CN1462220A - 摩擦搅动接合工具、摩擦搅动接合方法以及接合部件制造方法 - Google Patents

Abstract

一种摩擦搅动接合工具(10A、10B)，包括：转子(11)，该转子有端部，以便压在要接合部件(1a、1b)的至少一个表面上；以及探头(13)，用于插入要接合部件(1a、1b)的接合部分(3)内，其中，该探头(13)的直径小于转子(11)的直径。转子(11)端部的端面(12)形成为凹形表面，该凹形表面从端面(12)的周边朝着该端面(12)的旋转中心凹陷。探头(13)从端面(12)的旋转中心凸出。该端面(12)有环绕该探头(13)的螺旋槽(15)或环形槽(16)。通过用该接合工具(10A、10B)执行接合操作，可以获得具有良好接头的接合部件。

Description

摩擦搅动接合工具、摩擦搅动接合方法 以及接合部件制造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求申请日为2001年6月29日的临时申请No.60/301422的申请日的优先权。

技术领域

本发明涉及一种摩擦搅动接合(friction agitation joining)工具、摩擦搅动接合方法以及接合部件的制造方法。尤其是，本发明涉及：一种摩擦搅动接合工具，用于接合由金属例如铝或其合金制成的要接合部件；一种摩擦搅动接合方法以及使用该接合工具制造接合部件的方法。

背景技术

摩擦搅动接合方法是一种固态接合方法，它的优点在于该方法能够用于各种要接合部件，不管金属材料的种类如何，并能使得由于接合引起的热应力小。近年来，该方法已经用作制造接合部件的接合装置，该接合部件用作船、汽车和火车的地板部件、墙部件、顶板部件、悬臂部件等。

下面将参考图11介绍普通的摩擦搅动接合方法，其中，两个由铝合金制成的板形要接合部件以对抵方式接合成一体。

在图11中，参考标号110A表示普通的摩擦搅动接合工具。该接合工具110A有柱形转子111和销钉形作用头/探头(probe)113，该销钉形探头113的直径小于该转子111。探头113成一体从转子111端部的端面112的旋转中心凸出。转子111的端面112形成垂直于转子111的旋转轴线Q’的扁平表面。

使用接合工具110A时，探头113随转子111的旋转而旋转。旋转探头113插入要接合部件101a和101b的对抵部分103中，这样，旋转转子111端部与要接合部件101a和101b的表面接触。然后，在保持该状态的情况下，转子111端部沿对抵部分103前进。

通过由于探头113旋转而产生的摩擦热以及由于转子111端部的端面112和要接合部件101a和101b之间的摩擦而产生的摩擦热，要接合部件101a和101b在要接合部件101a和101b的与转子111端部和探头113接触的部分的周围将软化。然后，该软化部分中的材料将受到转子111端部的旋转力以及探头113的旋转力，从而进行搅动和混合。而且，随着转子111端部的前进，该软化材料将塑性流体化，以便充满当转子111端部和探头113经过后形成的槽。然后，由于立即失去摩擦热，该材料将冷却和固化。该现象将随着转子111端部的前进而重复，从而使要接合部件101a和101b在对抵部分103处(接合部分104)接合成一体。从而可以获得接合部件。

另外，在该摩擦搅动接合方法中，当转子110端部沿对抵部分103前进时，要接合部件101a和101b的、通过摩擦热而软化的材料将由于受到转子111端部的前进压力而朝着要接合部件101a和101b的外表面推出。这产生以下缺点。在接合部分104中可能产生由于缺乏材料而引起的接合缺陷(例如空心部分)。在接合部分104的表面上可能产生由推出的材料形成的毛刺(burrs)。接合部分104的厚度可能由于推出材料而减小。因此，不能获得具有良好接合情况的接合部件。

为了解决上述问题，通常，接合操作可以如下进行。如图11所示，在转子111端部前进时，转子111的旋转轴线Q’相对于接合方向向后倾斜(即向运动方向的后侧)，这样，转子111端部的端面12的、前进的前边缘将从要接合部件101a和101b的表面上升高。当保持该倾斜状态时，转子111端部沿对抵部分103前进。在图11中，参考字母T’表示在要接合部件101a和101b的表面上的、在探头插入位置处的垂直线。参考字母θ’表示当转子111的旋转轴线Q’相对于接合方向朝后倾斜时该旋转轴线Q’相对于垂直线T’的倾斜角。

在本方法中，转子111端部前进，同时保持倾斜状态，在该倾斜状态，转子111端部的端面112的前进边缘从要接合部件101a和101b的表面升高，这样，要接合部件101a和101b的材料由转子111的端面112保持，以防止材料从中溢出。因此，能够解决上述问题。

不过，在普通接合工具110A中，因为转子111端部的端面112形成扁平表面，因此难以通过该端面112保持要接合部件101a和101b的材料。

而且，根据该方法，转子111端部必须在转子111的旋转轴线Q’相对于接合方向向后倾斜的状态下前进。因此，难以进行接合操作。当要接合部分沿圆线等弯曲时，该接合操作尤其困难。

发明内容

本发明考虑到上述技术背景。本发明的目的是提供一种摩擦搅动接合工具、一种摩擦搅动接合方法以及接合部件制造方法，它们能够保持要接合部件的由于摩擦热而软化的材料，并能够获得有良好接合情况的接合部件。

通过下面的优选实施例，能够了解本发明的其它目的和优点。

根据本发明的第一方面的一种摩擦搅动接合工具，包括：转子，该转子有端部，以便压在要接合部件的至少一个表面上；以及探头，用于插入要接合部件的接合部分内，该探头的直径小于转子的直径，其特征在于：转子端部的端面形成为有凹形表面，该凹形表面从端面的周边朝着该端面的旋转中心凹陷，探头从端面的旋转中心凸出，并且该端面有环绕该探头的螺旋槽。

在本发明第一方面的接合工具中，因为转子端部的端面形成从端面的周边朝着该端面的旋转中心凹陷的凹形表面，因此要接合部件的、通过摩擦热而软化的材料能够保持在该凹形端面中。而且，因为在凹形端面上形成槽，材料由该槽收集/捕获，这改善了材料的保持力。因此，能够有效防止保持的材料朝着要接合部件的表面推出，从而获得有良好接合情况的接合部件。尤其是，因为槽形成为螺旋形式，由该槽收集的材料将塑性流体化，以便随转子的旋转而朝着探头聚集。因此，将更有效地防止将材料朝接合部件的表面推出，并能够更加改善材料的保持力。因此，可以获得具有更高接合质量的接合部件。而且，通过利用该接合工具进行接合操作，在转子的旋转轴线并不相对于接合方向向后倾斜的情况下，接合部件的材料能够牢固保持。因此，在要接合部件的接合部分沿直线延伸的情况下甚至在它为曲线时，转子端部都可以很容易沿该接合部分相对于要接合部件前进

在前述本发明的第一方面中，优选是底面设有多个具有预定相位差的槽。这时，材料的保持力和聚集力都将改善。因此，能有效防止材料朝着要接合部件的表面推出。

在本发明的前述第一方面中，优选是，槽的宽度w1落在从0.5至2.0mm的范围内。这时，能够确实获得上述材料保持效果。

在本发明的前述第一方面中，优选是，槽的平均深度h1落在从0.5×w1到2×w1mm的范围内，其中w1是槽的宽度。这时，能够确实获得上述效果。

在本发明的前述第一方面中，优选是，探头在它的外表面上有搅动凸起。这时，能够更有效地搅动材料。

根据本发明的第二方面，一种摩擦搅动接合工具，包括：转子，该转子有端部，以便压在要接合部件的至少一个表面上；以及探头，用于插入要接合部件的接合部分内，该探头的直径小于转子的直径，其特征在于：转子端部的端面形成为有凹形表面，该凹形表面从端面的周边朝着该端面的旋转中心凹陷，探头从端面的旋转中心凸出，且该端面设有环绕该探头的环形槽。

对于本发明第二方面的接合工具，因为转子端部的端面形成从端面的周边朝着该端面的旋转中心凹陷的凹形表面，因此要接合部件的、通过摩擦热而软化的材料能够保持在该凹形端面中。而且，因为在凹形端面上形成槽，材料由该槽收集，这改善了材料的保持力。因此，能够有效防止保持的材料朝着要接合部件的表面推出。因此，能够获得有良好接合情况的接合部件。而且，通过利用该接合工具进行接合操作，在转子的旋转轴线并不相对于接合方向向后倾斜的情况下，接合部件的材料能够牢固保持。因此，即使在接合部件的接合部分为曲线的情况下，转子端部也可以很容易沿该接合部分相对于要接合部件前进，与要接合部件的接合部分沿直线延伸的情况一样。

在前述本发明的第二方面中，优选是，端面设有多个环绕转子的端面的旋转中心的同心槽。这时，材料的保持力改善。因此，能有效防止材料朝着要接合部件的表面推出。

在本发明的前述第二方面中，优选是，槽的宽度w2落在从0.5至2.0mm的范围内。这时，能够确实获得上述材料保持效果。

在本发明的前述第二方面中，优选是，槽的平均深度h2落在从0.5×w2到2×w2mm的范围内，其中w2是槽的宽度。这时，能够确实获得上述材料保持效果。

在本发明的前述第二方面中，优选是，探头在它的外表面上有搅动凸起。这时，能够更有效地搅动材料。

根据本发明的第三方面，一种摩擦搅动接合工具，包括：转子，该转子有端部，以便压在要接合部件的至少一个表面上；以及探头，用于插入要接合部件的接合部分内，该探头的直径小于转子的直径，其特征在于：转子端部的端面形成为有凹形表面，该凹形表面从端面的周边朝着该端面的旋转中心凹陷，探头从端面的旋转中心凸出，且转子在它的端部的整个外周上有台阶部分，该台阶部分成台阶状朝着探头接近。

对于本发明第三方面的接合工具，成台阶状朝着探头接近的台阶部分形成于转子端部的外周上。因此当转子的端部压在要接合部件的表面上时，各台阶部分的肩部有力地压在要接合部件的表面上。因此，能够更有效地防止材料朝着要接合部件的表面推出。而且，材料的保持力能够进一步增加。因此，能够获得有良好接合质量的接合部件。而且，通过利用该接合工具进行接合操作，在转子的旋转轴线并不相对于接合方向向后倾斜的情况下，接合部件的材料能够牢固保持。因此，即使在接合部件的接合部分为曲线的情况下，转子端部也可以很容易沿该接合部分相对于要接合部件前进，与要接合部件的接合部分沿直线延伸的情况一样。

在前述本发明的第三方面中，优选是，转子设有多个台阶部分。这时，转子端部的外周表面更有力地压在要接合部件的表面上。因此，能有效防止材料朝着要接合部件的表面推出。

在本发明的前述第三方面中，优选是，台阶部分的半径差s落在从0.3到1mm的范围内。这时，能够确实获得上述材料保持效果。

在本发明的前述第三方面中，优选是，探头在它的外表面上设有搅动凸起。这时，能够更有效地搅动材料。

根据本发明的第四方面的一种使用根据本发明第一方面的摩擦搅动接合工具进行摩擦搅动接合的方法，包括以下步骤：将旋转探头插入要接合部件的接合部分中；将旋转转子的端部压在要接合部件的至少一个表面上；以及使该转子的端部沿该接合部分相对于要接合部件前进。

对于该摩擦搅动接合方法，通过使用根据本发明第一方面的摩擦搅动接合工具，将有效防止材料朝着要接合部件的表面推出。从而获得有良好接合情况的接合部件。尤其是，因为槽形成为螺旋形式，由该槽收集的材料将塑性流体化，以便随转子的旋转而朝着探头聚集。因此，将更有效地防止朝着接合部件的表面推出材料。而且，能够进一步改善材料的保持力。可以获得具有更高接合质量的接合部件。

在前述本发明的第四方面中，优选是在转子的旋转轴线并不相对于接合方向倾斜的情况下使转子端部相对于接合部件前进。这时，即使在接合部件的接合部分为曲线的情况下，转子端部也可以很容易沿该接合部分相对于要接合部件前进，与该要接合部件的接合部分沿直线延伸的情况一样。

在本发明的前述第四方面中，优选是，转子沿当从转子的端面看时使得槽从转子的端面的中心环绕探头延伸的方向驱动旋转。这时，由于转子端部的端面的旋转力，由槽收集的材料确实朝着探头聚集。因此，将更有效地防止朝着要接合部件的表面推出材料。而且，能够进一步改善材料的保持力。由此可以获得具有更高接合质量的接合部件。

根据本发明的第五方面的一种使用根据本发明第二方面的摩擦搅动接合工具进行摩擦搅动接合的方法，包括以下步骤：将旋转探头插入要接合部件的接合部分中；将旋转转子的端部压在要接合部件的至少一个表面上；以及使该转子的端部沿该接合部分相对于要接合部件前进。

对于该摩擦搅动接合方法，通过使用根据本发明第二方面的摩擦搅动接合工具，将有效防止材料朝着要接合部件的表面推出。从而获得有良好接合情况的接合部件。

在前述本发明的第五方面中，优选是在转子的旋转轴线并不相对于接合方向倾斜的情况下使转子端部相对于要接合部件前进。这时，即使在要接合部件的接合部分为曲线的情况下，转子端部也可以很容易沿该接合部分相对于要接合部件前进，与该要接合部件的接合部分沿直线延伸的情况一样。

根据本发明的第六方面的一种使用根据本发明第三方面的摩擦搅动接合工具进行摩擦搅动接合的方法，包括以下步骤：将旋转探头插入要接合部件的接合部分中；将旋转转子的端部压在要接合部件的至少一个表面上；以及使该转子的端部沿该接合部分相对于要接合部件前进。

对于该摩擦搅动接合方法，通过使用根据本发明第三方面的摩擦搅动接合工具，将有效防止材料朝着要接合部件的表面推出。从而获得有良好接合情况的接合部件。

在前述本发明的第六方面中，优选是在转子的旋转轴线并不相对于接合方向倾斜的情况下使转子端部相对于要接合部件前进。这时，即使在要接合部件的接合部分为曲线的情况下，转子端部也可以很容易沿该接合部分相对于要接合部件前进，与该要接合部件的接合部分沿直线延伸的情况一样。

根据本发明的第七方面的一种制造其中第一要接合部件和第二要接合部件在它们的接合部分处接合成一体的接合部件的方法包括以下步骤：使用根据本发明第一方面的摩擦搅动接合工具；将旋转探头插入接合部分中；将旋转转子的端部压在要接合部件的至少一个表面上；以及使该转子的端部沿该接合部分相对于要接合部件前进，从而在该接合部分使第一要接合部件与第二要接合部件进行接合。

对于制造接合部件的该方法，由于与前述第四发明相同的效果，因此能获得具有更高接合质量的接合部件。

在前述本发明的第七方面中，优选是在转子的旋转轴线并不相对于接合方向倾斜的情况下使转子端部相对于要接合部件前进。这时，即使在要接合部件的接合部分为曲线的情况下，转子端部也可以很容易沿该接合部分相对于要接合部件前进，与该要接合部件的接合部分沿直线延伸的情况一样。

在本发明的前述第七方面中，优选是，转子沿当从转子的端面看时使得槽从转子的端面的中心环绕探头延伸的方向驱动旋转。这时，由于转子端部的端面的旋转力，由槽收集的材料确实朝着探头聚集。因此，将更有效地防止朝着接合部件的表面推出材料。而且，能够进一步改善材料的保持力。可以获得具有更高接合质量的接合部件。

根据本发明的第八方面的一种制造其中第一要接合部件和第二要接合部件在它们的接合部分处接合成一体的接合部件的方法包括以下步骤：使用根据本发明第二方面的摩擦搅动接合工具；将旋转探头插入接合部分中；将旋转转子的端部压在要接合部件的至少一个表面上；以及使该转子的端部沿该接合部分相对于要接合部件前进，从而在该接合部分使第一要接合部件与第二要接合部件进行接合。

对于制造接合部件的该方法，由于与前述第五发明相同的效果，因此能获得具有更高接合质量的接合部件。

在前述本发明的第八方面中，优选是在转子的旋转轴线并不相对于接合方向倾斜的情况下使转子端部相对于要接合部件前进。这时，即使在要接合部件的接合部分为曲线的情况下，转子端部也可以很容易沿该接合部分相对于要接合部件前进，与该要接合部件的接合部分沿直线延伸的情况一样。

根据本发明的第九方面，一种制造接其中第一要接合部件和第二要接合部件在它们的接合部分处接合成一体的合部件的方法包括以下步骤：使用根据本发明第三方面的摩擦搅动接合工具；将旋转探头插入接合部分中；将旋转转子的端部压在要接合部件的至少一个表面上；以及使该转子的端部沿该接合部分相对于要接合部件前进，从而在该接合部分使第一要接合部件与第二要接合部件进行接合。

对于制造接合部件的该方法，由于与前述第六方面相同的效果，因此能获得具有更高接合质量的接合部件。

在前述本发明的第九方面中，优选是在转子的旋转轴线并不相对于接合方向倾斜的情况下使转子端部相对于要接合部件前进。这时，即使在要接合部件的接合部分为曲线的情况下，转子端部也可以很容易沿该接合部分相对于要接合部件前进，与该要接合部件的接合部分沿直线延伸的情况一样。

附图的简要说明

图1是表示通过使用第一实施例的接合工具进行接合操作时的状态的透视图。

图2是沿图1中的线2-2的放大剖视图。

图3是第一实施例的接合工具的放大底视平面图。

图4是沿图3中的线4-4的剖视图。

图5是第二实施例的接合工具的底视平面图。

图6是沿图5中的线6-6的剖视图。

图7是第三实施例的接合工具的半剖侧视图。

图8是由图7中的虚线包围的部分A的放大剖视图。

图9是用于对比实例1中的接合工具的半剖侧视图。

图10是用于对比实例2中的接合工具的半剖侧视图。

图11是表示通过使用普通接合工具进行接合操作时的状态的透视图。

实施发明的最佳形式

下面将参考附图详细介绍本发明。

图1至4表示了本发明的第一实施例。在图1中，参考标号1a表示扁平金属第一要接合部件，参考标号1b表示扁平金属第二要接合部件。在本实施例中，接合部件1a和1b都由铝或其合金制成。第一要接合部件1a的厚度和第二要接合部件1b的厚度相同。第一要接合部件1a的侧向与第二要接合部件1b的侧向对抵，这样，它们的上表面彼此对齐。在该对抵状态，这些要接合部件1a和1b由支承部件(未示出)从它们的后侧向表面支承。

在本实施例中，要接合部件1a和1b的对抵部分3通过摩擦搅动接合方法沿对抵部分进行接合，以便生成对抵接合部件。因此，在本实施例中，要接合部件1a和1b的对抵部分3构成进行接合的部分或要接合的部分。

在图1中，参考标号10A表示执行摩擦搅动接合方法的接合工具。该接合工具10A有柱形转子11和销钉形探头13，该探头13的直径小于转子11。转子11端部压在要接合部件1a和1b的表面上。探头13将插入对抵部分3内。转子11和探头13由耐热材料制成，该耐热材料比要接合部件1a和1b更硬，并能够承受在接合时产生的热量。

在接合工具10A中，如图4所示，转子11端部的周边表面的拐角部分11a和端面12沿它的整个周边进行圆角。这防止了当该拐角部分11a按压在要接合部件1a和1b的表面上时产生损坏。

转子11端部的端面12形成为有倒V形横截面的凹形表面，该凹形表面从端面12的周边朝着它的旋转中心以预定倾斜度而凹入。探头13从端面12的旋转中心部分成一体凸出，从而与转子11的旋转轴线Q重合。

而且，如图3所示，在转子11的端面12上形成有两个螺旋槽15和15，以便以180°相位差环绕探头13。这些槽15和15形成于从探头13的基底端到端面12的外周的区域上。如图4所示，各槽15形成为有U形横截面，以便收集要接合部件1a和1b的、通过摩擦热而软化的材料，从而在接合时改善在凹形端面12中的材料的保持力。

优选是，槽15的宽度w1落在从0.5mm到2.0mm的范围内。优选是，槽15的平均深度h1落在从0.5×w1到2.0×w1mm的范围内。而且，优选是，槽1 5在包括转子11的旋转轴线Q的横截平面内的节距p1落在从1.5×w1到4.0×w1mm的范围内。通过如上述设定这些值，确实可以获得前述作用。

另一方面，在探头13的外表面上，有三角形横截面的螺旋搅动凸起13a大致沿该探头13的整个长度形成。在本实施例中，该探头13形成为类似于M5螺钉的杆，螺旋搅动凸起13a对应于螺钉的螺纹。搅动凸起13a用于高效搅动要接合部件1a和1b的、通过摩擦热而软化的材料。

如图1所示，当要接合部件1a和1b的对抵部分3利用上述结构的接合工具10A来进行接合时，转子沿预定旋转方向R(该旋转方向R将在后面介绍)绕旋转轴线Q旋转。因此，探头13与转子11一起旋转。然后，旋转探头13从要接合部件1a和1b的上表面插入对抵部分3中，直到旋转转子11端部压在该表面上并且转子11的旋转轴线Q与在探头13插入位置处的垂直线T重合。这时，通过将转子11端部压在要接合部件1a和1b的表面上，转子11端部稍微插入要接合部件1a和1b，如图2所示。在保持该状态的情况下，转子11端部沿对抵部分3前进。前进方向M为接合方向。在本发明中，探头13可以从接合部件1a和1b的纵向端插入对抵部分3中。

这时，通过随探头13的旋转而产生的摩擦热以及随转子11端部的端面12和要接合部件1a和1b的表面之间的摩擦而产生的摩擦热，要接合部件1a和1b在要接合部件1a和1b与转子11端部以及探头13之间的接触部分周围软化。要接合部件1a和1b的软化材料将由于受到来自转子11端部的压力而保持在转子11的凹形端面12内。因此，能有效防止材料朝要接合部件1a和1b的外表面推出。而且，由于受到来自转子11端部的压力，材料将充填到槽15内，这确实防止材料的溢出。

这样，要接合部件1a和1b的、保持在转子11端部的凹形端面12内部的材料将由于转子11端部以及探头13的旋转力而进行搅动和混合。材料将塑性流体化，以便充满在转子11端部和探头13随转子11端部的前进运动而经过之后形成的槽。然后，由于立即失去摩擦热，该材料被冷却和固化。该现象将随着转子11端部的前进而重复。这使得要接合部件1a和1b沿对抵部分3的整个长度接合成一体，从而可以获得规定的接合部件。在图1中，参考标号4表示形成于要接合部件1a和1b的对抵部分3处的接合部分。

在第一实施例中，转子11的旋转方向R设置为如图3中所示方向。也就是，当从转子11的端面12看时，将沿使得槽15从转子11的端面12的中心朝着端面12的外周延伸的方向来驱动转子11。这使得被槽15收集的材料能够塑性流体化，以便随着转子11的端面12的旋转而朝着探头13收集。因此，可以更确实地防止材料溢出，从而形成更好的接合部分4。

在上述摩擦搅动接合方法中，采用了这样的接合工具10A，其中，转子11端部的端面12形成有前述螺旋槽15的前述凹形表面。因此，在不使转子11的旋转轴线Q相对于接合方向M向后倾斜的情况下，要接合部件1a和1b的材料能够可靠地保持在凹形端面12内。因此，通过接合工具10A，转子11端部的前进操作(即接合操作)可以在转子11的旋转轴线Q与要接合部件1a和1b在探头插入位置处的表面的垂直线T重合(即Q＝T)的状态下进行，或者可以在旋转轴线Q位于与接合方向M垂直的平面内的状态下进行。因此，即使在对抵部分3弯曲(未示出)的情况下，转子11端部的前进操作(即接合操作)可以很容易地进行，与本实施例中对抵部分3直线延伸的情况那样。

而且，根据接合工具10A，因为要接合部件1a和1b的材料能够牢固保持在凹形端面12内，因此能够防止由于缺乏材料而产生的接合缺陷(例如空心部分)以及由于材料的溢出而产生的毛刺。此外，能够防止减小接合部分的厚度。因此，使用上述接合工具10A可以获得具有良好接合情况的接合部件。

此外，在本发明中，转子11可以有一个或多个螺旋槽15。尤其优选是，该转子11有多个螺旋。

图5和6表示了本发明第二实施例的接合工具10B。在这些附图中，相同的参考标号表示与第一实施例的接合工具10A相同的元件。

在接合工具10B中，在转子11端部的端面12上设有三个具有不同半径的环形槽16，这三个环形槽16偏心(eccentrically)环绕旋转中心，从而环绕探头13。槽16的优选宽度w2、平均深度h2以及节距p2与第一实施例的接合工具10A的槽15的情况相同。

接合工具10B的其它结构与第一实施例的接合工具10A的结构相同。使用该接合工具10B的接合方法与第一实施例中所介绍的方法相同。因此，省略相同的说明。

在接合工具10B中，由于受到转子11端部的压力，要接合部件1a和1b的材料保持在转子11端部的凹形端面12的内部。此外，材料可以确实由槽16保持，从而生成有良好接合情况的接合部件。

在本发明中，转子11有一个或多个环形槽16。优选是，该转子11有多个槽16。

图7和8表示了本发明第三实施例的接合工具10C。在这些附图中，相同的参考标号表示与第一实施例的接合工具10A相同的元件。

在接合工具10C中，在转子11端部的端面12上并没有设槽15，而是在转子11端部的、环绕转子11的旋转轴线Q的整个周边上设有两个台阶部分，每个台阶部分有L形截面。该台阶部分形成为成阶梯状从上面一个向下面一个朝着探头13接近。在图8中，参考标号17表示各台阶部分的肩部。

接合工具10C的其它结构与第一实施例的接合工具10A的结构相同。使用该接合工具10C的接合方法与第一实施例中所介绍的方法相同。因此，省略相同的说明。

在接合工具10C中，因为在转子11端部的整个外周上形成有两个台阶的部分，通过将转子11端部压在要接合部件1a和1b的表面，肩部17和17可以压在要接合部件1a和1b上。因此，转子11端部的外周表面可以确实压在要接合部件1a和1b的表面上，因此，可以有效防止要接合部件1a和1b的、保持在凹形端面12中的材料从中溢出。这样，可以很容易地获得具有良好接合情况的对抵接合部件。

在接合工具10C中，为了确实获得上述效果，优选是相邻台阶部分的半径差s落在从0.3到1.0mm的范围内。

在本发明中，转子11可以有一个、三个或更多台阶部分。更优选是该转子11有多个台阶部分。

上述说明涉及本发明的第一至第三实施例。不过，本发明并不局限于这些实施例而是可以进行各种变化。

例如，接合工具的转子11端部的端面12可以形成有弧线截面的凹形表面，该凹形表面从端面12的周边朝着它的旋转中心凹入。

接合工具可以在转子11端部的外周表面设有台阶部分以及在转子11端面12上设有螺旋槽15或环形槽16。

对于接合操作，可以执行一个使要接合部件1a和1b前进而转子11的位置固定的接合操作，这样，对抵部分3经过转子11端部。

而且，在本发明中，摩擦搅动接合工具和使用该工具制造接合部件的方法不仅可以用于要接合部件的对抵部分的接合操作-如上所述，而且可以用于接合各种类型的接合部分的接合操作，例如对要接合部件的层叠部分以及要接合部件的相交点进行接合。

下面将介绍本发明的实例。

实例1

制备由铝合金制成并有相同形状和尺寸的两个扁平要接合部件或第一和第二要接合部件(材料：JIS A6063-T5；尺寸：200mm长×100mm宽×4mm厚)。第一要接合部件1a的侧向与第二要接合部件1b的侧向对抵，这样，它们的上表面彼此平齐。然后，根据第一实施例的接合方法利用图3和4所示的第一实施例的接合工具10A而使得要接合部件1a和1b的对抵部分3沿其整个长度进行接合。在本实例中，在转子11的旋转轴线Q与要接合部件1a和1b的表面在探头插入位置处的垂直线T重合的状态下进行接合，也就是，转子11的旋转轴线Q与垂直线T之间的向后倾斜角θ为0°。

在用于本实例的接合工具10A中，探头13的杆结构与螺钉M5相同，转子11端部的直径为15mm，探头13的长度为4mm。接合工具10A的槽15的尺寸和在本实例中采用的接合条件如下：

接合工具的槽的尺寸

槽的宽度w1......1mm

槽的平均深度h1......1mm

槽的节距p1......2mm

接合条件

转子转速......1000rpm

接合速度......600mm/分钟。

实例2

利用图5和6所示的第二实施例的接合工具10B而使得前述要接合部件的对抵部分沿其整个长度进行接合。接合工具10B的槽的尺寸以及在本实例中采用的接合条件如下。接合工具的其它尺寸和接合条件与上述实例1相同：

接合工具的槽的尺寸

槽的宽度w2......1mm

槽的平均深度h2......1mm

槽的节距p2......2mm

实例3

利用图7和8所示的第三实施例的接合工具10C而使得前述要接合部件的对抵部分沿其整个长度进行接合。接合工具10C的槽的尺寸以及在本实例中采用的接合条件如下。接合工具的其它尺寸和接合条件与上述实例1相同：

接合工具的台阶部分的尺寸

相邻台阶部分之间的半径差s......0.5mm

对比实例1

前述要接合部件的对抵部分利用图9中所示的接合工具210A沿其整个长度进行接合。其它的接合条件与前述实例1相同。其中，接合工具210A的转子211端部的端面212形成垂直于旋转轴线Q’的扁平表面。在端面212上没有槽。该接合工具210A的其它结构与第一实施例的接合工具10A相同。

对比实例2

前述要接合部件的对抵部分利用图10中所示的接合工具210B沿其整个长度进行接合。其它的接合条件与前述实例1相同。其中，接合工具210B的转子211端部的端面212形成有倒V形的凹形截面，从端面212的周边朝着它的旋转中心凹入。在端面212上没有槽。该接合工具210B的其它结构与第一实施例的接合工具10A相同。

对比实例3

前述要接合部件的对抵部分利用图10中所示的接合工具210B沿其整个长度进行接合。其中，转子11的旋转轴线Q相对于垂直线T的向后倾斜角θ为3°。其它的接合条件与前述实例1相同。

对通过前述实例1至3和对比实例1至3获得的各接合部件，进行视觉观察，以便检查接合部分的表面状态，并进行X射线检查，以便发现接合缺陷。结果如表1所示。

表1

	接合工具	倾斜角θ	接合部分表面状态	接合部分内部缺陷
					实例1	10A	0°	◎	无
实例2	10B	0°	○	无
					实例3	10C	0°	△	无
对比实例1	210A	0°	×	有
					对比实例2	210B	0°	○	有
对比实例3	210B	3°	○	无

在表1的“接合部分表面状态”栏中，标记×表示接合部分的表面状态较差。另一方面，标记△、○和◎表示接合部分的表面状态良好。标记◎表示最好的状态，标记○表示第二好的状态，标记△表示第三好的状态。

如表1所示，在实例1至3中，各接合部分的表面状态都良好，在接合部分中没有产生内部缺陷例如空心部分，且该接合部分的厚度并不减小。这表明通过使用这些接合工具，即使在接合时转子的旋转轴线相对于接合方向并不向后倾斜，也能够获得良好的接合部分。尤其是，在实例1中，形成具有非常好的表面状态的接合部分。因此，证明可以获得具有极高接合质量的对抵接合部件。

另一方面，在对比实例1和2中，在接合部分产生内部缺陷例如空心部分，并不能形成良好的接合部分。还有，在对比实例1中，在接合部分的表面上产生毛刺，表面状态较差。在对比实例3中，因为接合操作必须在转子的旋转轴线相对于接合方向向后倾斜的状态下进行，接合操作困难。

如上所述，本发明总结如下。

根据本发明第一方面的摩擦搅动接合工具，要接合部件的通过摩擦热而软化的材料能够在接合时牢固保持在转子端部的端面内部。因此，有效防止材料的溢出，并能形成具有极好情况的接合部分。此外，通过该接合工具，在接合时，因为要接合部件的材料能够在转子的旋转轴线并不相对于接合方向倾斜的情况下可靠保持，因此接合操作容易执行。

根据本发明第二方面的摩擦搅动接合工具，要接合部件的通过摩擦热而软化的材料能够在接合时保持在转子端部的凹形端面内部。因此，有效防止材料的溢出，并能形成具有极好情况的接合部分。此外，通过该接合工具，在接合时，因为要接合部件的材料能够在转子的旋转轴线并不相对于接合方向倾斜的情况下保持，因此接合操作容易执行。

根据本发明第三方面的摩擦搅动接合工具，转子的端部的外周表面可以在接合时用力压在要接合部件的表面上。因此能够防止材料的溢出。此外，通过该接合工具，在接合时，因为要接合部件的材料能够在转子的旋转轴线并不相对于接合方向倾斜的情况下保持，因此接合操作容易执行。

根据本发明第四方面的摩擦搅动接合方法，可以获得具有极高接合质量的接合部件，并能够很容易地执行接合操作。

根据本发明第五方面的摩擦搅动接合方法，可以获得具有极高接合质量的接合部件，并能够很容易地执行接合操作。

根据本发明第六方面的摩擦搅动接合方法，可以获得具有极高接合质量的接合部件，并能够很容易地执行接合操作。

根据本发明第七方面的接合部件制造方法，可以获得具有极高接合质量的接合部件，并能够很容易地执行接合操作。

根据本发明第八方面的接合部件制造方法，可以获得具有极高接合质量的接合部件，并且便于执行接合操作。

根据本发明第九方面的接合部件制造方法，可以获得具有极高接合质量的接合部件，并且便于执行接合操作。

本申请要求申请日为2000年9月21日的日本专利申请No.2000-287123的优先权，该文献的内容整个被本文参引。

本说明书的术语和说明只是为了说明性目的，本发明并不局限于这些术语和说明。应当知道，在不脱离由附加权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化。在权利要求的限定范围内，本发明能够进行任何设计变化，除非它偏离了本发明的精神。

工业实用性

如上所述，本发明的摩擦搅动接合工具适于用作制造各种接合部件的接合工具，例如制造用于船、汽车和火车的地板部件、壁部件、顶板部件、悬臂部件等。

本发明的摩擦搅动接合方法适于用作制造各种接合部件的接合方法，例如制造用于船、汽车和火车的地板部件、壁部件、顶板部件、悬臂部件等。

本发明的制造接合部件的方法适于用作制造各种接合部件的方法，例如制造用于船、汽车和火车的地板部件、壁部件、顶板部件、悬臂部件等。

Claims (28)

1.一种摩擦搅动接合工具，包括：转子，该转子有一个端部，以便压在要接合部件的至少一个表面上；以及探头，用于插入要接合部件的接合部分内，所述探头的直径小于所述转子的直径，其特征在于：

所述转子的所述端部的端面形成为有凹形表面，该凹形表面从所述端面的周边朝着所述端面的旋转中心凹陷；

所述探头从所述端面的所述旋转中心凸出；以及

所述端面设有一个环绕所述探头的螺旋槽。

2.根据权利要求1所述的摩擦搅动接合工具，其中：所述端面设有多个具有预定相位差的所述槽。

3.根据权利要求1所述的摩擦搅动接合工具，其中：所述槽的宽度w1落在从0.5至2.0mm的范围内。

4.根据权利要求1所述的摩擦搅动接合工具，其中：所述槽的平均深度h1落在从0.5×w1到2×w1mm的范围内，其中w1是所述槽的宽度。

5.根据权利要求1所述的摩擦搅动接合工具，其中：所述探头在它的外表面上有搅动凸起。

6.一种摩擦搅动接合工具，包括：转子，该转子有端部，以便压在要接合部件的至少一个表面上；以及探头，用于插入要接合部件的接合部分内，所述探头的直径小于所述转子的直径，其特征在于：

所述转子的所述端部的端面形成为有凹形表面，该凹形表面从所述端面的周边朝着所述端面的旋转中心凹陷；

所述探头从所述端面的所述旋转中心凸出；以及

所述端面设有环绕所述探头的环形槽。

7.根据权利要求6所述的摩擦搅动接合工具，其中：所述底面设有多个环绕所述转子的所述端面的所述旋转中心的同心槽。

8.根据权利要求6所述的摩擦搅动接合工具，其中：所述槽的宽度w2落在从0.5至2.0mm的范围内。

9.根据权利要求6所述的摩擦搅动接合工具，其中：所述槽的平均深度h1落在从0.5×w2到2×w2mm的范围内，其中w2是所述槽的宽度。

10.根据权利要求6所述的摩擦搅动接合工具，其中：所述探头在它的外表面上有搅动凸起。

11.一种摩擦搅动接合工具，包括：转子，该转子有端部，以便压在要接合部件的至少一个表面上；以及探头，用于插入要接合部件的接合部分内，所述探头的直径小于所述转子的直径，其特征在于：

所述转子的所述端部的一个端面形成为有凹形表面，该凹形表面从所述端面的周边朝着所述端面的旋转中心凹陷；

所述探头从所述端面的所述旋转中心凸出；以及

所述转子在它的所述端部的整个外周上有台阶部分，所述台阶部分成台阶状朝着所述探头接近。

12.根据权利要求11所述的摩擦搅动接合工具，其中：所述转子设有多个所述台阶部分。

13.根据权利要求11所述的摩擦搅动接合工具，其中：所述台阶部分的半径差s落在从0.3到1mm的范围内。

14.根据权利要求11所述的摩擦搅动接合工具，其中：所述探头在它的外表面上有一个搅动凸起。

15.一种使用如权利要求1所述的摩擦搅动接合工具进行摩擦搅动接合的方法，包括以下步骤：

将所述旋转探头插入所述要接合部件的所述接合部分中；

将所述旋转转子的所述端部压在所述要接合部件的至少一个表面上；以及

使所述转子的端部沿所述接合部分相对于所述要接合部件前进。

16.根据权利要求15所述的摩擦搅动接合方法，其中：在所述转子的旋转轴线并不相对于接合方向倾斜的情况下使所述转子的所述端部相对于所述要接合部件前进。

17.根据权利要求15所述的摩擦搅动接合方法，其中：所述转子沿当从所述转子的所述端面看时使得槽从转子的所述端面的中心环绕探头延伸的方向驱动旋转。

18.一种使用如权利要求6所述的摩擦搅动接合工具进行摩擦搅动接合的方法，包括以下步骤：

将所述旋转探头插入所述要接合部件的所述接合部分中；

将所述旋转转子的所述端部压在所述要接合部件的至少一个表面上；以及

使所述转子的端部沿所述接合部分相对于所述要接合部件前进。

19.根据权利要求18所述的摩擦搅动接合方法，其中：在所述转子的旋转轴线并不相对于接合方向倾斜的情况下使所述转子的所述端部相对于所述要接合部件前进。

20.一种使用如权利要求11所述的摩擦搅动接合工具进行摩擦搅动接合的方法，包括以下步骤：

将所述旋转探头插入所述要接合部件的所述接合部分中；

将所述旋转转子的所述端部压在所述要接合部件的至少一个表面上；以及

使所述转子的端部沿所述接合部分相对于所述要接合部件前进。

21.根据权利要求20所述的摩擦搅动接合方法，其中：在所述转子的旋转轴线并不相对于接合方向倾斜的情况下使所述转子的所述端部相对于所述要接合部件前进。

22.一种制造其中第一要接合部件和第二要接合部件在它们的接合部分处接合成一体的接合部件的方法，包括以下步骤：

使用如权利要求1所述的摩擦搅动接合工具；

将所述旋转探头插入所述接合部分中；

将所述旋转转子的所述端部压在所述要接合部件的至少一个表面上；以及

使所述转子的端部沿所述接合部分相对于所述要接合部件前进，从而使所述第一要接合部件和所述第二要接合部件在所述接合部分处进行接合。

23.根据权利要求22所述的摩擦搅动接合方法，其中：在所述转子的旋转轴线并不相对于接合方向倾斜的情况下使所述转子的所述端部相对于所述要接合部件前进。

24.根据权利要求22所述的摩擦搅动接合方法，其中：所述转子沿当从所述转子的所述端面看时使得槽从转子的所述端面的中心环绕探头延伸的方向驱动旋转。

25.一种制造接合部件的方法，在该接合部件中，第一要接合部件和第二要接合部件在它们的接合部分处接合成一体，该方法包括以下步骤：

使用如权利要求6所述的摩擦搅动接合工具；

将所述旋转探头插入所述接合部分中；

将所述旋转转子的所述端部压在所述要接合部件的至少一个表面上；以及

使所述转子的端部沿所述接合部分相对于所述要接合部件前进，从而使所述第一要接合部件和所述第二要接合部件在所述接合部分处进行接合。

26.根据权利要求25所述的摩擦搅动接合方法，其中：在所述转子的旋转轴线并不相对于接合方向倾斜的情况下使所述转子的所述端部相对于所述要接合部件前进。

27.一种制造接合部件的方法，在该接合部件中，第一要接合部件和第二要接合部件在它们的接合部分处接合成一体，该方法包括以下步骤：

使用如权利要求11所述的摩擦搅动接合工具；

将所述旋转探头插入所述接合部分中；

将所述旋转转子的所述端部压在所述要接合部件的至少一个表面上；以及

使所述转子的端部沿所述接合部分相对于所述要接合部件前进，从而使所述第一要接合部件和所述第二要接合部件在所述接合部分处进行接合。

28.根据权利要求27所述的摩擦搅动接合方法，其中：在所述转子的旋转轴线并不相对于接合方向倾斜的情况下使所述转子的所述端部相对于所述要接合部件前进。

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