TWI476062B - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Description

摩擦攪拌接合方法

本發明涉及一種摩擦攪拌接合方法，特別涉及一種無攪拌針之摩擦攪拌接合方法。

摩擦攪拌接合法主要係於進行板材之對接接合時，採用旋轉工具攪拌接合部位材料之一種摩擦壓接方法。由於其簡易性及優良之生產性，適用範圍正逐漸擴大。由於摩擦攪拌接合法對工具之耐久性要求較高，大多用於鋁合金之接合。然，當接合面為產品外表面時，由於會殘留凹凸狀之攪拌痕跡或毛刺，因而必須藉由切削加工或研磨加工除去接合工件表面層。

進一步地說，即使除去上述表面層，得到平滑之接合面，但由於接合時被攪拌之部分重復發生較大之塑性流動，其金屬組織會變得與母材大不相同。這使得後續進行鋁合金中常用之鋁陽極化處理時，會於加工面上留下痕跡。上述痕跡雖然可藉由加工消除，但無法藉由鋁陽極化處理消除。換而言之，通常之鋁陽極化處理附帶一種化學蝕刻效果，因而會使母材之金屬組織之變化浮現出來。亦及，由於摩擦攪拌產生之塑性流動機械性地改變了金屬組織，使其變成與母材不同之金屬組織，故，一旦進行鋁陽極化處理，無論如何亦無法避免表面產生微妙之凹凸差異，使得接合部被看出來。

即使於後續添加退火步驟，將接合件放入爐中以再結晶溫度以上之溫度進行退火處理，以消除上述接合部之金屬組織之局部性之差異，但若採用一般之退火處理，再結晶時攪拌部存於之差異會使得之前加工產生之差異顯現出來，無法實現全體金屬組織之均勻化。

藉由上述實驗可瞭解，對部分金屬組織與週圍不同之接合件進行鋁陽極化處理後，金屬組織之差異必然會於表面性狀上表現出來。總之來說就是，即使相同成分之金屬，若採用不同之素材製造方法(壓延、擠出、鍛造、鑄造、燒結)，金屬組織就會有差異，故不管採用什麼樣之方法接合，一旦進行鋁陽極化處理，就會以接合部為界顯現出某種表面性狀之差異。更何況於摩擦攪拌接合時，接合部之金屬組織與母材大不相同，故處理後接合部與週圍相較而言顯得十分顯眼。

若按照這種方式思考下去，鋁陽極化處理時要考慮到母材之製造方法及其金屬組織，接合區域之不可視於理論上非常難以實現。

鑒於上述狀況，有必要提供一種新之摩擦攪拌接合法使接合部之外觀良好。

一種摩擦攪拌接合方法，包括以下步驟：提供一接合工具，該接合工具具有摩擦面，且該摩擦面為該接合工具之端面；提供一第一部件，該第一部件具有第一表層及第一接合部，第一部件上預設第一凹部，第一凹部分別連接第一表層及第一接合部；提供一第二部件，該第二部件具有第二表層及與第一部件之第一接合部相貼合之第二接合部，第二表層與第一表層平齊，且該第二表層 與該第一表層之間由該第一凹部間隔；將該接合工具之摩擦面抵壓於第一部件之第一表層及第二部件之第二表層上，旋轉並移動接合工具，使接合工具之摩擦面於該第一表層及第二表層上摩擦攪拌產生熱量，且該接合工具僅摩擦該第一表層及該第二表層，熱量傳導至第一部件之第一接合部及第二部件之第二接合部，使二者材料塑性流動而接合於一起，第一表層及第二表層之材料被攪拌流入第一凹部。

上述摩擦攪拌接合方法，通過接合工具僅於第一部件及第二部件之表層進行摩擦攪拌通過熱量傳遞之方式使第一接合部及第二接合部接合，只有表層材料產生塑性流動，而其餘部分之材料未發生變化，故，第一接合部及第二接合部之材料組織極少發生變化，外觀良好。

10‧‧‧接合工具

11‧‧‧摩擦面

13‧‧‧凹槽

20、40、60、80‧‧‧第一部件

30、50、70、90‧‧‧第二部件

21‧‧‧表層

23、43、63、83‧‧‧第一接合部

31、51、71、91‧‧‧第二表層

33、53、73、93‧‧‧第二接合部

29、59、69、89‧‧‧接合線

41、61、81‧‧‧第一表層

45‧‧‧第一凹部

55‧‧‧第二凹部

49‧‧‧溝槽

300‧‧‧接合產品

200‧‧‧輔助件

201‧‧‧第一端面

203‧‧‧第二端面

85‧‧‧第一側面

67、97‧‧‧第一溝槽

77‧‧‧第二溝槽

400‧‧‧焊接材料

圖1係本發明實施方式所採用之接合工具之結構示意圖。

圖2係圖1所示接合工具之摩擦面之結構示意圖。

圖3係圖1所示接合工具之摩擦面之另一結構示意圖。

圖4係本發明實施方式一之第一部件及第二部件之結構示意圖。

圖5係圖1所示之接合工具摩擦攪拌圖4所示之第一部件及第二部件之示意圖。

圖6係本發明實施方式二之第一部件及第二部件之結構示意圖。

圖7係圖1所示之接合工具摩擦攪拌圖6所示之第一部件及第二部件之示意圖。

圖8係本發明實施方式三之第一部件及第二部件之結構示意圖。

圖9係圖8所示第一部件及第二部件結合之結構示意圖。

圖10係圖1所示之接合工具摩擦攪拌圖9所示之第一部件及第二部件之示意圖。

圖11係本發明實施方式四之第一部件及第二部件之結構示意圖。

圖12係圖1所示之接合工具摩擦攪拌圖11所示之第一部件及第二部件之示意圖。

圖13係本發明實施方式三之第一部件及第二部件之另一結構示意圖以及焊接材料之結構示意圖。

圖14係圖13所示之第一部件及第二部件之接合示意圖。

下面將結合附圖及具體實施方式對本發明提供之摩擦攪拌接合方法作進一步地詳細說明。

請參閱圖1及圖4，本發明實施方式一提供之摩擦攪拌接合方法採用接合工具10對第一部件20及第二部件30進行摩擦攪拌接合。

請參閱圖1至圖3，接合工具10基本呈柱狀，一端具有摩擦面11，該接合工具10之摩擦面11一端為平頭，即該摩擦面11基本為平面。自該摩擦面11向接合工具10之內部凹陷形成有複數凹槽13，凹槽13之形狀可為螺旋狀或以接合工具10之迴轉中心為共同起點之複數條圓弧。接合工具10工作時之旋轉方向與凹槽13自中心向外延伸之方向相同。

請參閱圖4，第一部件20包括第一表層21及第一接合部23。第一 部件20之第一接合部23為平面，與第一表層21垂直。

第二部件30包括第二表層31及第二接合部33。第二部件30之第二接合部33為平面，與第二表層31垂直。

請參閱圖4及圖5，對第一部件20及第二部件30進行摩擦攪拌接合時，使第一部件20之第一接合部23及第二部件30之第二接合部33對接後，將第一部件20及第二部件30固定。其中，第一部件20之第一表層21及第二部件30之第二表層31平齊，且於第一接合部23及第二接合部33於第一表層21及第二表層31之間形成接合線29。

將接合工具10之摩擦面11抵壓於第一部件20之第一表層21及第二部件30之第二表層31上，且位於接合線29之上方。然後將接合工具10相對接合線29旋轉並沿接合線29延伸方向移動，使第一部件20之第一表層21及第二部件30之第二表層31被摩擦攪拌，摩擦攪拌產生之熱量傳遞至未被攪拌之第一接合部23及第二接合部33中使二者被加熱至塑性流動狀態後無間隙地接合於一起。

其中，接合工具10之旋轉方向與凹槽13自摩擦面11之中心向外部延伸之方向相同，且採用高速旋轉，低速移動並略微插入第一部件20之第一表層21及第二部件30之第二表層31之方式對第一部件20及第二部件30進行摩擦攪拌。其中，接合工具10之旋轉速度S、移動速度V以及插入之第一表層21及第二表層31之深度H根據第一部件20及第二部件30之所需接合部位之厚度、材料以及接合工具10之尺寸及材料等因素確定，能使第一部件20及第二部件30僅有部分材料塑性流動並能產生足夠之熱量傳遞至未被攪拌之部位而使第一接合部23及第二接合部33接合即可。本實施方式中，旋轉速度S為每分鐘7000轉，移動速度V為每分鐘500毫米，第一表 層41及第二表層51被攪拌之厚度H為0.15毫米。

請同時參閱圖1及圖6，本發明實施方式二之摩擦攪拌接合方法對採用接合工具10對第一部件40及第二部件50進行摩擦攪拌接合。

接合工具10之結構與實施方式一中相同。

第一部件40包括第一表層41及第一接合部43，於第一表層41之邊角處還設置有第一凹部45。第一接合部43為平面，與第一表層41垂直。

第二部件50包括第二表層51及第二接合部53，於第二表層51之邊角處還設置有第二凹部55。第二接合部53為平面，與第二表層51垂直。

對第一部件40及第二部件50進行摩擦攪拌接合時，使第一部件40之第一接合部43及第二部件50之第二接合部53對接後，將第一部件40及第二部件50固定。其中，第一部件40之第一表層41及第二部件50之第二表層51平齊，第一凹部45及第二凹部55組合為一溝槽49，於第一接合部43及第二接合部53於溝槽49之底部形成接合線59。可以理解，亦可僅於一部件上開設凹部，且凹部可為任意形狀。

請參閱圖1，圖6及圖7，將接合工具10之摩擦面11抵壓於第一部件40之第一表層41及第二部件50之第二表層51上，且位於溝槽49之上方。然後使接合工具10相對接合線59旋轉並沿接合線59延伸方向移動，使第一部件40之第一表層41及第二部件50之第二表層51被摩擦攪拌。摩擦攪拌產生之熱量傳遞至未被攪拌之第一接合部43及第二接合部53中使二者被加熱至塑性流動狀態後無間隙地 接合於一起，另，摩擦攪拌產生之熱量還使第一部件40及第二部件50產生塑性流動並流向溝槽49中，從而可使溝槽49被填充，使第一部件40及第二部件50之接合更加牢固。

其中，接合工具10之旋轉方向與凹槽13自摩擦面11之中心向外部延伸之方向相同，且採用高速旋轉，低速移動並略微插入第一部件40之第一表層41及第二部件50之第二表層51之方式對第一部件40及第二部件50進行摩擦攪拌。接合工具10之旋轉速度S、移動速度V以及插入之第一表層41及第二表層51之深度H根據第一部件40及第二部件50之所需接合部位之厚度、材料以及接合工具10之尺寸及材料等因素確定，能使第一部件40及第二部件50僅有部分材料塑性流動並能產生足夠之熱量傳遞至未被攪拌之部位而使第一接合部43及第二接合部53接合即可。本實施方式中，旋轉速度S為每分鐘7000轉，移動速度V為每分鐘500毫米，第一表層41及第二表層51被攪拌之厚度H為0.15毫米。

請參閱圖1，圖8至圖10，本發明實施方式三之摩擦攪拌接合方法採用接合工具10對第一部件60及第二部件70進行摩擦攪拌接合。

接合工具10與實施方式一中之相同。

第一部件60包括第一表層61及第一接合部63。第一接合部63為平面，相對第一表層61傾斜。

第二部件70包括第二表層71及第二接合部73。第二接合部73為平面，相對第二表層71傾斜。

對第一部件60及第二部件70進行摩擦攪拌接合時，使第一部件60之第一接合部63及第二部件70之第二接合部73對接後，將第一部 件60及第二部件70固定。其中，第一部件60之第一表層61及第二部件70之第二表層71之間具有夾角，該夾角可為任意角度，本實施方式中，夾角為90度，即第一部件60及第二部件70垂直。第一接合部63及第二接合部73於第一表層61及第二表層71之間形成接合線69，該接合線69為第一部件60及第二部件70連接拐角之邊緣。

進一步地，該摩擦攪拌接合方法還包括對摩擦攪拌接合產品300進行後處理加工。可以理解，本發明實施方式一、實施方式二中，亦可於第一部件20，40及第二部件30，50接合後，將組織發生變化之部分去除，使組織未發生變化之材料露於外面，即使後續之處理，如陽極氧化後，亦可獲得良好之外觀。另，因接合線69設置於邊角處，與物體本身之邊緣線重合，故，不易被看出。

其中，接合工具10之旋轉方向與凹槽13自摩擦面11之中心向外部延伸之方向相同，且採用高速旋轉，低速移動並略微插入第一部件60之第一表層61之方式對第一部件60及第二部件70進行摩擦攪拌。接合工具10之旋轉速度S、移動速度V以及插入之第一表層61之深度H根據第一部件60及第二部件70之所需接合部位之厚度、材料以及接合工具10之尺寸及材料等因素確定，能使第一部件60及第二部件70僅有部分材料塑性流動並能產生足夠之熱量傳遞至未被攪拌之部位而使第一接合部63及第二接合部73接合即可。本實施方式中，旋轉速度S為每分鐘7000轉，移動速度V為每分鐘500毫米，第一表層41被攪拌之厚度H為0.15毫米。

進一步地，接合時還可將一抵壓第二部件70之輔助件200。該輔助件200包括相鄰之第一端面201及第二端面203，將輔助件200之 第一端面201抵持第二部件70之第二表層71，第二端面203與第一部件60之第一表層61基本平齊。

這樣，因增加了輔助件200，可增加摩擦面積，進而增加摩擦所產生之熱量，並將部分熱量傳遞給第一部件60及第二部件70，使其二者之材料接合更為充分。於後處理加工中，可將第一部件60及第二部件70中組織發生變化之部分通過機械加工之方式去除，使組織未發生變化之材料露於外面，即使後續之處理，如陽極氧化後，亦可獲得良好之外觀。

請參閱圖1，圖11及圖12，本發明實施方式四之摩擦攪拌接合方法採用接合工具10對第一部件80及第二部件90進行摩擦攪拌接合。

接合工具10與實施方式一中之相同。

第一部件80包括第一表層81、第一接合部83及連接第一表層81及第一接合部83之第一側面85。第一接合部83為平面，相對第一表層81及第一側面85傾斜。

第二部件90包括第二表層91及第二接合部93。第二接合部93為平面，相對第二表層91傾斜。

對第一部件80及第二部件90進行摩擦攪拌接合時，使第一部件80之第一接合部83及第二部件90之第二接合部93對接後，將第一部件80及第二部件90固定。其中，第一部件80之第一側面85及第二部件90之第二表層91平齊，第一側面85及第一表層81之間具有夾角，該夾角可為任意角度，本實施方式中，夾角為90度，即第一部件80及第二部件90垂直。第一接合部83及第二接合部93於第一 側面85及第二表層91之間形成接合線89。

將接合工具10之摩擦面11抵壓於第一部件80之第一表層81上，且位於靠近第一側面85之邊緣。然後使接合工具10相對第一表層81旋轉並沿接合線89延伸方向移動，使第一部件80之第一表層81被摩擦攪拌。摩擦攪拌產生之熱量傳遞至未被攪拌之第一接合部83及第二接合部93中使第一部件80及第二部件90被加熱至塑性流動狀態後無間隙地接合於一起。

其中，接合工具10之旋轉方向與凹槽13自摩擦面11之中心向外部延伸之方向相同，且採用高速旋轉，低速移動並略微插入第一部件80之第一表層81之方式對第一部件80及第二部件90進行摩擦攪拌。接合工具10之旋轉速度S、移動速度V以及插入之第一表層81及第二表層91之深度H根據第一部件80及第二部件90之所需接合部位之厚度、材料以及接合工具10之尺寸及材料等因素確定，能使第一部件80僅有部分材料塑性流動並能產生足夠之熱量傳遞至未被攪拌之部位而使第一接合部83及第二接合部93接合即可。

可以理解，本發明實施方式四中，亦可於第一部件80及第二部件90接合後，將組織發生變化之部分去除。

第一部件20，40，60，80及第二部件30，50，70，90之材料可為鋁、鋁合金、銅合金、橡膠等熔點較低之材料，形狀亦不局限於固定形狀，可為任何結構。第一接合部23，43，63，83及第二接合部33，53，73，93可為面，可為線，亦可為點。

此種摩擦攪拌接合方法主要應用於外觀產品之接合中，而外觀產品對接合之強度要求不高，故，只對表層21，31，41，51，61， 81進行摩擦攪拌而進行接合之方式一般情況下可滿足外觀產品之要求強度。若為了得到更高之強度，還可於位於產品內部之接合處增設溝槽，並於溝槽內填補熔點較低之焊接材料，如焊錫等。該焊接材料之熔點應當低於第一部件及第二部件之熔點。另，因本發明實施方式中之摩擦攪拌接合方法採用熱量傳遞之方式進行接合，於遠離摩擦攪拌之部位之熱量較低，為此可將容納焊接材料之溝槽設置於遠離摩擦攪拌之部位，以得到較好之強度，下面以本發明實施方式三之第一部件60及第二部件70為例進行說明。

請參閱圖13及圖14，第三實施方式之第一部件60還可包括自第一接合部63向第一部件60內部凹陷之第一溝槽67，第一溝槽97位於遠離第一表層61之一端。第二部件70還包括自第二接合部73向第二部件70內部凹陷之第二溝槽77，第一溝槽67及第二溝槽77可組合形成一凹槽。接合第一部件60及第二部件70時，可於凹槽中放入熔點較低之焊接材料400，當第一部件60之第一表層61被摩擦攪拌產生之熱量傳遞至第一溝槽67及第二溝槽77處時，因為焊接材料400之熔點較低，故可較容易地出現塑性流動狀態，而使第一部件60及第二部件70具有更好之接合強度。可以理解，亦可僅於第一部件60及第二部件70其中之一上設置溝槽。另，亦可於第一部件60及第二部件70內分別設置焊接材料。

本發明實施方式之摩擦攪拌接合方法所需要接合之產品尺寸較小，所採用之接合工具10之尺寸亦較小，而且多是對產品進行部分之連續加工，加工動力及加工力較小，故加工設備簡單且比較廉價。

進一步地，本發明實施方式中之接合工具10可應用於常見之機械 加工中心(圖未示)中，以對第一部件20，40，60及第二部件30，50，70進行預處理，不需要專用設備，通用性很好，而於摩擦攪拌接合後，可於同一台加工中心上對摩擦攪拌接合產品進行後續處理，只需一次裝夾，生產效率較高。

另，因採用具有平面狀摩擦面之接合工具10，只要於物體表面作業，即使結合部為曲面或者曲線結構亦可良好接合。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

10‧‧‧接合工具

11‧‧‧摩擦面

29‧‧‧接合線

Claims (9)

1. 一種摩擦攪拌接合方法，包括以下步驟：提供接合工具，該接合工具具有摩擦面，且該摩擦面為該接合工具之端面；提供第一部件，該第一部件具有第一表層及第一接合部，該第一部件上預設第一凹部，該第一凹部分別連接該第一表層及第一接合部；提供第二部件，該第二部件具有第二表層及與第一部件之第一接合部相貼合之第二接合部，該第二表層與該第一表層平齊，且該第二表層與該第一表層之間由該第一凹部間隔；及將該接合工具之摩擦面抵壓於該第一部件之第一表層及該第二部件之第二表層上，旋轉並移動該接合工具，使該接合工具之摩擦面於該第一表層及該第二表層上摩擦攪拌產生熱量，且該接合工具僅摩擦該第一表層及該第二表層，該熱量傳導至該第一部件之第一接合部及第二部件之第二接合部，使二者材料塑性流動而接合在一起，該第一表層及第二表層之材料被攪拌流入該第一凹部。
2. 如申請專利範圍第1項所述之摩擦攪拌接合方法，其中該摩擦攪拌接合方法還包括於該第二部件上預設第二凹部，該第二凹部分別連接該第二表層及第二接合部，該第一凹部及第二凹部組合形成溝槽，該第一表層及第二表層之材料被攪拌流入該溝槽。
3. 如申請專利範圍第1項所述之摩擦攪拌接合方法，其中該第一部件及第二部件之間具有一定之夾角之接合，該接合工具之摩擦面抵壓於第一部件之第一表層，且與第二部件之第二表層之間之夾角大於0度且小於180度。
4. 如申請專利範圍第3項所述之摩擦攪拌接合方法，其中該第一部件之第一接合部為相對該第一表層傾斜之斜面，該第二部件之第二接合部為與該第一接合部貼合之斜面。
5. 如申請專利範圍第1項所述之摩擦攪拌接合方法，其中該摩擦攪拌接合方法還包括於第一部件之第一接合部上遠離該第一表層之一端設置第一溝槽，並於該第一溝槽內填充熔點低於第一部件之焊接材料。
6. 如申請專利範圍第5項所述之摩擦攪拌接合方法，其中該第二部件之第二接合部上設置有與該第一溝槽對應之第二溝槽，該焊接材料之一部分位於該第二溝槽內。
7. 如申請專利範圍第1至6任意一項所述之摩擦攪拌接合方法，其中該摩擦攪拌接合方法還包括於該第一部件及第二部件結合後，於該第一部件之第一表層及第二部件之第二表層去除一定厚度之材料。
8. 如申請專利範圍第4項所述之摩擦攪拌接合方法，其中該第一部件還包括與第一表層及第一接合部相連且傾斜之第一側面，該摩擦攪拌接合方法還包括於該第一部件及第二部件結合後，於該第一部件之第一表層去除一定厚度之材料。
9. 如申請專利範圍第1項所述之摩擦攪拌接合方法，其中該接合工具自摩擦面向其內部凹陷形成有凹槽。