TWI448343B - 嵌入型摩擦攪拌熔接工具 - Google Patents

Description

嵌入型摩擦攪拌熔接工具

本發明係關於一種嵌入型摩擦攪拌熔接工具，尤其是一種可產生高摩擦熱且以有效減少於銲道內部產生熔穴之嵌入型摩擦攪拌熔接工具。

請參照第1圖所示，其係目前利用「摩擦攪拌熔接(Friction Stir Welding,FSW)」方法，將二被熔接件進行接合時所使用之熔接工具9；該習知探針型之摩擦攪拌熔接工具9，係於一端之端面形成一呈平面狀的抵接面91，俗稱肩部(Shoulder)，且該抵接面91上凸伸設置一探針(Pin or Probe)92。

請參照第2圖所示，操作時，係使高速旋轉之熔接工具9，以該抵接面91抵接於二被熔接件8之外表面81，並將該探針92刺入該二被熔接件8欲接合的面(以下簡稱「接合界面82」)之間。在此過程中，該探針92會產生攪拌作用來破壞該接合界面82之間的氧化膜，使該二被熔接件8之接合界面82能以新鮮的金屬面形成擴散鍵結；同時，該二被熔接件8受該抵接面91緊密擠壓之外表面81，可產生大量的摩擦熱以軟化該二被熔接件8之接合界面82，及該二被熔接件8被抵接之外表面81處的材料至半固態的塑性流動，並且防止材料擠出與氧化。此外，該熔接工具9沿著進給方向D進行熔接進給時，該探針92會推擠且犁起前方(依進給方向D而言)呈半固態的材料，並由緊密貼合的該抵接面91，將呈半固態的材料旋帶至該探針92後方的熔穴(Weld Cavity)並向下壓實，使該二被熔接件8之接合界面82能以新鮮的材料面相互擴散鍵結而形成銲道，據以完成該二被熔接件8之接合。

然而，使用該習知探針型之摩擦攪拌熔接工具9進行二被熔接件8之接合時，將會在銲道末端留下與該探針92相對應之匙孔(Key Hole)；此外，不恰當之熔接操作參數(例如：進給速度過快、熔接溫度過低等)會影響材料流動，使得被該探針92與該抵接面91共同攪拌之呈半固態而可塑性流動的材料，無法確實擴散鍵結及被壓實，以致銲道內部易形成熔穴，而影響該二被熔接件8之接合界面82的材料接合強度。

為避免在銲道末端留下匙孔，以及減少在銲道內部形成熔穴，日本特開第2009-154209號、美國公告第US7661575 B2號以及中華民國公開第201127528號等專利案，均揭示另一種熔接工具，其係將該習知熔接工具9之探針92取消，且將該抵接面91設為一凸形圓弧面，具有該凸形圓弧面之摩擦攪拌熔接工具，可透過高速旋轉，直接由該凸形圓弧面擠壓並摩擦該二被熔接件8之外表面81，以產生大量的摩擦熱，使該二被熔接件8軟化至半固態的塑性流動，並藉該凸形圓弧面緊壓以接合該二被熔接件8之接合界面82。

惟，該具有凸形圓弧面之摩擦攪拌熔接工具雖因不設置探針，而可避免在銲道末端留下匙孔，以及減少在銲道內部形成熔穴，以提升熔接後之整體工件的材料接合強度；但該具有凸形圓弧面之摩擦攪拌熔接工具之凸形圓弧面與該二被熔接件8的外表面81之旋轉摩擦熱，係小於該探針型之摩擦攪拌熔接工具9所能產生旋轉摩擦熱，使得進行摩擦攪拌操作時，該二被熔接件8之接合界面82處的材料，可形成半固態而可塑性流動之區塊深度較淺，從而使該二被熔接件8之有效熔接板厚受限，故只適用於薄板件之熔接。

本發明目的乃解決上述習知技術之缺點，以提供一種嵌入型摩擦攪拌熔接工具，係可在熔接後不留下匙孔並有效減少熔穴之產生，同時，還可提高摩擦熱，以熔接習知探針型之摩擦攪拌熔接工具所能接合之被熔接件者。

為達到前述發明目的，本發明之嵌入型摩擦攪拌熔接工具，包含：一本體，內部設有連通至該本體之一端部的一容置槽，該本體於該端部的端面形成一第一抵接面；及一嵌合體，設置於該容置槽中，該嵌合體之一端的端面形成一第二抵接面，且該第二抵接面與該本體之第一抵接面共平面。

本發明之嵌入型摩擦攪拌熔接工具，其中，該本體為耐磨損與耐高溫的材料。

本發明之嵌入型摩擦攪拌熔接工具，其中，該嵌合體與一被熔接件為同類材料。

本發明之嵌入型摩擦攪拌熔接工具，其中，該嵌合體之外型對應於該本體之容置槽。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請閱第3圖所示，其係本發明之較佳實施例，該嵌入型摩擦攪拌熔接工具係包含一本體1及一嵌合體2，該嵌合體2設置於該本體1中，以共同抵接於二被熔接件3(見第4圖)，據以透過高速旋轉的方式熔接該二被熔接件3。

該本體1係由可耐高溫及抗壓之材料製成，且該本體1之熔點與強度遠大於該被熔接件3；當該被熔接件3如選為鋁合金、鎂合金、鋁鎂合金類的材料時，則該本體1較佳選為高速工具鋼，使該本體1可具有耐高溫、耐磨耗及高韌性之特性。另外，該本體1具有配合對應之夾治具(圖未示)而設置之外型，本實施例中以圓柱狀表示。

該本體1內部設有一容置槽11，且該容置槽11連通至該本體1之一端部，使得該本體1於該端部的端面形成呈環形平面之一第一抵接面12。其中，該容置槽11垂直於該本體1軸向之截面可以為圓形、多邊形或其他任意形狀，本發明並不加以限制，而在本實施例中，則選擇以較易加工之圓形表示。

該嵌合體2具有對應於該本體1之容置槽11的外型，以設置於該容置槽11中，該嵌合體2之一端的端面形成一第二抵接面21，且該第二抵接面21與該本體1之第一抵接面12共平面。此外，該嵌合體2與該被熔接件3為同類材料。在本實施例中，可利用摩擦熔接(Friction Welding,FW)之方式，在該本體1高速旋轉時，利用一推料桿(圖未示)沿該本體1之軸向擠壓該嵌合體2，使該嵌合體2可填滿並緊密結合於該容置槽11，再以車刀去除殘留溢料，使該嵌合體2之第二抵接面21與該本體1之第一抵接面12共平面，以形成可共同抵接於該被熔接件3之一肩部。再者，該嵌合體2與該本體1的直徑比遠大於傳統摩擦攪拌熔接工具之探針與肩部的直徑比。

請閱第4圖所示，該二相鄰設置的被熔接件3之間形成有一接合界面31。摩擦攪拌熔接操作時，係由夾治具夾持並帶動本體1產生高速旋轉，且該本體之第一抵接面12及嵌合體2之第二抵接面21可共同抵接於該二被熔接件3之外表面32，並沿一進給方向D移動。

在此過程中，由於該嵌合體2與該二被熔接件3為同類材料，依據「同類材料之間的滑動摩擦係數遠大於異種材料間的滑動摩擦係數」之摩擦知識，使得該本體1之第一抵接面12及嵌合體2之第二抵接面21，與該二被熔接件3之外表面32之間的滑動摩擦係數提升，使得熔接時的摩擦扭矩提升而增加摩擦熱，使得該嵌入型摩擦攪拌熔接工具，可將該接合界面31之一預設深度範圍內之二被熔接件3軟化至半固態而可塑性流動，令該二被熔接件3能以新鮮的材料面相互擴散鍵結，同時藉該本體1之第一抵接面12及嵌合體2之第二抵接面21的壓抵而形成一連續的銲道，以完成該二被熔接件3之接合。

另外，該嵌入型摩擦攪拌熔接工具在抵接至該二被熔接件3之外表面32後，亦可不相對於該二被熔接件3產生位移，亦即在該外表面32上進行單點熔接，以產生同於點熔接的效果。

綜上所述，本發明之嵌入型摩擦攪拌熔接工具，由於並無結構伸入至該接合界面31中，因此在長行程熔接或在點熔接之銲道中皆不會留下匙孔，且該嵌合體2之第二抵接面21與該本體1之第一抵接面12共平面，使得呈半固態而可塑性流動之該二被熔接件3易被壓實，可有效減少熔穴之產生，故能提升熔接後整體工件的材料接合強度，使熔接品質更佳。再者，藉由與該二被熔接件3同類材料之嵌合體2，以提高熔接時的摩擦熱，使得本發明之嵌入型摩擦攪拌熔接工具，可熔接習知探針型之摩擦攪拌熔接工具9所能接合之該二被熔接件3，而不會僅適用於薄型的被熔接件，故在產業上之實際應用性更廣。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

〔本發明〕

1‧‧‧本體

11‧‧‧容置槽

12‧‧‧第一抵接面

2‧‧‧嵌合體

21‧‧‧第二抵接面

3‧‧‧被熔接件

31‧‧‧接合界面

32‧‧‧外表面

D‧‧‧進給方向

〔習知〕

9‧‧‧熔接工具

91‧‧‧抵接面

92‧‧‧探針

8‧‧‧被熔接件

81‧‧‧外表面

82‧‧‧接合界面

D‧‧‧進給方向

第1圖：習知摩擦攪拌熔接工具之立體示意圖。

第2圖：習知摩擦攪拌熔接工具之實施示意圖。

第3圖：本發明較佳實施例之立體示意圖。

第4圖：本發明較佳實施例之實施示意圖。

1．．．本體

11．．．容置槽

12．．．第一抵接面

2．．．嵌合體

21．．．第二抵接面

3．．．被熔接件

31．．．接合界面

32．．．外表面

D．．．進給方向

Claims (4)

1. 一種嵌入型摩擦攪拌熔接工具，包含：一本體，內部設有連通至該本體之一端部的一容置槽，該本體於該端部的端面形成一第一抵接面；及一嵌合體，設置於該容置槽中，該嵌合體係填滿並緊密結合於該容置槽，該嵌合體之一端的端面形成一第二抵接面，且該本體高速旋轉時，該第二抵接面與該本體之第一抵接面維持共平面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之嵌入型摩擦攪拌熔接工具，其中，該本體為耐磨損與耐高溫的材料。
3. 如申請專利範圍第1項所述之嵌入型摩擦攪拌熔接工具，其中，該嵌合體與一被熔接件為同類材料。
4. 如申請專利範圍第1項所述之嵌入型摩擦攪拌熔接工具，其中，該嵌合體之外型對應於該本體之容置槽。