TWI477338B - 組裝型摩擦攪拌熔接工具 - Google Patents

Description

組裝型摩擦攪拌熔接工具

本發明係關於一種組裝型摩擦攪拌熔接工具，尤其是一種可用以進行摩擦攪拌熔接以將二被熔接件熔接成一體之組裝型摩擦攪拌熔接工具。

請參閱第1圖，利用摩擦攪拌熔接(Friction stir welding,FSW)方法接合二被熔接件時，最常見的熔接工具即為「探針型之摩擦攪拌熔接工具」，該習知的熔接工具9係於一端之摩擦端面形成一呈平面狀的肩部(Shoulder)91，且該肩部91另凸伸設置一探針(Pin or Probe)92。

其中，針對各種不同的使用需求，目前已發展出許多具有特定功效之探針型摩擦攪拌熔接工具9，例如美國公開第20060163328號「Apparatus and method for friction stir welding using a consumable pin tool」，揭示了一種探針型的摩擦攪拌熔接工具，利用驅動件推動柄部使探針從肩部中伸出，且該探針具可消耗性以增加銲道厚度。又，美國公告第6138895號「Manual adjustable probe tool for friction stir welding」，揭示了一種探針型的摩擦攪拌熔接工具，利用一具有肩部功能之螺帽螺入一具有探針的螺桿，藉由螺入程度以調整該探針從該肩部伸出的長度，以適用不同的熔接條件之需求。

然而，無論是具有何種功效之探針型摩擦攪拌熔接工具9，使用該熔接工具9接合二被熔接件時，都會在銲道末端留下與該探針92相對應之匙孔(Key hole)，且被該探針92與該肩部91共同摩擦攪拌之呈半固態而可塑性流動的材料，不易確實擴散鍵結及被壓實，以致易於銲道內部形成熔穴(Weld cavity)。

請參閱第2圖，其係由發明人已提出的中華民國專利申請第100142723號之「嵌入型摩擦攪拌熔接工具」，該熔接工具8係於一第一摩擦件81內部嵌合設置一第二摩擦件82，並使該第二摩擦件82之第二摩擦端面821與該第一摩擦件81之第一摩擦端面811共平面，其中該第二摩擦件82與該二被熔接件83為同類材料。

據此，使用該熔接工具8接合二相鄰設置的被熔接件83時，由於該熔接工具8並無結構伸入至該二被熔接件83之接合界面831中，因此不會在銲道中留下匙孔。再者，當該第一摩擦端面811與該第二摩擦端面821共同對該二被熔接件83進行摩擦攪拌熔接時，藉由該第二摩擦件82與該二被熔接件83之同類材料摩擦，可有效提高熔接時的摩擦溫度與溫升速率，使得呈半固態而可塑性流動之該二被熔接件83易被壓實，可有效減少熔穴之產生，故能提升熔接後整體被熔接件的材料接合強度，使熔接品質更佳。此外，該熔接工具8亦可有效增加該二被熔接件83之熔接板厚，故能提升產業上之實際應用性。

然而，使用該熔接工具8對該二被熔接件83進行熔接時，由於該第二摩擦件82與該二被熔接件83為同類材料，因此在熔接的過程中，該第二摩擦件82與該二被熔 接件83因高摩擦溫度而熔合，從而在完成熔接將該熔接工具8從該二被熔接件83的熔接表面拉離時，使得該第二摩擦件82的第二摩擦端面821之部分材料殘留在該二被熔接件83上，造成該第二摩擦端面821形成凹孔而不再平整。其中，該第二摩擦端面821之損耗情況較為明顯時(例如該第二摩擦端面821之凹孔過多)，該第二摩擦端面821與下一組的二被熔接件83貼合時的接觸面積將減少，使得該第二摩擦端面821與該下一組的二被熔接件83之間的摩擦溫度不易控制，進而影響後續的熔接效果。

本發明目的乃解決上述習知技術之缺點，以提供一種組裝型摩擦攪拌熔接工具，係可在摩擦件的摩擦端面損耗後，調整該摩擦件的摩擦端面向外伸出的程度，使該摩擦件之摩擦端面可維持與被熔接件相接觸者。

為達到前述發明目的，本發明之組裝型摩擦攪拌熔接工具，包含：一第一機件，具有一調整件及一沿軸向設置之第一容置孔，該調整件之一端穿伸至該第一容置孔中；一第二機件，沿軸向貫穿有一穿孔，該穿孔與該第一容置孔同軸，該第二機件接合於該第一機件；一第一摩擦件，穿置於該第一容置孔及該穿孔中，該第一摩擦件之一端被該調整件抵接，另一端凸伸於該第二機件之端部；及一彈性復位組件，抵接在設於該第一容置孔中之第一摩擦件的端部與該第二機件之間；其中，該第一機件設有同軸連 通該第一容置孔之一調整孔及一內螺紋孔，該內螺紋孔設於該調整孔與該第一容置孔之間，該調整件為螺絲並設於該調整孔內，該調整件貫穿且螺合於該內螺紋孔。

本發明之組裝型摩擦攪拌熔接工具，其中，該第一容置孔呈非圓形態樣，該第一摩擦件具有一身部及一頭部，該頭部的外形與該第一容置孔對應以穿置於該第一容置孔中。

本發明之組裝型摩擦攪拌熔接工具，其中，該第二機件由一端面凹設一第二容置孔，該第二容置孔與該穿孔同軸，該第二容置孔中設有一第二摩擦件，該第二摩擦件之一端凸伸出該第二容置孔，該第二摩擦件軸向貫穿設置一通孔，該第一摩擦件穿置於該通孔中。

本發明之組裝型摩擦攪拌熔接工具，其中，該第二機件設有至少一定位槽，該至少一定位槽鄰接連通於該穿孔，該第二摩擦件之一端面凸設有與該定位槽對應之定位部，該定位部穿置於對應之定位槽中。又，該第二機件可選擇設有二個定位槽，該二定位槽呈相對設置。

本發明之組裝型摩擦攪拌熔接工具，其中，該彈性復位組件套設於該第一摩擦件之外周面，該彈性復位組件包含一彈性件及一支撐環座，該彈性件抵接於該支撐環座與該第一摩擦件的頭部之間，該第二機件由朝向該第一機件之端面凹設一座槽，該支撐環座容置於該座槽並抵接該第二摩擦件的定位部。

本發明之組裝型摩擦攪拌熔接工具，其中，該第二摩擦件伸出該第二機件之端面形成一第二摩擦端面，該第 一摩擦件之身部的端面形成一第一摩擦端面，該第一摩擦端面與該第二摩擦端面共平面。

本發明之組裝型摩擦攪拌熔接工具，其中，該第一摩擦件之身部的外徑等於或小於該第二摩擦件之通孔的內徑。

本發明之組裝型摩擦攪拌熔接工具，其中，該第二摩擦件緊配結合於該第二機件之第二容置孔的內周壁。

本發明之組裝型摩擦攪拌熔接工具，其中，該第一機件之第一容置孔中設有一隔熱塊及一墊塊，該隔熱塊設於該第一摩擦件之頭部與該墊塊之間。

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，該組裝型摩擦攪拌熔接工具係包含一第一機件1、一第二機件2、一第一摩擦件3及一彈性復位組件4；該第一機件1與該第二機件2同軸對接，該第一摩擦件3部分穿置於該第一機件1中，部分穿置於該第二機件2中，該彈性復位組件4抵接於該第一摩擦件3與該第二機件2之間。其中，為穩固夾持該第一摩擦件3，該組裝型摩擦攪拌熔接工具較佳在該第二機件2中設置一第二摩擦件5以供該第一摩擦件3穿置。

請參閱第3、5圖，該第一機件1具有第一段1a及第 二段1b，該第一機件1之第一段1a可供機器主軸上的夾具夾持，以帶動該組裝型摩擦攪拌熔接工具產生高速旋轉。該第一機件1由該第一段1a之端面沿軸向穿設一調整孔11，該第一機件1由該第二段1b之端面沿軸向穿設一第一容置孔12，該第一容置孔12係呈非圓形態樣(例如近似四邊形孔)，該調整孔11與該第一容置孔12相連通，且在本實施例中，可選擇在該調整孔11與該第一容置孔12之間同軸穿設一內螺紋孔13。

另，該調整孔11內設有一調整件14，該調整件14之一端可穿伸至該第一容置孔12中，以調整該第一摩擦件3向外伸出的程度，該調整件14較佳為螺絲而具有外螺紋141，該調整件14之外螺紋141可貫穿且螺合於該內螺紋孔13。又，該第一機件1之第二段1b還可以設有數個第一鎖孔15，該數個第一鎖孔15中各設有一鎖固件16。其中，該調整件14及該數個鎖固件16較佳為沉頭螺絲，令該調整件14及該數個鎖固件16鎖合後可分別完全沒入該調整孔11及各對應之第一鎖孔15中，使該第一機件1之第一段1a及第二段1b的端面均可呈平坦而無凸出物之態樣，除可避免該第一機件1旋轉時造成危險，還能使該第一機件1可整面與機器主軸上的夾具接觸，使機器主軸於熔接加工時得以支撐所施加之軸向負荷。

請參閱第3、4、5圖，該第二機件2沿軸向貫穿有一穿孔21、至少一定位槽22及數個第二鎖孔23，以及由一端面凹設一第二容置孔24；該穿孔21及該第二容置孔24均與該第一機件1之第一容置孔12同軸相對，該穿孔 21可供該第一摩擦件3穿置，該第二容置孔24則可供該第二摩擦件5穿置。該至少一定位槽22鄰接連通於該穿孔21，該至少一定位槽22係供定位該第二摩擦件5，使該第二摩擦件5無法相對於該第二機件2旋轉。該數個第二鎖孔23分別對應至該第一機件1之各個第一鎖孔15。在本實施例中，該第二機件2可選擇設有二個定位槽22，且該二定位槽22可呈相對設置以提供較佳的定位效果。此外，該第二機件2之另一端面還可凹設一座槽25，以供該彈性復位組件4抵接。

請參閱第3、5圖，該第一摩擦件3具有一身部31及一頭部32，該身部31與二被熔接件W(見第6圖)為同類材料，該身部31之一端面形成一第一摩擦端面311，該頭部32設於該身部31之另一端，該頭部32之外形與該第一機件1之第一容置孔12對應；該頭部32及部分的身部31可穿置於該第一機件1之第一容置孔12中，該頭部32與該調整件14相對並可被該調整件14抵接，剩餘部分之身部31則穿置於該穿孔21中，並使形成該第一摩擦端面311之一端凸伸出該第二容置孔24。其中，藉由呈非圓形態樣之頭部32，使得容置於該第一容置孔12中的第一摩擦件3不會與該第一機件1產生相對的旋轉。

請參閱第3、5圖，該彈性復位組件4係抵接於該第一摩擦件3的頭部32與該第二機件2之間；在本實施例中，該彈性復位組件4可套設於該該第一摩擦件3之身部31的外周面，該彈性復位組件4可包含一彈性件41及一支撐環座42，該彈性件41可以為一個壓縮彈簧，該彈性 件41抵接於支撐環座42與該第一摩擦件3的頭部32之間，該支撐環座42則可容置於該第二機件2之座槽25。藉由該彈性復位組件4之設置，使該第一摩擦件3可維持與該調整件14相抵接。

請參閱第3、5圖，該第二摩擦件5係由高硬度、低摩擦係數、耐高負荷之材料製成，該第二摩擦件5具有一本體51及至少一定位部52，該本體51設有軸向貫穿的通孔511，使得該本體51之一端面形成呈環形平面的一第二摩擦端面512；該至少一定位部52凸設於該本體51之另一端，並對應於該第二機件2之定位槽22。

在本實施例中，該第二摩擦件5之本體51容置於該第二機件2的第二容置孔24中，該本體51之一端抵接於該穿孔21之一側，且該至少一定位部52穿置於對應之定位槽22中，並抵接於該支撐環座42，使該第二摩擦件5無法相對於該第二機件2旋轉；該本體51之另一端則凸伸於該第二機件2之端部，使該本體51之第二摩擦端面512與該第一摩擦件3之第一摩擦端面311共平面。其中，該本體51可選擇以緊配方式結合於該第二機件2之第二容置孔24的內周壁；此外，該第一摩擦件3的身部31之外徑可等於或小於該本體51之通孔511的內徑，且該身部31之外型與該本體51之通孔511相對應，使該身部31可部分穿置於該本體51的通孔511中。

值得注意的是，該第二摩擦件5之熔點與強度應遠大於該第一摩擦件3，因此，若欲相互接合的二被熔接件W是熔點較高的材料(例如：鐵、銅或其合金等)，該第 二摩擦件5應選用可耐高溫的材料(例如：氮化硼、碳化鎢或陶瓷等)製成，以避免該第二摩擦件5在熔接的過程中熔融毀損；其中，為避免該第一摩擦件3在高溫時膨脹而撐裂該第二摩擦件5，該第二摩擦件5與該第一摩擦件3之間應以鬆配方式結合，兩者之間較佳可留有0.05~0.1mm的餘隙。相對地，若該二被熔接件W是熔點較低的材料(例如：鋁合金、鎂合金或鋁鎂合金類等)，則該第二摩擦件5可選用高速工具鋼製成，且該第二摩擦件5與該第一摩擦件3之間可以適配方式結合。

此外，為避免焊接時所產生的高溫由該第一摩擦件3傳至機器主軸，該第一機件1之第一容置孔12中還可以設置一隔熱塊6及一墊塊7；該隔熱塊6可設於該第一摩擦件3之頭部32與該墊塊7之間，該隔熱塊6係由隔熱效果良好的材料製成，該墊塊7較佳設有一對位孔71以供該調整件14對位抵接。據此，當旋轉該調整件14時，該調整件14可藉由該墊塊7推動該隔熱塊6及該第一摩擦件3在該第一容置孔12中產生軸向的位移，從而可調整該身部31相對於該本體51的位移量。

請參閱第3圖，組設時，該彈性復位組件4可套設於該身部31之外周面，且該墊塊7、該隔熱塊6及該第一摩擦件3可由該第一機件1之第二段1b置入該第一機件1之第一容置孔12中；該第二摩擦件5之本體51可塞合於該第二機件2之第二容置孔24，並使各該定位部52穿置於對應之定位槽22中；該第二機件2以設有該座槽25之端面朝向該第一機件1之第二段1b，並使各該第二 鎖孔23與該第一鎖孔15相對，以由各該鎖固件16將該第一機件1與該第二機件2鎖接固定，使該第一容置孔12與該第二容置孔24呈共軸相對，令該身部31可穿入該本體51的通孔511，且該支撐環座42可容置於該座槽25。最後，藉由旋動該調整件14，以抵頂該第一摩擦件3朝向該第二摩擦件5的端部移位，直至該身部31之第一摩擦端面311與該本體51之第二摩擦端面512共平面(如第4圖所示)。

請參閱第6、7圖，摩擦攪拌熔接操作時，該組裝型摩擦攪拌熔接工具可高速旋轉，並以該本體51之第二摩擦端面512及該身部31之第一摩擦端面311共同抵接於二被熔接件W接合處的外表面，且沿一進給方向移動，以藉由該第一摩擦端面311及該第二摩擦端面512共同與該二被熔接件W之間所產生的高摩擦溫度，將該二被熔接件W接合。在完成熔接而將該組裝型摩擦攪拌熔接工具從該二被熔接件W的熔接表面拉離時，若該身部31有部分材料殘留在該二被熔接件W上，則可由該第一機件1之第一段1a轉動該調整孔11中的調整件14，使該調整件14可藉由該墊塊7，推動該隔熱塊6及該第一摩擦件3在該第一容置孔12中產生軸向位移，使該身部31之第一摩擦端面311能再度與該本體51之第二摩擦端面512共平面，以於進行下一次熔接時，使該第一摩擦端面311及該第二摩擦端面512共同與二被熔接件W之間能維持足夠的接觸面積以產生高摩擦溫度。其中，若該第一摩擦端面311上所形成的凹孔較深，則可將該身部31之第一摩 擦端面311推至凸出於該本體51之第二摩擦端面512，再使用工具對該身部31之第一摩擦端面311進行修整至與該第二摩擦端面512共平面。

綜上所述，本發明之組裝型摩擦攪拌熔接工具，可在第一摩擦件之第一摩擦端面損耗後，調整該第一摩擦件向外伸出的程度，使該第一摩擦件之第一摩擦端面可維持與二被熔接件相接觸，使該第一摩擦件之第一摩擦端面與該二被熔接件之間能維持足夠的接觸面積，據以在每次熔接時能產生高摩擦溫度，從而得以維持良好的熔接效果。

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‧‧‧第一機件

1a‧‧‧第一段

1b‧‧‧第二段

11‧‧‧調整孔

12‧‧‧第一容置孔

13‧‧‧內螺紋孔

14‧‧‧調整件

141‧‧‧外螺紋

15‧‧‧第一鎖孔

16‧‧‧鎖固件

2‧‧‧第二機件

21‧‧‧穿孔

22‧‧‧定位槽

23‧‧‧第二鎖孔

24‧‧‧第二容置孔

25‧‧‧座槽

3‧‧‧第一摩擦件

31‧‧‧身部

311‧‧‧第一摩擦端面

32‧‧‧頭部

4‧‧‧彈性復位組件

41‧‧‧彈性件

42‧‧‧支撐環座

5‧‧‧第二摩擦件

51‧‧‧本體

511‧‧‧通孔

512‧‧‧第二摩擦端面

52‧‧‧定位部

6‧‧‧隔熱塊

7‧‧‧墊塊

71‧‧‧對位孔

W‧‧‧被熔接件

〔習知〕

8‧‧‧熔接工具

81‧‧‧第一摩擦件

811‧‧‧第一摩擦端面

82‧‧‧第二摩擦件

821‧‧‧第二摩擦端面

83‧‧‧被熔接件

831‧‧‧接合界面

9‧‧‧熔接工具

91‧‧‧肩部

92‧‧‧探針

第1圖：習知探針型摩擦攪拌熔接工具之立體示意圖。

第2圖：一種嵌入型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分解示意圖。

第4圖：本發明較佳實施例之俯視示意圖。

第5圖：第4圖A-A剖線之剖面圖。

第6圖：本發明較佳實施例之實施示意圖(一)。

第7圖：本發明較佳實施例之實施示意圖(二)。

1．．．第一機件

1a．．．第一段

1b．．．第二段

11．．．調整孔

12．．．第一容置孔

13．．．內螺紋孔

14．．．調整件

141．．．外螺紋

15．．．第一鎖孔

16．．．鎖固件

2．．．第二機件

21．．．穿孔

22．．．定位槽

23．．．第二鎖孔

24．．．第二容置孔

25．．．座槽

3．．．第一摩擦件

31．．．身部

311．．．第一摩擦端面

32．．．頭部

4．．．彈性復位組件

41．．．彈性件

42．．．支撐環座

5．．．第二摩擦件

51．．．本體

511．．．通孔

512．．．第二摩擦端面

52．．．定位部

6．．．隔熱塊

7．．．墊塊

71．．．對位孔

Claims (10)

1. 一種組裝型摩擦攪拌熔接工具，包含：一第一機件，具有一調整件及一沿軸向設置之第一容置孔，該調整件之一端穿伸至該第一容置孔中；一第二機件，沿軸向貫穿有一穿孔，該穿孔與該第一容置孔同軸，該第二機件接合於該第一機件；一第一摩擦件，穿置於該第一容置孔及該穿孔中，該第一摩擦件之一端被該調整件抵接，另一端凸伸於該第二機件之端部；及一彈性復位組件，抵接在設於該第一容置孔中之第一摩擦件的端部與該第二機件之間；其中，該第一機件設有同軸連通該第一容置孔之一調整孔及一內螺紋孔，該內螺紋孔設於該調整孔與該第一容置孔之間，該調整件為螺絲並設於該調整孔內，該調整件貫穿且螺合於該內螺紋孔。
2. 如申請專利範圍第1項所述之組裝型摩擦攪拌熔接工具，其中，該第一容置孔呈非圓形態樣，該第一摩擦件具有一身部及一頭部，該頭部的外形與該第一容置孔對應以穿置於該第一容置孔中。
3. 如申請專利範圍第2項所述之組裝型摩擦攪拌熔接工具，其中，該第二機件由一端面凹設一第二容置孔，該第二容置孔與該穿孔同軸，該第二容置孔中設有一第二摩擦件，該第二摩擦件之一端凸伸出該第二容置孔，該第二摩擦件軸向貫穿設置一通孔，該第一摩擦 件穿置於該通孔中。
4. 如申請專利範圍第3項所述之組裝型摩擦攪拌熔接工具，其中，該第二機件設有至少一定位槽，該至少一定位槽鄰接連通於該穿孔，該第二摩擦件之一端面凸設有與該定位槽對應之定位部，該定位部穿置於對應之定位槽中。
5. 如申請專利範圍第4項所述之組裝型摩擦攪拌熔接工具，其中，該彈性復位組件套設於該第一摩擦件之外周面，該彈性復位組件包含一彈性件及一支撐環座，該彈性件抵接於該支撐環座與該第一摩擦件的頭部之間，該第二機件由朝向該第一機件之端面凹設一座槽，該支撐環座容置於該座槽並抵接該第二摩擦件的定位部。
6. 如申請專利範圍第3、4或5項所述之組裝型摩擦攪拌熔接工具，其中，該第二摩擦件伸出該第二機件之端面形成一第二摩擦端面，該第一摩擦件之身部的端面形成一第一摩擦端面，該第一摩擦端面與該第二摩擦端面共平面。
7. 如申請專利範圍第3、4或5項所述之組裝型摩擦攪拌熔接工具，其中，該第一摩擦件之身部的外徑等於或小於該第二摩擦件之通孔的內徑。
8. 如申請專利範圍第3、4或5項所述之組裝型摩擦攪拌熔接工具，其中，該第二摩擦件緊配結合於該第二機件之第二容置孔的內周壁。
9. 如申請專利範圍第2、3、4或5項所述之組裝型摩擦攪拌熔接工具，其中，該第一機件之第一容置孔中設有一隔熱塊及一墊塊，該隔熱塊設於該第一摩擦件之頭部與該墊塊之間。
10. 如申請專利範圍第4或5項所述之組裝型摩擦攪拌熔接工具，其中，該第二機件設有二個定位槽，該二定位槽呈相對設置。