CN1421295A - 磨擦搅拌焊接的旋转工具及磨擦搅拌焊接方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种摩擦搅拌焊接用旋转工具以及应用该工具的摩擦搅拌焊接方法和装置。该工具在包括用定位焊接形成的凸起部分在内的被焊接件对接部分全长，得到同样的摩擦搅拌焊接的焊接力。摩擦搅拌焊接用旋转工具11具有将焊块除去的刃具11A。对于两块被焊接件W1，W2，通过旋转工具11在旋转的同时沿着被焊接件的对接部分移动，在用刃具11A将凸起部分S除去的同时进行摩擦搅拌焊接。所述旋转工具11在工具本体12的端部设置肩部14，在该肩部14的端部装有销15。从肩部14到工具本体12的端部对称布置有两枚刃具11A。

Description

摩擦搅拌焊接的旋转工具 及摩擦搅拌焊接方法和装置

技术领域

本发明是涉及将摩擦搅拌焊接旋转工具沿着所述对接部旋转的同时移动把两块在对接部用形成凸起定位焊的被焊接件进行摩擦搅拌焊接的旋转工具及应用该旋转工具的摩擦搅拌焊接方法和装置。

背景技术

到现在为止，将两块被焊接件对接时，作为焊接时产生热变形小，焊接后可保持良好精度的固态焊接法，摩擦搅拌焊接法是被公认的。(作为例子，请参考特开2000-343250号公报及特开2001-47258号公报)

这种用于摩擦搅拌焊接法的旋转工具是在实质上是呈圆柱形的工具本体的端部连接设置在端部装有摩擦搅拌焊接用的销的肩部。

在摩擦搅拌焊接时，旋转工具端部的销向下插入到两块被焊接件对接部位的一定深度，旋转工具在高速旋转的同时沿两块被焊接件对接部位移动。这样，对接部位由于与销及肩部的滑动接触而产生的磨擦热而温度升高，通过旋转工具的高速旋转使被摩擦搅拌的金属在被焊接件间(即对接部位)塑性流动。之后，由于旋转工具通过后，对接部位由于失去了热源而急速冷却，两块被焊接件焊接上。流动的塑性金属被限制向被焊接件的上方流出的同时，将其送向旋转工具进行方向的后方，在销通过后填埋。

然而，在摩擦搅拌焊接中为了不使两块对接的被焊接件发生错动，在进行所述摩擦搅拌焊接之前，用凸起焊缝以一定间隔将两块被焊接件的对接部进行定位焊接。在这种状态下进行摩擦搅拌焊接是一般的做法。

另外，如特开2000-343250号公报记载，在两块被焊接件开I形焊缝坡口，将它们成一定间隔进行定位焊接，将定位焊接部分除去后再进行摩擦搅拌焊接也是常见的做法。

然而，在前者的用定位焊接形成凸起的情况下，在包括定位焊接在内的对接部分全长进行摩擦搅拌焊接时，旋转工具的销在定位焊接部位不能插入到规定深度，不能形成充分的塑性流动，在定位焊接部位达不到足够的焊接力。

另一方面，在后者开I形焊缝坡口的情况下，由于在定位焊接部位无法进行摩擦搅拌焊接，和前者相比结合力更弱。而且由于必须在摩擦搅拌焊接时在定位焊接部位之前将旋转工具提起，在其部分通过后再使旋转工具降下，使旋转工具的操作变得复杂，费工时，且工作效率低。

发明内容

本发明的目的是提供在包括定位焊接在内被焊接部分的(对接部分)全长通过摩擦搅拌焊接获得一样的结合力的摩擦搅拌焊接旋转工具以及使用此工具的摩擦搅拌焊接方法和装置。

本发明的申请人想到：在沿着被焊接件对接部分使旋转工具在旋转的同时移动进行摩擦搅拌焊接时如果在将定位焊的凸起部分除去的同时将旋转工具移动，贯穿被焊接件的对接部分全长将旋转工具的销都能插入到规定深度，这样，贯穿被焊接件对接部分全长都可获得一样的结合力。从而形成了本发明。

另外，所述特开2001-47258号公报所述的旋转工具对摩擦搅拌焊接时发生的焊瘤施加向下的力的同时进行摩擦搅拌焊接，在移动中无法将凸起部分除去。

本发明是通过沿两块对接配置、对接部位用形成凸起的定位焊接的被焊接件的所述对接部位使摩擦搅拌焊接旋转工具在旋转的同时移动，将所述的两块被焊接件摩擦搅拌焊接，同时将凸起部分除去。在这里，所述形成凸起的定位焊接包括TIG焊接及MIG焊接等溶融焊接。

具体地说，比如，用所述的与旋转工具一同旋转的同时移动的刃具可以除去凸起部分。

通过这种构成，在被焊接件对接部分将旋转工具的销插入到规定深度，使旋转的旋转工具沿着被焊接件对接部分移动，将被焊接件在对接部分摩擦搅拌焊接的同时，比如用刃具可以将定位焊接的凸起部分切掉。这样，贯穿包括定位焊接在内的被焊接部分(对接部分)全长，发生同样的塑性流动，从而获得由摩擦搅拌焊接相同的结合力。而且，摩擦搅拌焊接时，由于保证了凸起部分使定位焊接强度得到了维持的状态，两块被焊接件的相对位置不发生错动而进行焊接。此外，在焊接的同时凸起部分被除去，不发生凸起部分对良好的摩擦搅拌焊接的干扰。

所述旋转工具也可以设置刃具。此时象通常的摩擦搅拌焊接一样，旋转工具在旋转的同时只是沿着两块被焊接件对接的部位移动，刃具将凸起部分除去与由旋转工具对被焊接件进行的摩擦搅拌焊接就可同时进行。

另外，由于在摩擦搅拌焊接前后可以不对定位焊接的凸起部分做其他处理，摩擦搅拌焊接作业的所需时间将大幅度缩短，作业效率会显著提高。

所述旋转工具具有：圆柱形工具本体，在该工具的端部形成的肩部和在该肩部端部设置的销。所述旋转工具可以把所述刃具形成在从肩部开始到工具的端部。这样，不用变化现有的旋转工具的形状就可以设置刃具。而且，旋转工具在旋转的同时移动时，被刃具除去的凸起部分沿着刃具面从正在进行摩擦搅拌焊接的部位排到离开的部位，不存在卷入正在进行摩擦搅拌焊接的部位而对焊接产生不良影响的可能性。

所述刃具在旋转工具的对称位置最好设置数个。因为这样做，在除去的凸起部分时，由于采用数个刃具可比较均衡地进行，与用单一刃具除去凸起部分情况相比，可以减轻旋转工具的负担。

如上所述，用刃具将凸起部分除去的同时进行摩擦搅拌焊接时，因为至少在刃具及其附近形成非活性气体的环境，用刃具除去凸起部分不是在空气中，而是发生在非活性气体的环境中，这样就防止了刃具被烧毁。在这里，所述非活性气体包括氮气、氩气等。

具体地说，比如，向刃具及其附近吹出非活性气体的开孔与非活性气体源连通，当开孔设置在刃具或其附近。

另外，所述旋转工具的销朝下，其上方固定在摩擦搅拌焊接装置的夹具上。在旋转工具的转轴(即固定状态，上下轴)方向上形成贯通孔，所述开孔通过贯通孔可与非活性气体源接通。这样，只要将旋转工具固定在夹具上，旋转工具的贯通孔就通过气体通道与气体源接通。

此外，所述旋转工具的贯通孔上流端也可以形成非活性气聚集部。这样一来，一旦从气源通过气体通道向聚集部注入非活性气体，足量的非活性气体就通过开孔吹到刃具及其附近，所以不会发生非活性气体延迟共给的现象。

附图说明

图1是表示本发明的实施形态的摩擦搅拌焊接装置的全体构成的立体图；

图2是表示用于图1所示摩擦搅拌焊接装置的旋转工具的主要部分的主视图；

图3是图2所示旋转工具的仰视图；

图4是图1所示的摩擦搅拌焊接装置的旋转工具和将其固定的夹具构成的纵剖面图；

图5是图1所示旋转工具的动作说明图；

图6是图1所示旋转工具的动作说明图。

具体实施方式

本发明的实施形态在以下用图来说明。

图1是表示本发明的实施形态的摩擦搅拌焊接装置的全体构成的立体图，图2表示摩擦搅拌焊接装置的旋转工具要点部分的正视图，图3是图2所示旋转工具的仰视图。

如图1所示，本实施方式的摩擦搅拌焊接装置1在其长度方向或前后方向(x方向)有形成长矩形的平坦底盘2，在该底盘2上沿x方向放置将要结合的两块细长被焊接件W1，W2。在底盘2的左右方向(Y方向)的两侧配设有相互平行的沿x方向的轨道6，跨越底盘2的Y方向的门形框架3可沿轨道6行走。

构成门形框架3的上部的水平框3a上有可移动部件4。该可移动部件4通过其上的滑动部件4a可以在水平框3a上在Y方向移动。而且，可移动部件4的焊接头5可以上下(Z方向)升降。

焊接头5的上部内装有电机(未示出)，在下部，装有由该电机驱动的可以转动的摩擦搅拌焊接转动工具11。

如图2及图3所示，旋转工具11的圆柱状部分12A端部(下端)连接着上粗下细的锥台部12B，圆柱状部分12A和锥台部12B构成工具本体12。而且，锥台部12B的下端装有圆柱状肩部14，该肩部14的下端中心部装有伸出的用于摩擦搅拌焊接的销15。在这里，肩部14及销15相对工具本体12成同心轴状安装。

此外，从肩部14到锥台部12B，具体地说，从肩部14的下端到锥台部12B的中途，装有除去凸起S(参见图4)的一个或数个(本实施方式为两个)对称放置的刃具11A，这样，通过旋转工具11可以在将凸起S除去的同时进行摩擦搅拌焊接。

如图3所示，刃具11A各自的端部由相互约成90度的两个刃面11Aa，11Ab组合而成。如图2所示，其中之一的刃面11Ab呈从端部开始深度逐渐由深到浅的曲面。

如图2所示，因为刃具11A形成在从肩部14到锥台部12B，所以设置简单，而无须改变现行旋转工具的基本形状。而且，在旋转工具11上在本实施的形态规定数个刃具对称放置的情况下，会均衡除去凸起S。

另外，如图2所示，因为刃具11A的端部与肩部14端部面(下端面)一致，在摩擦搅拌焊接时把销15插入被焊接件W1，W2对接部分的规定深度且在旋转的同时又移动时，不用担心刃具11A损伤被焊接件W1，W2的表面。

旋转工具11由比象铝合金之类的被焊接件W1，W2硬度更大刚性更强的件制成。

如图4所示，旋转工具11的工具本体12的圆柱状部分12A上有适用于螺栓24端面的凹槽12a，在圆柱状部分12A的基端(上端部)，焊接头5的夹具22通过螺栓24(图中只出示一个)形成可装拆固定。

此外，如图2及图3所示，旋转工具11在摩擦搅拌焊接中，在刃具11A及其附近具有生成非活性气体环境的非活性气体环境生成手段。该环境生成手段是在刃具11A及其附近，例如刃具11A的根部附近有开孔21a，从该开孔21a向刃具11A及其附近吹出非活性气体。此开孔21a为贯通旋转工具11的旋转轴方向的贯通孔21的下端开孔。

夹具22里有与非活性气体源(未示出)连通气体通道23，该气体通道23与作为贯通孔21上端的气聚集部21b连通。

这样，只将旋转工具11的基端部固定在夹具22上，旋转工具11就通过气体通道23与非活性气体简单地相连，可以向刃具11A及其附近输送非活性气体。

气体通道23在旋转工具11夹在夹具22的情况下，可以允许非活性气体的流通并可对其流量进行控制。另一方面，在旋转工具11脱离夹具22时，气体通道23将受到控制而切断非活性气体的流通。

如上构成的本实施形态的摩擦搅拌焊接装置，进行如下的摩擦搅拌焊接。首先，如图1所示，被焊接件W1，W2的长边在对接状态下由导板(图中未示)固定，在这种状态下，将对接部分以一定间隔用凸起S进行定位焊接。定位焊接用与被焊接件W1，W2的材质相近的焊接材料进行。另外，如图1所示，被焊接件W1，W2的长向两端焊有引板(舍去板)j，j，该引板j，j的对接部分也焊在一起。

然后，门形框架3在x方向移动，焊接头5沿着被焊接件W1，W2的对接部分的上方移动。在该焊接头5移动时，在旋转工具11旋转的同时控制旋转工具11的压力使其沿着所述对接部分移动。

这时，如图5所示，旋转工具11的端部销15插入到被焊接件W1，W2的对接部位高速旋转，在两枚刃具11A将凸起S除去的同时，销15及肩部14的滑接而产生的磨擦热使所述对接部分温度升高，销15的旋转使摩擦搅拌的金属在被焊接件W1，W2间塑性流动。此后，在销15通过后，被焊接件W1，W2失去了热源而急速冷却，被焊接在一起。

另外，在刃具11A将凸起S除去的时，通过刃具11A根部附近的开孔21a吹出非活性气体，向从刃具11A的根部到端部及其附近的部位同样供给非活性气体。

这样，在不影响摩擦搅拌焊接的同时持续保证了定位焊接的强度，旋转工具11引起的刃具11A的转动将凸起S除去。这时，由于刃具11A设置在从肩部14到锥台部12B的部位，被刃具11A除去的凸起S沿着刃具11A的刃面11Aa，11Ab从焊接部位排到远离的地方。因此，不必担心被刃具11A所除去的凸起S对两块被焊接件W1，W2的对接部分的摩擦搅拌焊接产生不良影响。

在将凸起S除去的同时，通过销15的旋转在防止搅拌的塑性流动的金属由工具11的肩部14向上方流出同时将其送向销15行进方向的后方，把销15通过后的对接部分填埋并进行摩擦搅拌焊接。这时，由于旋转工具11在用刃具11A除去的焊块的同时移动，所以通过旋转工具11的转动进行摩擦搅拌焊接时，两块被焊接件W1，W2的定位焊接强度得到了维持。

这样，在用旋转工具11的刃具11A除去的焊块的同时，用销15同时进行摩擦搅拌焊接，对于凸起S不需要做其他处理，在被焊接件W1，W2的对接部分的全长旋转工具的销15都可在插入到规定深度的状态下移动，结果，缩短了摩擦搅拌焊接作业的所需时间，作业效率也显著提高。

此外，尽管凸起S以一定间隔存在，在被焊接件W1，W2的对接部分的全长都能引起同样的塑性流动，对接部分的全长获得了同样的结合力。

而且，在用刃具11A将凸起S除去时，因为向刃具11A处供给非活性气体，用刃具11A除去凸起部分不是在空气中，而是发生在非活性气体的环境中，防止了刃具11A的烧毁。

另外，由于从所述气源供给的非活性气体一旦通过气体通道23输送到大容积的聚集部21b，就吹到刃具11A及其附近，所以可以保证提供足量的非活性气体。

关于以上的实施方式，虽然只出示了装有两枚刃具11A的构造，但实际上装三枚以上或仅装一枚均可。

另外，在本实施的形态中，是把两枚刃具11A装在从旋转工具11的肩部14到锥台部12B的部位，也可以只装在肩部14。而且，例如，也可以采用把刃具装在肩部14的外面以与肩部14成两个装置设置的方式，刃具也可以与旋转工具成两个装置设置但与旋转工具11一起移动。

另外，在本实施的形态中，设在通过旋转工具11上开孔21a将非活性气体吹出，实际上也可以在刃具11A及其附近以与旋转工具11分开成两个装置的方式设置非活性气体喷口。这时，所述喷口将与旋转工具11一起沿被焊接件W1，W2的对接部分移动。

另外，在本实施的形态中，是将旋转工具11固定在夹具22时，开放气体通道23，使旋转工具11与气源相连。也可以例如将旋转工具11夹在夹具22时，不开放气体通道23，而是夹在夹具上后，通过开放设在气体通道23途中的阀门，使旋转工具11与所述气源相连。

按照本发明，通过沿着两块对接放置、在对接部分用形成凸起的定位焊的被焊接件的对接部位使摩擦搅拌焊接旋转工具在旋转的同时移动，在将所述两块被焊接件摩擦搅拌焊接时，比如用装在旋转工具上的刃具，同时可以将凸起除去。

而且，通过在非活性气体的环境中使用所述刃具除去凸起，可以防止烧毁刃具。

Claims (18)

1、一种用于摩擦搅拌焊接的旋转工具，其通过沿着两块对接放置、对接部分用形成凸起的定位焊的被焊接件的对接部位在旋转的同时移动，将所述两块被焊接件进行摩擦搅拌焊接，其特征在于，设置有在沿着所述对接部分转动同时移动进行摩擦搅拌焊接时将所述凸起部分切掉的刃具。

2、如权利要求1所述的用于摩擦搅拌焊接的旋转工具，其特征在于，具有：圆柱形工具本体，在该工具本体端部形成的肩部，设置在该肩部端部的销；所述刃具在从所述肩部到工具本体的端部。

3、如权利要求1所述的用于摩擦搅拌焊接旋转工具，其特征在于，所述刃具在对称位置设置数个。

4、如权利要求1至3中任一项要求所述的摩擦搅拌焊接旋转工具，其特征在于，设有与非活性气体源连通，向所述刃具及其附近吹出非活性气体的开孔。

5、如权利要求4所述的摩擦搅拌焊接旋转工具，其特征在于，所述开孔设在所述刃具及其附近。

6、一种摩擦搅拌焊接方法，其通过沿着两块对接放置、对接部分用形成凸起的定位焊的被焊接件使摩擦搅拌焊接旋转工具在旋转的同时移动，将所述两块被焊接件进行摩擦搅拌焊接，其特征在于，在所述旋转工具转动同时移动时将所述的凸起部分切掉的同时进行摩擦搅拌焊接。

7、如权利要求6所述的摩擦搅拌焊接方法，其所述旋转工具用与其共同旋转的刃具将所述定位焊的凸起部分切掉。

8、如权利要求7所述的摩擦搅拌焊接方法，其特征在于，其所述旋转工具具有：圆柱形工具本体，在该工具本体端部形成的肩部，设置在该肩部端部的销；所述刃具在从所述肩部到所述工具本体的端部。

9、如权利要求7所述的摩擦搅拌焊接方法，其特征在于，所述刃具在所述旋转工具的对称位置设置数个。

10、如权利要求7所述的摩擦搅拌焊接方法，在通过所述刃具将所述凸起部分切掉同时进行摩擦搅拌焊接时，至少在所述刃具及其附近形成非活性气体的环境。

11、如权利要求7至10中任一项要求所述的摩擦搅拌焊接方法，其特征在于，所述刃具装在所述旋转工具上。

12、一种摩擦搅拌焊接装置，其通过沿着两块对接放置、对接部分用形成凸起的定位焊的被焊接件的对接部位使旋转工具在旋转的同时移动，将所述两块被焊接件进行摩擦搅拌焊接，其特征在于，设置有在旋转工具转动同时移动进行摩擦搅拌焊接时将所述的凸起部分同时切掉的刃具。

13、如权利要求12所述的摩擦搅拌焊接装置，其特征在于，所述旋转工具具有：圆柱形工具本体，在该工具端部形成的肩部，设置在该肩部端部的销；所述刃具在从所述肩部到所述工具本体的端部。

14、如权利要求12所述的摩擦搅拌焊接装置，其特征在于，所述刃具在所述旋转工具的对称位置设置数个。

15、如权利要求12所述的摩擦搅拌焊接装置，其特征在于，还具有使至少在所述刃具及其附近的环境形成非活性气体环境的非活性气体环境生成装置。

16、如权利要求15所述的摩擦搅拌焊接装置，所述非活性气体环境生成装置具有设置在所述刃具及其附近向所述刃具及其附近吹非活性气体的开孔。

17、如权利要求16所述的摩擦搅拌焊接装置，所述开孔通过贯通所述旋转工具的旋转轴方向的贯通孔与非活性气体源连通。

18、如权利要求16或17所述的摩擦搅拌焊接装置，所述环境生成装置有在所述贯通孔上端形成的非活性气体聚集部。

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