滑块P3和固定框架P4整体套装在搅拌头P1的外螺纹上，逐步定位轴承P2放在搅拌头P1的外直径与固定框架P4的内径之间，搅拌头P1的轴肩和搅拌针外露于下压滑块P3的下表面外。其焊接方法具体步骤如下：步骤一，将第一被焊工件P5和第二被焊工件P6用夹具固定在工作台上，使第一被焊工件P5的焊接处和第二被焊工件P6的焊接处对接，且首先被焊接工件P5与第二被焊接工件P6同时同一水平面；步骤二，启动搅拌头P1，搅拌头P1的转速为200rpm~2000rpm，焊具整体下轧至第一被焊工件P5和第二被焊工件P6的焊接起始位置，使下压滑块P3的下表面与第一被焊工件P5和第二被焊工件P6的上表面紧密接触，搅拌头P1的轴肩轧入第一被焊工件P5和第二被焊工件P6上表面的深度相等于下压滑块P3的下表面与搅拌头P1）轴肩两端之间的距离；步骤三，焊具整体以速度（Vx）为10mm /min~1000mm / min沿第一被焊接工件P5与第二被焊工件P6的对接面长度方向移动，直到焊接完成为止。

发明内容

本发明的目的在于提供一种摩擦搅拌焊接压持治具系统，应用设置于主轴轴心旁侧的多个压持治具，且所述这些压持治具较搅拌头先接触工作，并能保持一下压力压住工件同时跟随搅拌头在待接合工件表面移动。

为达成上述目的，本发明提供一种摩擦搅拌焊接压持治具系统，应用于一摩擦搅拌焊接设备，其包括一主轴系统，该主轴系统包含一非转动区域，该非转动区域中央设有一主轴轴心，该主轴轴心连接一搅拌头进行转动以对一待接合工件进行摩擦搅拌焊接，该压持治具系统包含：一压持治具，邻接于该非转动区域上，并位于搅拌头的旁侧，压持治具具有一邻接于该非转动区域上的基座、一连接于该基座的线性滑移机构、一设置于该线性滑移机构上并连接该基座的回弹机构以及一设于该线性滑移机构的端部的接触部，且在该搅拌头未接触该待接合工件时，该接触部的第一表面凸出于该搅拌头的一第二表面；其中，该主轴系统带着该搅拌头与所述这些压持治具在该待接合工件上进行3个空间维度范围内的一焊接路径移动，所述这些压持治具用以对临近该搅拌头的该待接合工件的表面保持一定的下压压力，且于主轴系统沿着该焊接路径移动时，在保持该下压压力下随的滑移于该待接合工件的表面。

在一些实施方案中，该非旋转区域具有一面向该待接合工件的肩部，所述这些压持治具设置于该肩部上。

在一些实施方案中，该肩部具有一第三表面，在该搅拌头未接触该待接合工件时，该第一表面至该第三表面的高度大于第二表面至该第三表面的高度。

在一些实施方案中，该线性滑移机构包含一杆件以及该基座具有一供该杆件套入的凹穴，以形成供该杆件轴向移动的该线性滑移机构且该凹穴形成在该基座内。

在一些实施方案中，该回弹机构为一前、后两端分别连接于该基座与该杆件的压缩弹簧。

在一些实施方案中，该回弹机构为一对分别设置于该基座与该杆件，且磁极相斥的磁性组件。

在一些实施例中，该接触部为可以本身轴线为中心轴进行滚动的一滑轮或一球体。

在一些实施例中，该接触部为不滚动的弧面体。

在一些实施例中，所述这些压持治具以该搅拌头为中心，于该主轴系统的底视方向呈数组式排列。

本发明在一些实施例中，所述这些压持治具以该搅拌头为中心，于该主轴系统的底视方向呈全周等角均匀分布。

本发明在一些实施例中，所述这些压持治具的所述这些接触部所接触的该待接合工件的表面为一曲面或非同一水平面的一第一平面与第二平面。

本发明的至少具有下列特点：本发明的设计使压持治具达一定的区间内弹性位移或磁力缓冲位移，达成不等高度的待接合工件组合或曲面的待接合工件的上部压持。本发明的设计可对应曲面、大型工件、不等厚等特殊结构夹持需求，可对应目前国际上产品少量多样的开发趋势；本发明可搭配三~五轴摩擦搅拌专用机、机械手臂等自动化设备，大幅提升接合效率；本治具设计结构简单，可对应多种接头变化，同时可降低治具制作成本，于产品试作开发初期可对应多次产品设变而不需要另外额外修改治具。本发明提供了3D结构的新型态的摩擦搅拌治具方案，可促进摩擦搅拌焊接工艺在特殊结构铝合金，如曲面焊道、焊道二侧不同高低平面的焊接应用。

附图说明

图1为先前技术的随焊下压搅拌摩擦焊焊具剖面示意图；

图2为本发明一实施例的摩擦搅拌焊接压持治具未接触待接合工件的前视部面图；

图3为图2实施例的摩擦搅拌焊接压持治具持压工件的前视部面图；

图4为本发明一实施例的回弹机构为压缩弹簧式、压持治具的接触部为滑轮的剖面示意图；

图5为本发明一实施例的压持治具的接触部为球体的剖面示意图；

图6为本发明一实施例的回弹机构为磁场式压持治具的剖面示意图；

图7为本发明一实施例的摩擦搅拌焊接压持治具应用于不等高的待接合工件的剖面示意图；

图8为本发明一实施例的压持治具呈两侧分布的底视示意图；

图9为本发明一实施例的压持治具呈矩阵分布的底视示意图；及

图10为本发明一实施例的压持治具作动于待接合工件表面为曲面的侧面剖示图。

图中：

P2:定位轴承；P3:下压滑块；P4:固定框架；P5:第一被焊工件；P6:第二被焊工件；Vx:速度；1:压持治具系统；2:主轴系统；21:非转动区域；211:肩部；2111:第三表面；22:主轴轴心；P1、23:搅拌头；231:第二表面；3:压持治具；31:基座；311:凹穴；312:杆件；32:线性滑移机构；33,33’:回弹机构；331:压缩弹簧；332:磁性组件；34:接触部；340:第一表面；341:滑轮；342:球体；343:弧面体；D:行进方向；L1,L2:高度；T1,T2:厚度；S:工件表面；S1:第一工件表面；S2:第二工件表面；R:焊接路径；W:待接合工件；W1:第一工件；W2:第二工件。

具体实施方式

配合附图将本发明实施例详细说明如下，其所附图式主要为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此在该等图式中仅标示与本发明有关的组件，且所显示的组件并非以实施时的数目、形状、尺寸比例等加以绘制，其实际实施时的规格尺寸实为一种选择性的设计，且其组件布局形态有可能更为复杂。

以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可据以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本申请，而非用以限制本申请。另外，在说明书中，除非明确地描述为相反的，否则词语“包括”将被理解为意指包括所述组件，但是不排除任何其它组件。

请参照图2、图3所示。本实施例的摩擦搅拌焊接压持治具系统1，是适合应用在摩擦搅拌焊接设备，该摩擦搅拌焊接设备具有一主轴系统2，该主轴系统2包含一位于外围、可移动的非转动区域21与位于中央且在移动期间可同时进行转动的主轴轴心22、一连接于该主轴轴心22的搅拌头23，或称搅拌工具，用以对一待接合工件W进行摩擦搅拌焊接作业该压持治具系统1包含：

压持治具3，其邻接在该非转动区域21的搅拌头23的旁侧。参照图2及图3所示，在一实施例中，压持治具3具有多个，配置方式可平均分布，也可侧重于焊接的行进方向为多数。压持治具3具有一邻接在该非转动区域21上的基座31、一连接于该基座31的线性滑移机构32和一设置于该线性滑移机构32上并连接该基座31的回弹机构33以及一设于该线性滑移机构33的端部的接触部34。在另一实施例中，压持治具3可以是一个且以连续的方式环绕搅拌头23。

根据前述结构设计，在本发明将上述压持治具3配置在该主轴系统2后，当该搅拌头23未接触该待接合工件W时，该接触部34面向该待接合工件W的最前缘的一第一表面340凸出于该搅拌头23未端的一第二表面231。在一实施例中，该非旋转区域21具有一面向该待接合工件W的肩部211，该肩部211具有一第三表面2111，在该搅拌头23未接触该待接合工件W时，该第一表面340至该第三表面2111的高度L1大于第二表面231至该第三表面2111的高度L2。（如图2所示）；因此，当进行摩擦搅拌焊接作业而将该主轴系统2靠近该待接合工件W，在该搅拌头23即将接触待接合工件W前，所述这些压持治具3的接触部34会先于该搅拌头23接触该待接合工件W，以对其产生向下的压持力（如图3所示），令该待接合工件W（尤其是薄形板件）保持在最佳的服贴状态，以利后续的该搅拌头23施工精度。上述主轴系统2带着该搅拌头21与所述这些压持治具3在该待接合工件W上进行3个空间维度范围内，包含2维平面及3维立体空间的一焊接路径R移动，所述这些压持治具3用以对该搅拌头3附近的该待接合工件W的表面保持一定的下压压力，且于主轴系统2沿着该焊接路径R移动时，在保持该下压压力下随的滑移于该待接合工件W的工件表面S，且因每个压持治具3个别都有独立的线性滑移机构32及回弹机构33，因此可个别对接触的该工件表面S起伏作出位移反应（如图10所示）。

在本发明的一些实施例中，该线性滑移机构32包含一杆件321以及一供该杆件312套入的凹穴311，且该凹穴311形成在该基座31内，以使该杆件312可沿杆件321中心纵轴方向往复移动。

如图5所示，在本发明的一些实施例中，该回弹机构33可为一压缩弹簧331，该压缩弹簧331的前、后两端分别连接于该基座31与该杆件312上，使利用该杆件312在该线性滑移机构32上往复移动。

如图6所示，在本发明的一些实施例中，该回弹机构33’可为一对分别设置于该基座31与该杆件312且磁极相斥的磁性组件332，使利用该杆件312在该线性滑移机构32上往复移动。

如图2所示。在本发明的一些实施例中，上述压持治具3可设置于该非旋转区域21的合理部位，例如设置于该非旋转区域21面向该待接合工件W的肩部211，所述这些压持治具2设置于该肩部211上。当然，在一些实施例中，也可以将所述这些压持治具3设置于该非旋转区域21的与肩部211相互垂直的侧立面，可解决肩部211区域的空间不足，而无法容纳所述这些压持治具3的问题。

值得一提的是，本发明的所述这些压持治具3为模块化设计，因此可外挂于即有的摩擦搅拌焊接设备上，以升级原有的摩擦搅拌焊接设备。

在一些实施例中，接触部34以低摩擦力的形式与待接合工件W接触。在一实施例中，如图4、图5所示。图4中绘示本发明的接触部34为滚动的一滑轮341形态（与该待接合工件W的接触为线接触），图5中揭示本发明的接触部34为滚动的一球体342形态（与该待接合工件W的接触为点接触）。当然，在另一实施例中，如图6所示，本发明的该接触部34也可为不滚动的弧面体343的形态（与该待接合工件W的接触为线接触或点接触），亦可使其接触摩擦力减小。在另一实施例中，接触部34是以低摩擦系数的材质所制成，例如：聚四氟乙烯（铁氟龙）。

在一些实施例中，如图3及图7所示，该待接合工件W包含一第一工件W1与一第二工件W2，该第一工件W1与该第二工件W2并接处为一焊接路径R。在图7的实施例中揭示该压持治具3与该待接合工件W接触于非同一水平面的第一工件W1的一第一工件表面S1与第二工件W2的第二工件表面S2，其第一工件W1的厚度T1大于第二工件W2的厚度T2，因此该第一工件表面S1高于该第二工件表面S2，而即使是二工件的表面存在不同高度，本发明仍可因压持治具3的线性滑移机构32及回弹机构33的设计，而能在静止或移动时持压地移动在该第一工件表面S1与该第二工件表面S2上；或者如图10所示，所述这些压持治具3的所述这些接触部34所接触的该待接合工件W的工件表面S为一曲面。

在一些实施例中，如图8所示。所述这些压持治具3以该搅拌头23为中心，于该主轴系统2的底视方向（也就是该搅拌头23的底视图方向）呈数组式排列；在一些实施例中，如图9所示。所述这些压持治具3以该搅拌头23为中心，于该主轴系统2的底视方向（亦即该搅拌头23的底视图方向）呈全周等角均匀分布。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种摩擦搅拌焊接压持治具系统，其特征在于，适用于一摩擦搅拌焊接设备，该摩擦搅拌焊接设备还包含一主轴系统，该主轴系统包含一位于外围的非转动区域，一位于中央的可进行转动的主轴轴心，以及一连接该主轴轴心的搅拌头，该摩擦搅拌焊接设备用以对一待接合工件进行摩擦搅拌焊接，该摩擦搅拌焊接压持治具系统包含：

至少一个压持治具，邻接于该非转动区域，并位于该搅拌头的旁侧，该压持治具具有一邻接于该非转动区域的基座、一连接该基座的线性滑移机构、一设置于该线性滑移机构上并连接该基座的回弹机构，以及一设于该线性滑移机构的端部的接触部，在该搅拌头未接触该待接合工件时，该接触部的一第一表面凸出于该搅拌头的一第二表面。

2.如权利要求1所述的摩擦搅拌焊接压持治具系统，其特征在于，该非旋转区域具有一面向该待接合工件的肩部，该压持治具设置于该肩部上。

3.如权利要求2所述的摩擦搅拌焊接压持治具系统，其特征在于，该肩部具有一第三表面，在该搅拌头未接触该待接合工件时，该第一表面至该第三表面的高度大于第二表面至该第三表面的高度。

4.如权利要求1所述的摩擦搅拌焊接压持治具系统，其特征在于，该线性滑移机构包含一杆件以及一供该杆件套入的凹穴，且该凹穴形成在该基座内。

5.如权利要求4所述的摩擦搅拌焊接压持治具系统，其特征在于，该回弹机构为一前、后两端分别连接于该基座与该杆件的压缩弹簧。

6.如权利要求4所述的摩擦搅拌焊接压持治具系统，其特征在于，该回弹机构为一对分别设置于该基座与该杆件，且磁极相斥的磁性组件。

7.如权利要求1所述的摩擦搅拌焊接压持治具系统，其特征在于，该接触部为能够以本身轴线为中心轴进行滚动的一滑轮或一球体。

8.如权利要求1所述的摩擦搅拌焊接压持治具系统，其特征在于，该接触部为不滚动的弧面体。

9.如权利要求1所述的摩擦搅拌焊接压持治具系统，其特征在于，该压持治具为多个，并以该搅拌头为中心，于该主轴系统的底视方向呈数组式排列。

10.如权利要求1所述的摩擦搅拌焊接压持治具系统，其特征在于，该压持治具为多个，并以该搅拌头为中心，于该主轴系统的底视方向呈全周等角均匀分布。

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