CN1198974A - 金属接合件的摩擦搅拌接合法 - Google Patents

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Abstract

一种金属接合件的摩擦搅拌接合法,采用接合装置,该接合装置在直径较大的圆柱形转子的端面旋转轴线上突出设置直径较小的针状探头,把旋转的探头插入要对接的两个金属接合件的对接部或其附近位置,摩擦热使与探头接触的部分软化,再通过搅拌,两个接合件对接在一起。上述两个接合件的对接侧的端部形成厚壁部,转子压紧上述厚壁部,摩擦热使该厚壁部软化,从而被软化的厚壁部的原料被填充到对接部的缝隙中,使之接合在一起。

Description

金属接合件的摩擦搅拌接合法
本发明涉及把铝等金属或其合金制成的接合件对接所采用的金属接合件的摩擦搅拌接合法。
下面提出的方法是一种固相接合法的摩擦搅拌接合法。如图3所示，采用接合装置(103)，一边使转子(130)旋转，同时使探头(132)插入对接的两个接合件(101)、(102)的对接部(103)中，其中接合装置(103)的比接合件(101)、(102)还硬的直径较小的针状探头(132)突起地整体设置在直径较大的圆柱形转子(130)的端面轴线上。探头(132)一般要插入到转子(130)的带有探头的端面(131)与接合件(101)、(102)接触为止。使探头(132)沿插有探头的对接部(103)，相对于接合件(101)、(102)移动。探头(132)旋转产生的摩擦热使与探头(132)接触部分附近的接合件(101)、(102)的原料软化，同时受到探头的搅拌，随着探头(132)的移动，软化搅拌过的原料受到探头(132)推进的压力，填平探头通过时形成的“沟”，向探头(132)推进方向的后方绕过来，经过这样的塑性流动之后，摩擦热迅速消失，软化搅拌后的原料冷却固化。随着探头(132)的移动，这种现象依次反复出现，最终使接合件(101)、(102)在对接部(103)处接合在一起。
如果采用这种摩擦搅拌接合法，由于是固相接合，接合件的金属原料的种类不受限制，而且具有接合时热应变所产生的变形较小等优点。
但是，在宽度方向上对接长条状的接合件时，由于接合件的变形等原因，对接部的多处地方出现缝隙，由于上述摩擦搅拌接合法不象TIG焊接等熔融焊接那样从外部供给填充材料等，有缝隙的部分缺少用于接合的原料，在这种情况下无法填平上述间隙，因此接合不紧密，很难得到可靠性较高的接合状态。
本发明是鉴于上述问题做出的，其目的是提供一种金属接合件的摩擦搅拌接合法，即使接合件的对接部有缝隙，也不会出现接合不紧密的情况，能得到可靠性高的接合状态。
为解决上述课题，本发明的金属接合件的摩擦搅拌接合法的特征在于，采用接合装置，该接合装置在直径较大的圆柱形转子的端面旋转轴线上突出地设置直径较小的针状探头，将所述接合装置的旋转的上述探头插入要对接的两个金属接合件的上述对接部或其附近位置，摩擦热使与探头接触的部分软化，同时进行搅拌，两个接合件对接时，通过在上述两个接合件的对接侧的端部形成厚壁，并把转子压紧在上述厚壁部上，摩擦热使该厚壁部软化，从而将软化的厚壁部的原料填充到对接部的缝隙中，使两个接合件接合在一起。
采用上述方法，由于转子的强力摩擦而产生的摩擦热所软化的厚壁部的原料卷入探头的旋转中，该经软化的厚壁部的原料和被该原料与探头摩擦产生的热量所软化的原料一起搅拌，用于接合。因此，即使对接部有缝隙，也不会缺少用于接合的原料，接合件接合时缝隙几乎完全被填满，可以得到接合紧密、可靠性高的接合状态。
由下面的说明可进一步理解本发明的其它目的、特征和优点。
图1A至图1C是依次表示本发明的一种实施例的示意图。图1A是表示接合装置插入前状态的剖视图，图1B是表示转子已经插入厚壁部的状态的剖视图，图1C是表示接合后的状态的剖视图。
图2A、图2B是表示厚壁部变形例的剖视图，图2A是表示接合装置插入前的状态的剖视图，图2B是表示接合装置插入后的状态的剖视图，图2C是表示厚壁部的其它变形例的剖视图。
图3是表示相关技术的立体图。
下面参照附图说明本发明的金属接合件摩擦搅拌接合法的实施方式。
图1A至图1C表示本发明的实施方式，图1A是表示接合件(1)、(2)对接状态中出现缝隙部分的剖视图。图1A中(3)是摩擦搅拌接合时所用的接合装置。
上述接合件(1)、(2)是铝制的挤压片材，在宽度方向上对接，经过整个长度方向接合在一起。对接侧的端部还设有向一面突出、形成厚壁的剖面形状为矩形的厚壁部(10)、(20)。
接合装置(3)将直径较小的针状探头(32)突出地整体设置在直径较大的圆柱形转子(30)的端面(31)的轴线上，通过使转子(30)旋转，探头(32)也旋转。探头(32)及转子(30)是由比接合件(1)、(2)还硬且可以抵抗接合时产生的摩擦热的耐热材料制成的。另外，为了便于与接合件(1)、(2)的原料相摩擦搅拌，上述转子(30)的表面可制成螺旋状以外的凹凸形状。
本实施方式以如下述那样接合接合件(1)、(2)。
即，如图1A所示，将接合件(1)、(2)的厚壁部(10)、(20)固定在对接状态。在此状态中对接部的许多地方不可避免地存在缝隙。
接着，如图1B所示，一边使上述接合装置(3)的转子(30)旋转，一边在对接面将探头(32)从厚壁部(10)、(20)突出的一侧插进去。转子(30)的端面(31)抵住厚壁部(10)、(20)的表面后进一步推压转子(30)，使之与探头(32)一起插入厚壁部(10)、(20)的内部。探头(32)与厚壁部(10)、(20)的摩擦产生的摩擦热再加上转子(30)的端面与厚壁部(10)、(20)的摩擦产生的摩擦热，使与探头(32)接触部分附近的厚壁部(10)、(20)的原料软化，并卷入探头(32)的旋转中进行搅拌。
然后，沿着上述对接部在接合件(1)、(2)的长度方向上移动转子(30)及探头(32)。
移动时转子(30)及探头(32)最好向其移动方向的后方稍微倾斜一点。这是为了使转子(30)的朝向移动方向的端部边缘稍高于接合件的表面，以防止该端部边缘陷入接合件表面中，实现平滑移动。
随着这样的探头(32)的移动，上述已软化的原料受到探头(32)推进的压力。填平探头(32)通过时形成的“沟”及接合件(1)、(2)之间的缝隙(4)，向探头(32)推进方向的后方绕过来，经过这样的塑性流动之后，摩擦热迅速消失，经软化搅拌后的原料冷却固化。随着探头(32)的移动，这种现象依次反复出现，最终，如图1C所示，接合件(1)、(2)的对接部在整个长度方向上摩擦搅拌接合在一起。
采用上述接合方法，即使对接部有缝隙，由于被转子(30)软化的厚壁部(10)、(20)的原料进入了接合部分，不再缺少软化的原料，可填平上述缝隙，因此可以做到紧密接合，可靠性高。
下面说明厚壁部(10)、(20)产生变形的实例。
图2A中所示的厚壁部(10)、(20)向着对接方向厚度连续增加，剖面形状为三角形。厚壁部形成这样的剖面形状为三角形的结构可获得如下效果。
即，如图2B所示，接合时转子(30)压紧厚壁部(10)、(20)时，厚壁部成锐角的顶部被转子(30)弄平，与厚壁部的剖面形状为矩形的情况(参见图1C)相比，抑制了接合后接合表面上产生的凹凸，可实现表面质量良好的接合效果。
图2C所示的厚壁部(10)、(20)的对接面上，与探头插入侧相反一侧的底端设有向对接方向突出、相互咬合的剖面形状为正L形及剖面形状为倒L形的突出部(12)、(21)。而且处于对接状态的厚壁部(10)、(20)的宽度设定成比转子(30)的外径还小。当然即使设置得更大也没关系。由于厚壁部(10)、(20)的形状设置成如图2C所示那样的相互咬合的形状，可抵抗使接合件(1)、(2)分离的力，上述突出部的咬合在阻止接合件(1)、(2)分离的方向上起作用，进一步提高了接合效率。
另外，厚壁部(10)、(20)的形状不受图示的实施方式的限制，可以设成任意形状。例如，在图2A所示的剖面形状为三角形的厚壁部上形成如图2C所示的剖面形状为L形的突出部(12)、(21)，使其突出部相互咬合地接合在一起效果也很好。
本发明适用的接合件并不限于上述实施方式。例如，形状不限于片状，可为任意形状，其材质也可以是钢、铜、黄铜等除铝以外的金属。其制造方法也可以是延展加工以外的铸造、模铸等方法。
接合装置的移动方法不限于本实施方式那样的将转子在插入厚壁部的状态下移动的这种方式，例如，插入后的转子刚从厚壁部拔出后，移动接合装置，再将转子插入厚壁部，重复上述操作效果也很好。
下面说明本发明的具体实施例。
用下述方法制造用于摩擦搅拌接合的接合件。
实施例1
剖面形状
厚壁部        厚4mm×宽15mm
主体部        厚3mm×宽130mm
长            1000mm
材质          JIS6N01铝合金(T5调质)
制造方法      挤压加工
实施例2
剖面形状
厚壁部        厚4mm×宽20mm(分别制成具有如图2C所示
              的可相互咬合的L形突出部的形状)
主体部        厚3mm×宽125mm
其它与实施例1相同
比较例3
剖面形状      厚3mm×宽200mm
其它与实施例1相同
实施例1是将厚壁部一侧的端面相对接触，在宽度方向上对接上述接合件；实施例2是如图2C所示的那样，在厚壁部相互咬合的状态下对接接合件；比较例3是单纯地将上述接合件在宽度方向上对接、固定，在下述摩擦搅拌接合条件下经过整个长度方向将对接部接合在一起。但是无论在上述那个例子中，对接状态下在长度方向上都存在有宽约0.5mm的缝隙。
摩擦搅拌接合条件：
旋转速度：1500rpm
探头：    直径4mm×长4mm
转子：    直径20mm
实施例1和实施例2是在探头插入的初期阶段，转子的端面抵住厚壁部的表面后再插入1mm，在此状态下探头及转子沿对接部移动，在厚壁部的原料被软化的同时进行接合。而比较例3是在转子的端面抵住接合件的表面时，沿对接部移动探头及转子，进行接合。
观察由以上方法得到的接合体的接合部，通过接缝的拉伸强度相对于母材强度的比例求得接合率。其结果记在表1中。
【表1】
     试验No     厚壁部的形状     接合率
    实施例     1     矩形的厚壁     95％
    实施例     2     L形相互咬合     97％
    比较例     3     没有厚壁部     70％
由表1可知，本发明的实施例1和2的接合率比比较例3高，接合的可靠性高。
本发明的上述步骤是所谓对接接合的摩擦搅拌接合法，是用被与转子摩擦产生的摩擦热所软化的厚壁部的原料填充接缝的接合方法。因此，即使对接部有缝隙，也不会缺少接合用的原料，可填平缝隙，使之接合在一起，可达到接合紧密的效果，能得到可靠性高的接合状态。

Claims (12)

1、一种金属接合件的摩擦搅拌接合法，其特征在于，采用接合装置，该接合装置在直径较大的圆柱形转子的端面旋转轴线上突出地设置直径较小的针状探头，把旋转的探头插入要对接的两个金属接合件的对接部或其附近位置，摩擦热使与探头接触的部分软化，再通过搅拌，使两个接合件对接时，通过在上述两个接合件的对接侧的端部形成厚壁部，并把转子压紧到上述厚壁部上，摩擦热使该厚壁部软化，从而将软化的厚壁部的原料填充到对接部的缝隙中，使之接合在一起。
2、如权利要求1所述的金属接合件的摩擦搅拌接合法，其特征在于，厚壁部的剖面形状为矩形。
3、如权利要求1所述的金属接合件的摩擦搅拌接合法，其特征在于，厚壁部的剖面形状做成朝着对接方向的厚度逐渐增加的倾斜的三角形。
4、如权利要求1至3中的任意一个所述的金属接合件的摩擦搅拌接合法，其特征在于，厚壁部有一朝着对接方向突出的突出部，该突出部的剖面形状为相互咬合的L形。
5、如权利要求1所述的金属接合件的摩擦搅拌接合法，其特征在于，沿对接部相对于接合件移动转子及探头，同时进行接合。
6、如权利要求1所述的金属接合件的摩擦搅拌接合法，其特征在于，将探头插入接合件，直至转子的端面抵住厚壁部。
7、如权利要求1所述的金属接合件的摩擦搅拌接合法，其特征在于，移动转子及探头时，使转子及探头向其移动方向的后方稍微倾斜。
8、如权利要求1所述的金属接合件的摩擦搅拌接合法，其特征在于，接合件是由铝或其合金的挤压材料制成的。
9、一种金属接合件的摩擦搅拌接合法，其特征在于，采用接合装置，该该接合装置在直径较大的圆柱形转子的端面旋转轴线上突出地设置直径较小的针状探头，把旋转的探头插入要对接的两个金属接合件的对接部或其附近位置，摩擦热使与探头接触的部分软化，同时进行搅拌，沿对接部相对于接合件移动转子及探头，从而使两个接合件对接时，通过在上述两个接合件的对接侧的端部形成厚壁部，将探头插入接合件，直至上述转子的端面抵住厚壁部，并把转子压紧到上述厚壁部上，摩擦热使该厚壁部软化，从而将软化的厚壁部的原料填充到对接部的缝隙中，使之接合在一起。
10、如权利要求9所述的金属接合件的摩擦搅拌接合法，其特征在于，厚壁部的剖面形状为矩形。
11、如权利要求9所述的金属接合件的摩擦搅拌接合法，其特征在于，厚壁部的剖面形状做成朝着对接方向厚度逐渐增加的倾斜的三角形。
12、如权利要求9至11中的任意一个所述的金属接合件的摩擦搅拌接合法，其特征在于，厚壁部有一朝着对接方向突出的突出部，该突出的剖面形状为部相互咬合的L形。
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