TWI244417B - An adhesive bonding-aided friction stir welding method and the products using this method - Google Patents

Description

1244417 狄、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 u本么明疋有關於-種膠合辅助摩擦揽掉輝接方法及其 製品’特別是指一種降低工具摩耗率且提昇工件結合強度 之膠合辅助摩擦授拌銲接方法，以及輕量化且高強度化之 製品。 【先前技術】 10 15 20 以輪圈製品為例，車輛所能展現性能差異以及操控安 全性等，是與所配備輪圈品質息息相關。近年來，則有輕 合金輪圈逐漸取代鋼圈的趨勢，主要由於輕合金輪圈(例如 .鎂合金輪圈、鈦合金輪圈、鋁合金輪圈)具有下列優點： 1 ·重昼輕，省油且能提高馬力： 以直徑為14忖的輪圈來說，銘合金輪圈則較鋼圈質 輕約百分之二十二’相對能節省耗油量，並能換得馬力 而增加瞬間加速快感與操控靈敏度。 2·散熱效果佳： 以紹口金輪圈為{列，銘合金具有極佳的熱傳導特性 :有助於將輪胎與路面於高速摩擦下所產生之高熱迅速 導出’提咼輪胎壽命，降低爆胎機率；同時，亦會提高 …、車來令片與煞車油壽命，避免煞車失靈狀況產生。 3 ·真圓度與均質性佳： 藉以能有效降低車輛行駛的震動與噪音。 4·造型多變化： 輕合金輪圈多以鑄造成型 造型結構變化多；且本 4 1244417 身所具有的金屬光澤，盥 就敕雜 > — ”交化义衣與電鍍方式，而造 砘整體壳麗、顯目外型。 叩、 5 ·安全性能佳： 由於輕合金輪圈暂 _ m 、①，！濟部標檢局公告輕合全_ 圈列入内銷檢驗管制，而必須依據cns7u5d ^ =合金盤型輪圈執行。因此，輕合金輪圈之安全:: :;較：圈嚴格，其夠試項目有彎曲力矩耐久試驗、： 祕处、、 勹負載耐久試驗等三種。通過安全 陸月b測試而檢驗合袼的查 ίο 15 — 的t合金輪圈會貼有合格標籤，並 d鑄有限定標示、製造 .^ k日期或批唬、胎環標稱及偏位， 4造廠料㈣，㈣㈣㈣具有極佳安全性能。 6·回收成本低： 乂鋁口至輪圈為例，鋁材的回收成本較鋼材低，且 在利用效率局，相當符合資源回收再利用之環保標的。 痛又來況，鋁合金輪圈大部分是以鑄造式或鍛造式以 一體成型而成，少部分是以銲接手法㈣合金鑄件或锻件 、、、口而成就鈑這式鋁合金輪圈與鑄造式鋁合金輪圈於性 能方面比較上，前者結構緊密紮實而能承受較高的應力， 相對於顧及承載能力要求下同時具有較活潑的條輻造形設 計，且整體重量較輕，而能提高全車的「承載質量/非承載 貝里比值」，進而增進車輛操控性能，因此，鍛造式鋁合金 輪圈於價格上較高於鑄造式鋁合金輪圈。而鑄造式鋁合金 輪圈主要是以低壓鑄造方法、重力鑄造方法製造而成，其 結構強度低於鍛造式鋁合金輪圈，故整體所需厚度與重量 20 1244417 均較大’然同樣具有良好的散熱性與耐蝕性，市場佔有率 較高。 ίο 15 然而’隨著沙灘車、越野車與倉儲搬運車等對於輪圈 °σ貝曰漸有輕量化與結構強化之高度需求，而因應研發產 製出利用銲接手法將鋁合金鑄件或鍛件組合成的組合式輪 圈。目可’組合式輪圈所採用的銲接方式大概有惰性氣體 孟屬極電弧銲接（GMAW)與惰性氣體鎢極電弧銲接（ga丁 兩種。而GMAW技術於㈣纟g合金板件時最常見的問題有 氣孔與起弧位置間融合不良、收尾位置產生微裂痕，與穿 透工件等情形，以致於製程良率與銲接品質均不佳。另外 ’儘管GATW技術之鮮接品f優於⑽謂技術，然由於其 隹〒接放率差，而難被產品量大之業者所接受。 另一方面，摩擦攪拌銲接法（Fricti〇n SUr ， 卿)是-項較為新賴的接合技術，主要應用在銘及盆合金 的接合程序中。而近幾年來，摩擦㈣銲接法則逐漸廣泛 應用在其他輕金屬及其合金的接合程序中，其技術原理在 於將㈣探針（speeial prGfiled prGjeeting㈣插入待接合 之-工件中，利用旋轉工具連動㈣探針而與該二工件之 接合處產生摩擦作用’摩擦所產生的摩擦熱致使該二工件 之：：處產々塑化變形層（意即，金屬產生塑性流動現象） 同日"f祝拌操針將塑化蠻开彡展击、真 土化又形層兩邊的材料攪拌在一起，於 冷卻後即得以讓該二工件接合。 、 一摩擦攪拌銲接法具有銲接變形量小、鲜道品質穩定性 鬲、銲接過程簡單、自動化A , 早自動化再現性向，與低成本等優點， 20 10 15 20 1244417 相當適用於輕金屬與異種材料之銲固作業。然而，摩擦檀 拌銲接法之缺點在於，必須施予極大的扭力工作負荷以驅 使旋轉工具進行旋轉移行動作，且該攪拌探針之磨耗率高 ;而且’於接合異種卫件體時，由於卫件體間易因電位差 效應而產生異種金屬腐蝕現象(即伽凡尼腐蝕)，而降低整體 結合強度，故必需採連續銲接工法（即全周銲接）始能確保較 仏的結合強度，施工成本高。 ::匕，本案申請人有蓉於摩_拌鮮接技術廣泛應用 主接,輕金屬及其合金此優異銲接特性，則嘗試將摩 拌銲接技術與膠合技術予以結合， 猎以降低摩擦銲接過程 7 工作負荷’同時提高工件結合強度，並進一步地 組合式輪圈與其他製品（例如：減鍍用銅乾 爾= 旱頭)之銲結製造，以產製出符合輕 強 度而未的輪圈與各類製品。 门强 【發明内容】 因此，本發明之目的，是在提 、提昇工件結合強度，且增進銲接效率具摩耗率 拌銲接方法，以及一種藉該膠合輔助助摩擦搜 製成之輕量化且高強度化之製品。 t、、干接方法所 —二本發明之穋合輔助摩擦授拌銲接方法，是包八 待接合之第-、二工件分別|有；：驟。於膠合步驟中， 5面’於相對應該第一、二接人㈣☆。面共-第二接 該第一、_工件#入 ° i佈—結構膠，以使 絲&在—起。於摩_拌銲接步驟中，= 1244417 第 :::::固定，再利用1轉工具，以及 固定 於該旋轉工具底面且插置入該 一 針’驅使該旋轉工具於第一、二接二—接合面間的授拌拐 同時連動該料探針與㈣―、2處進仃旋轉移位， ，葬以嗜1楚 一接δ面產生摩擦、攪辨 義该弟一、二接合面於摩擦熱作用下而塑化，使該 第 — 、 二工 件銲結在一起 ，本發明之利用中請專利範圍第1項所載膠合輔 攪拌銲接方法所製成的製品，是 " 的第-工件、一具有一…具有一第-接合面 ίο 15 苐一接合面對應接合之第二接 二的弟二工件，以及_設置於該第一、二接合面間的接 :件。削妾合件是用以將該第一、二接合面接合在一起， 並具有一能施予該第一、—姑入二 一接s面一膠合作用的結構膠部 ’以及一能施予該第-、二接合面—鋅結作用的銲接部。 本發明之功效是㈣結合膠合仙與摩擦㈣鋒接作 用’讓該第-、二卫件於接合過程中，有效降低工具摩耗 率:提昇卫件結合強度、增進銲接效率，與降低製程成本 。藉該方法將該第-、二卫件予以銲接組裝成之製品，得 以有效地輕量化且高強度化。 【實施方式】 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在 以下配合參考圖式之多數較佳實施例的詳細說明中，將可 清楚的明白。 參閱圖1，為本發明膠合輔助摩擦攪拌銲接方法之一較 佳實施例，依序包含有一膠合步驟i，以及一摩擦攪拌銲接 20 1244417 步驟2。 參閱圖2，於該膠合步驟丨中，待接合之第 工件 3、4分別具有-第-接合面31與-第二接合面41，於該 第一、二接合面31、41間塗佈一結構膠6 (你⑽㈣ adhesives)，待該結構膠6自然固化後，該第_、二工件3 4則預先地膠α在—起。其中，該結構膠6的結合強度是 大於膠合在-起之第―、二工件3、4間的杈伸強度。本實 施例中，該結構膠6是高剪切強度而能進行先黏後銲施工 ίο 15 的膠種疋私用連縯塗佈方式施工。當然，該結構膠6 也可是採斷續塗佈方式施工。 接著進行該摩擦㈣銲接㈣2，首先湘—夾治具（ =示:將已預膠合之該第一、二工件3、4穩固地爽持 二：：機九(圖中未示）上。再利用-旋轉工具51，以 、口 ^於轉工具51底面且插置人該第-、二工件3 4之弟、一接合面3l、4l 爐 #*τ Θ ςι . 間的攪拌碳針52，驅使該旋 41声' 、5亥弟一、二工件3、4之第-、二接合面31、 41處進行旋轉移位 接。面 接人面Ή 4i J才連動_拌探針52與該第一、二 要口面31、41產生摩捧、 朴 31、41+，猎以讓該第一、二接合面 41於厚％熱作用下而塑 該旋轉工具51 —在-起。其中， 工件3、4、*报拌ϋ 52相配合，以對該第一、二

Wel㈣）。本實施例中，兮第—業（SP〇tFnCtl〇n仙 合金板材；該旋轉工呈5; θ、—工件3、4是同種之鋁 是非消耗性、高強声：：馬速鋼圓柱；該撥拌探針52 之4鋼所製成。由於摩擦㈣點銲 20 ίο 15 20 1244417 筏術疋屬習知接合製程技蓺， 。♦麸， ^ ，、技術原理恕於此不再詳述 該二·㈣51與該授拌探針52亦能相配合以對 人 ―*1"件3、4進彳7摩擦攪拌跳銲或連續銲工法。 =完成該摩擦搜拌銲接步驟2後，即能將該第一、 —工件3、4予以穩固接合， 品。因此，該膠合輔助摩捧攪二一;，Γ強 、二工件3、4接合在-起:將該第一 1.結合強度高： （確以發揮下列優點： 由於該結構膠6之結合強度強，該第-、二工件3、 4於膠合作用與連續銲結 體之接合強度。 肖相配。下，传以有效提高整 2·降低扭力工作負荷： 於该第一、二工杜）Λ 协铯一 _ 、4之膠合作用輔助下，能減少 、f …接口 ^ 31、41處所需的銲接施工範圍，且銲 取抑廑；Γ ^不而王為連~銲接，例如：以摩擦攪拌點銲 〜㈣全周銲，相對能降低驅使該旋轉工具51轉 =移行的扭力需求，致使所需供應之扭力工作負荷明 =，改善習知摩擦授拌銲接技術之扭力工 大之缺點。 •攪拌探針52之磨耗率低·· 因此’由於所施予該旋轉工具51轉動、移行之扭力 工乍負荷降低，同時能減少該攪拌探針52與該第一、二 工件3、4的磨耗機會’而大為降低其磨耗率，改善習知 摩擦㈣銲接技術中之扭力工作負荷大，以致於該檀掉 10 1244417 探針52之摩耗率高等問題。 •有政抑制異種金屬腐钱現象，整體結合強度佳·· 由於’於該第-Ί 3、4間塗怖有該結構膠^ ，而對該第-、二工件3、4之第一、二接合3ι、4;δ 產生絕緣性的隔離防護作用。因此，即便是該第_、二 工件3、4是為異種金屬材質（例如：鈦合金與鎮合金之 接合作業），藉由該結構膠6之隔離防護，即能有:心 ίο 15 :第-、二工件3、4之第一、二3ι、4ΐ接合面處產当 ”種金屬腐蚀現象，相對能提高整體結合強度，改^ 知摩擦攪拌銲接技術於銲接異種工件體3時，易產:: 種金屬腐餘現象，而影響結合強度等問題。 一 5·製程成本低·· 於該第一、二工杜Q Λ 一 5 A之膠合作用辅助下，讓録@ 設計不需為連續料，讓摩擦㈣銲接過程得以簡化， 且摩擦攪拌料過程中不需額外使用氣體、鮮料， 能有效節省整體製程成本。 6·銲道接合品質佳，且銲接效率高·· 續如前述，由於該摩_拌銲接步驟2中 攪拌探針52摩擦該第一、二工件 、 ，<弟一、二去 :3卜4!以進行摩擦攪拌銲接時，其接合處之鲜接雙 量小、殘留應力低且銲道尺寸穩定性佳，得 鲜道接合品質，·而且，㈣合作用輔助下，能以^ 法迅速地完成銲接’而有效提高整體銲接效率。十 •適用範疇廣泛： 20 ίο 15 20 1244417 由於該膠合輔助摩擦授拌銲接方法能有效抑制里所 之第一、二工件3、4間產生異種金屬腐钱現象，而二 =料同種或異種板材之接合。且同時具備有結:強 :回、銲接品質高，與銲接效率高等優異特性，其應用 範嘴擴及用以接合製作例如組合式輪圈此等運輪二社 ，與零組件，與其他非金屬結構與零組件，例：··散： 益、燃料筒、馬達殼件、電漿電視框架，與排水框蓋等、 ’顯見整體適用範疇相當廣泛。

相3 ’為本發明利用上述膠合輔助摩擦授拌_接方着 法所製成的|y 〇 $ 隻 .^ A 一 、7表口口之一弟一較佳貫施例，其中，該製品是一 —片式組合型鋁合金輪圈。 :亥製品包含-第-工件3、-與該第二工件4接合在一 起的弟二卫件4，以及-設置於該第-、二工件3、4間的 件7 5亥第一工件3具有一第一接合面31。該第二工 ▲:有與該第一接合面31對應接合的第二接合面41。 /妾口件7疋设置於該第一、二接合面3 1、41間而用以將j 在一起，並具有一能施予該第一、二接合面3i、4l 作用的結構膠部71，以及一能施予該第一、二接合 41 一銲結作用的銲接部72。本實施例中，該第一、 一 3 4是為銘合金材質，該第一工件3是屬輪圈之輪 框結構部分，#结_ ^ ^弟一工件4則屬輪圈之輪轂結構部分。另 卜Λ、、"構膠部7丨是一塗佈於該第一、二接合面31、41 間的強力結構膠。 於進订該铭合金輪圈之接合作業時，是先進行一膠合 12 5 10 15 20 1244417 征汁。王要將 :件3、4之相對應第一、二接合面η、"間，待膠劑自 固化後，即成型出該結構膠部71，藉以將該第一、二工 件3、4預膠合在一起。 一 接著進行-摩擦授拌連續銲程序，主要利用—夹户且（ =未示）將已縣合在-起之第_、二卫件3、4穩固地夹 —疋：。再利用一高速鋼製的旋轉工具（圖中未示），以及 _ 口疋於5亥紅轉工具底面之高速鋼製的攪拌碳針（圖中未 示），將該授拌探針插置入第一、二工件3、4之第一、二 面31、41間(即該結構膠部71中），驅使該旋轉工且於 =、、二接合面31、41上方以—㈣轉速進行旋轉移位 5 %連動该攪拌探針陸續地與該第一、二接合面31、41 所預定銲接處產生摩擦，藉以讓該第-、二接合面31、41 之文摩擦處於摩捧埶作用 & 化之銲接處兩邊_=Γ:拌探針將塑 于=72，糟以將該第_、二工件3、4銲結接合在一起。 理恕=:技術是Μ知接合製程技藝’其技術原( 得以=第：用行膠合程序與摩擦㈣銲接程序， 品之組裝加工，W 3、4接合，而完成該銘合金輪圈製 ^ ’支使該輪圈製品具備有下列優點： 1 ·輕量化： 由於„亥第一、二工件3、4是鋁合金材質，致使评 圈整體質量得以有效達到輕量化之目的，進而相對^ 13 ίο 15 20 1244417 岸由里並犯換得馬力而增加瞬間加速快感與操控靈敏 度。 2·接合強度強： 一利用該結構膠部71與銲接部72之接合結構，該第 件3 4於膠合作用與連續鮮作用相輔配合下， 能強化整體接合效果，有效提昇接合後之紹合金輪圈製 品整體結構強度。 对而且，利用塗佈於該第―、二工件3、4間之該結構 :部71 ’能對該第一、二接合面31、41產生絕緣性的隔 離防護作用。因此，即便是該第一、二工件 =屬=質（例如：鈦合金與鎮合金之接合作業），藉由 *亥結構膠部71之隔離防護，即能有效防止第-、二接合 =3i、41處產生異種金屬腐姓現象，相對能提高整㈣ 合強度。 3 ·銲接品質佳： :該第—、u件3、4進行摩擦㈣鲜接過 疋利用授拌探針於該第-、二接合面31 授拌，致使過程中之銲接變形量】“產生摩擦、 .^ 干接夂形里小、殘留應力低且銲道 使卞Γ ^佳’得以有效提高銲接部72之接合品質，致 金輪圈製品整體具有極佳的鲜接品質與結合強 文善bGMAW技術於鲜接1呂合金板件時，常 4=!、:置間融合不良、收尾位置產生微裂痕， 問題。寺‘丨月形，以致銲接品質與結合強度均不佳等 14 ίο 15 20 1244417 參閱圖4,&本發明利用上述膠合輔助摩擦搜拌銲接方 法所製成的製品之一第二較佳實施例，其中，與該第—較 :圭實施丫列不同處在於’該製品是一滅鑛用之銅革巴材，且該 製品之接合件7具有多數呈點狀分佈的銲接部72。其中， °亥第一、二工件3、4是為上下疊合的銅板，且該第二工件 ^表面具有多數間隔的凹式水道。先利用進行膠合程序於 4第-、二玉件3、4間成形出該結構膠部71，再利用摩擦 授拌點銲接程序，於該第―、二卫件3、4間相對跨離凹^ 水道之處成形出該多數料部72，藉由該結構膠部71 多數銲接部72則得以將該第一、二工件3、4接合在」起 〇 因此’該銅靶材製品同樣具有該第一較佳實施例所載 銘合金輪圈製品具有輕量化、結合強度強料接品質 優點。另一方面，本實施例中，於膠合作用輔助下，能以 點銲工法迅速地完成銲接，能供以㈣極㈣結構強度， 且更進一步地有效增進整體错垃4、】 “干接成型效率，明顯改善習知 GATW技術之銲接效率差等問題。 麥閱圖5’為本發明利用上述膠合輔助摩擦 法所製成的製品之一第三較佳實施豆 、方 '4 六Υ，與兮筌-私 佳實施例不同處在於，該製品是一古 ^ ^ 疋四爾夫球鐵桿頭。該第 一工件3為一鋁合金製球頭本體，該第二工件4 i 球頭本體結合組裝在一起的擊球面板。 同樣地，利用進行膠合程序於該第一、二工 成形出該結構膠部71 ’再利用摩擦授拌點^ 3 4間 文序，於該 15 5 10 15 20 1244417 第一、二工件3、4間成 ^ ^ 出。亥夕數銲接部72，藉由該結構 谬部71 一與该多料接部72則得以將該第-、二工件3、4 接口在（卩疋成4焉爾夫球鐵桿頭製品。因此 佳實施能達成該第二較佳實施例所具有輕量化、結 合強度強、祕品質佳與銲接效率高等優點。 歸納上述，本發明踢合辅助摩擦授拌銲接方法及其製 品，利用結合膝合作用與該摩擦授拌銲接作用，讓該第-、二工件3、4於接合過財，有效降低工具摩耗率、提昇 工件”Ό σ強度、增進_接效率，與降低製程成本。並藉該孀 方絲第-、二卫件3、4於膝合與銲接工法相配合下接 。、且衣成！呂口金輪圈、濺鍍用銅乾材，與高爾夫球鐵桿 頭等製品’致使所得製品得以有效地輕量化且高強度化， 故確實能達到本發明之目的。 ^惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不 =以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利 乾圍及發明說明書内容所作之簡單的等效變化與修倚，皆 應仍屬本發明專利涵蓋之範圍内。 麵 【圖式簡單說明】 回1是一流程圖，說明本發明膠合輔助摩擦攪拌銲接 方法之—第一較佳實施例； 圖2是一成型示意圖，說明該膠合輔助摩擦授拌辉接 方法之第一較佳實施例； 圖3是一剖視圖，說明本發明利用膠合輔助摩擦授掉 1于接方法所製成的製品之一第一較佳實施例，是為一二 16 1244417 式組合型鋁合金輪圈； 圖4是-剖視圖，言兒明本發明利用膠合辅助摩声 銲接方法所製成的製品之一第二較佳實施例，是為二 用鋼靶材；以及 攪拌 濺鑛 圖5是一示意圖 銲接方法所製成的製 夫球鐵桿碩。 ’說明本發明利用膠合辅助摩擦攪拌 品之一第三較佳實施例，是為一高爾 17 1244417 【圖式之主要元件代表符號說明】 1 膠合步驟 2 摩擦攪拌銲接步驟 3 第一工件 31 第一接合面 4 第二工件 41 第二接合面 51 旋轉工具 52 攪拌探針 6 結構膠 7 接合件 71 結構膠部 72 焊接部 18

Claims (1)

1244417 拾、申請專利範圍： L -種膠：輔助摩擦刪接方法，其包含有下列步驟： -接合…第一接人面^ 件刀別具有-第 /、弟一接合面，於相對應該第一、_ 間塗佈-結構谬，以使第一、二工件膠合在―起一：及 ^_拌銲接㈣，將㈣„、^件予以固定 插置入該第_、_桩人而„ A疋於°亥叙轉工具底面且 且於”：：合面間嶋探針，驅使該旋轉工 H、二接合面處進行旋轉移位 拌探針與該第一、二接合 s 了連動㈣ 第一、二搵人 手*、攪拌，藉以讓該 、-工二二 熱作用下而塑化’進而讓該第- 一工件銲結在一起。 ^ 2. 依射請專利範圍第丨項之勝合輔 苴中，私兮顿人h ①谓：拌鋅接方法 二二，合步驟中，該結構膠之結合 弟 一工件的拉伸強度。 、 3. 依^請專利範圍第1項之膠合輔助摩擦授拌銲接方法 -’於4摩擦攪拌銲接步驟中，是採用 4. 依據申請專利範圍第 式。 ,^ , m輔助料料銲接方法 。於該摩擦授拌銲接步驟中，是採用連續銲方式 5. : =利用申請專利範圍第丨項所載膠合 方法所製成的製品，是包含： 手h撹拌ί干接 —第一工件，具有—第一接合面； 弟一工件’具有一與該第一接合面對應接合的第 19 1244417 二接合面；以及 一接合件，是設置於該第一、二接合面間而用以將 其接合在一起，並具有一能施予該第一、二接合面一膠合 作用的結構膠部，以及一能施予該第一、二接合面一銲結 作用的銲接部。 20