TWI540012B - 具有溫度控制之摩擦攪拌焊接 - Google Patents

具有溫度控制之摩擦攪拌焊接 Download PDF

Info

Publication number
TWI540012B
TWI540012B TW102126978A TW102126978A TWI540012B TW I540012 B TWI540012 B TW I540012B TW 102126978 A TW102126978 A TW 102126978A TW 102126978 A TW102126978 A TW 102126978A TW I540012 B TWI540012 B TW I540012B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
friction stir
stir welding
joint
temperature
welded portion
Prior art date
Application number
TW102126978A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201410368A (zh
Inventor
艾發雷多 卡斯提羅
烏瑪凱瑞 尼馬蘭
Original Assignee
蘋果公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 蘋果公司 filed Critical 蘋果公司
Publication of TW201410368A publication Critical patent/TW201410368A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI540012B publication Critical patent/TWI540012B/zh

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/127—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding friction stir welding involving a mechanical connection
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K37/00—Auxiliary devices or processes, not specially adapted to a procedure covered by only one of the preceding main groups
    • B23K37/02—Carriages for supporting the welding or cutting element
    • B23K37/0211—Carriages for supporting the welding or cutting element travelling on a guide member, e.g. rail, track
    • B23K37/0229—Carriages for supporting the welding or cutting element travelling on a guide member, e.g. rail, track the guide member being situated alongside the workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/24—Preliminary treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/123—Controlling or monitoring the welding process
    • B23K20/1235—Controlling or monitoring the welding process with temperature control during joining
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/123—Controlling or monitoring the welding process
    • B23K20/124—Controlling or monitoring the welding process at the beginning or at the end of a weld
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/1245—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding characterised by the apparatus
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/26—Auxiliary equipment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/18—Sheet panels

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Description

具有溫度控制之摩擦攪拌焊接
本發明大體上係關於摩擦攪拌焊接，且更確切而言，係關於用於改良摩擦攪拌焊接所產生之焊接的品質且改良工具使用壽命之方法及裝置。
為接合兩個部件，已開發各種類型之方法及裝置。用於接合兩個部件之方法之實例實施例包括黏膠接合、焊接、使用扣件等。在接合某些材料(諸如金屬)之情況下，已將焊接視為如今當前所使用之合適方法。
存在各種形式之焊接方法。焊接方法之實例實施例包括鐳射焊接、電弧焊接、氣體焊接及摩擦攪拌焊接。摩擦攪拌焊接相比其他形式之焊接可呈現某些優點。舉例而言，摩擦攪拌焊接可不涉及將焊接中之部件加熱至與其他形式之焊接相同之程度。此外，摩擦攪拌焊接可不要求使用可能將污染物引入至焊接部分中之焊劑或氣體。然而，使用摩擦攪拌焊接形成足夠堅固且造型美觀的焊接部分可提出某些挑戰。
因此，提供用於改良式摩擦攪拌焊接之裝置及方法。
提供一種用於摩擦攪拌焊接之方法。該方法可包括判定焊接中之一或多個部件之溫度。該等部件可經預熱以使該等部件之溫度增加 一所要溫度。該等經預熱之部件可沿著該等經預熱之部件之間的一接合部而摩擦攪拌焊接在一起。
可在將該等部件摩擦攪拌焊接在一起的同時預熱該等部件。舉例而言，可在離開該該旋轉的摩擦攪拌焊接工具一固定距離處在該旋轉的摩擦攪拌焊接工具之前沿著該接合部引導一預熱器件。可在該接合部選擇性地加熱第一部件及第二部件，而非加熱其整體，以避免浪費能量。
在一些實施例中，該方法亦可包括調節該焊接部分之一冷卻速率。可判定近接該摩擦攪拌焊接工具之一位置與該摩擦攪拌焊接工具後的由此產生之該焊接部分處之間的一溫差。接著可視該溫差大於抑或小於一所要溫差而加熱或冷卻該焊接部分。因此，可控制該焊接部分之冷卻速率以產生一所要微粒大小。該冷卻速率可沿著該焊接部分之長度選擇性地改變以提供具有沿著該焊接部分之長度的變化特性之該焊接部分。
亦提供一種用於摩擦攪拌焊接之系統。該系統可包括：一摩擦攪拌焊接工具；一致動器，其經組態以相對於焊接中之部件移動該摩擦攪拌焊接工具；及一熱控制器件。該熱控制器件可包括經組態以預熱該等部件之一預熱器件。就此而言，該熱控制器件可包括一溫度感測器、一加熱元件及一控制器，該控制器經組態以命令該加熱元件加熱該等部件，直至該等部件之溫度達到一所要溫度。該加熱元件及該溫度感測器可安裝於該摩擦攪拌焊接工具的前方且經組態以延伸至焊接中之該等部件之間的接合部中。
該熱控制器件亦可包括經組態以控制藉由該摩擦攪拌焊接工具產生之焊接部分之一冷卻速率的一冷卻調節器件。就此而言，該熱控制器件可包括經組態以判定一溫差之第一及第二感測器，及分別經組態以視該溫差過高抑或過低而加熱及冷卻該等部件之一加熱元件及一 冷卻元件。在一些實施例中，該冷卻速率可沿著該焊接部分之長度改變以提供具有沿著該焊接部分之長度的變化特性之該焊接部分。
亦提供一種用於儲存經組態以控制一摩擦攪拌焊接系統之指令的非暫時性電腦可讀媒體。
在檢查以下圖式及詳細描述後，本發明之其他裝置、方法、特徵及優點將為熟習此項技術者顯而易見或變得為熟習此項技術者顯而易見。希望所有此等額外系統、方法、特徵及優點將包括在此描述內，包括在本發明之範疇內，且受隨附申請專利範圍保護。
100‧‧‧第一部件
102‧‧‧第二部件
104‧‧‧摩擦攪拌焊接工具
106‧‧‧管頭
108‧‧‧銷
110‧‧‧接合部
112‧‧‧路徑
114‧‧‧起點
116‧‧‧路徑
118‧‧‧終點
120‧‧‧路徑
200‧‧‧摩擦攪拌焊接系統
202‧‧‧工具/摩擦攪拌焊接工具
204‧‧‧主軸
206‧‧‧馬達
208‧‧‧致動器
210‧‧‧臂
212‧‧‧接合部
214‧‧‧底座
216‧‧‧控制器
218‧‧‧測力計
220‧‧‧接合部
222‧‧‧第一部件
224‧‧‧第二部件
226‧‧‧熱控制器件
228‧‧‧控制器
230‧‧‧預熱器件
232‧‧‧冷卻調節器件
234‧‧‧前臂
236‧‧‧後臂
238‧‧‧焊接方向
240‧‧‧感測器
242‧‧‧延伸部分
244‧‧‧加熱元件
246‧‧‧焊接部分
248‧‧‧感測器
250‧‧‧感測器
252‧‧‧第二加熱元件
254‧‧‧冷卻元件
400‧‧‧電子器件
402‧‧‧處理器
404‧‧‧記憶體器件
406‧‧‧使用者介面
408‧‧‧通信介面
410‧‧‧焊接模組
所包括之圖式係用於說明性目的且僅用以提供用於所揭示總成、方法及系統的可能結構及配置之實例。此等圖式絕不限制可由熟習此項技術者在不背離本發明之精神及範疇的情況下對本發明做出的形式及細節上的任何變化。
圖1說明摩擦攪拌焊接中所執行之操作的透視圖；圖2說明根據本發明之一實例實施例的包含熱控制器件及摩擦攪拌焊接工具的用於摩擦攪拌焊接之系統的示意圖；圖3說明圖2之熱控制器件及摩擦攪拌焊接工具的放大部分視圖；圖4說明根據本發明之一實例實施例的用於摩擦攪拌焊接之方法；及圖5說明根據本發明之一實例實施例的電子器件之方塊圖。
在此章節中描述根據本發明之裝置、系統及方法的例示性應用。此等實例僅經提供以添加上下文且輔助理解本發明。因此，熟習此項技術者將顯而易見，可在無此等特定細節中之一些或全部的情況下實踐本發明。在其他例子中，尚未詳細描述眾所周知的程序步驟以 避免不必要地使本發明難懂。其他應用係可能的，以使得以下實例不應被視為限制性的。
摩擦攪拌焊接為用於接合兩個部件之方法，其相比其他形式之焊接可呈現某些優點。舉例而言，摩擦攪拌焊接可不將焊接中之部件加熱至與其他形式之焊接相同之程度。就此而言，某些材料可能無法耐受與其他形式之焊接相關聯的溫度。此外，將該等部件置於高熱中可能造成該等部件翹曲。亦可由於可能最終導致焊接失敗之熱而於接合部產生應力。
另外，摩擦攪拌焊接係有利的，因為摩擦攪拌焊接可不要求使用可能將污染物引入至焊接部分中之焊劑或氣體。將污染物引入至焊接部分中可能影響稍後對該等部件執行的其他操作。舉例而言，當污染物已被引入至焊接部分中時，可能更難以對該等部件進行陽極處理。
摩擦攪拌焊接係一固態接合程序(意謂著金屬未被熔融)，且可用於原始金屬特性必須儘可能保持不變的應用中。摩擦攪拌焊接藉由在接合部所在之處將兩塊金屬機械地互混而起作用，從而使用機械壓力將該兩塊金屬轉換成允許金屬熔化之軟化狀態。儘管可焊接其他材料，但此程序主要用於鋁，且最常用於無法在焊接之後容易進行熱處理以恢復回火特性的大塊金屬。
圖1示意性地說明摩擦攪拌焊接程序之一實例實施例。如所說明，第一部件100可使用不斷旋轉之摩擦攪拌焊接工具104經由摩擦攪拌焊接而接合至第二部件102，該摩擦攪拌焊接工具包括管頭(shoe)106及自該管頭延伸之銷108。為了將第一部件100及第二部件102沿著該兩者之間的接合部110焊接在一起，最初可(例如)藉由在起點114沿著路徑112往下引導摩擦攪拌焊接工具而將摩擦攪拌焊接工具104插入至該接合部中。接著，工具104可沿著路徑116、沿著可夾持在一起之第一部 件100與第二部件102之間的接合部110橫向饋送。銷108相比於所需焊接深度可稍微較短，其中管頭106安放在工作表面之頂部。
摩擦熱係在限定摩擦攪拌焊接工具104之耐磨焊接組件與焊接中之部件100、102之間產生。此熱連同機械混合程序所產生之熱及材料內之絕熱熱一起導致經攪拌材料軟化而不熔融。隨著銷108沿著路徑116向前移動，經塑化材料移動至後方，其中夾持力協助焊接部分之鍛造固結(forged consolidation)。摩擦攪拌焊接工具104沿著焊接線橫穿材料之經塑化空心軸的此程序可能導致涉及基底材料之動態再結晶的嚴重固態變形。在橫穿接合處110之路徑116之後，可在終點118處沿著路徑120自材料向上提昇摩擦攪拌焊接工具104。因此，可沿著起點114與終點118之間的接合部110形成一焊接部分。
然而，經由摩擦攪拌焊接形成具有合乎需要之強度及裝飾性性質的焊接部分可能呈現某些問題。就此而言，由於摩擦攪拌焊接依賴於摩擦熱之形成，故更堅固的焊接部分大體上係藉由摩擦攪拌焊接工具之相對較大旋轉速度及摩擦攪拌焊接工具穿過焊接中之部件的較低橫向速度來產生。然而，摩擦攪拌焊接工具之較高旋轉速度可能增大其磨耗率。此外，摩擦攪拌焊接工具沿著接合部之較低橫向速度降低可產生焊接部分之速率。
另外，藉由摩擦攪拌焊接形成之焊接部分的強度及裝飾性外觀可取決於焊接部分處之材料冷卻的速率。就此而言，較低冷卻速率可大體上導致焊接部分處形成較小微粒，此可產生具有較高拉伸強度及硬度的更堅固焊接部分。此外，包括較小微粒之焊接部分可在裝飾性上更吸引人且更易於進行陽極處理。因此，本發明之實施例經組態以改良藉由摩擦攪拌焊接產生之焊接部分的品質(例如藉由改良焊接部分之強度及/或外觀)，且改良工具使用壽命。
就此而言，圖2說明根據本發明之一實施例的摩擦攪拌焊接系統 200。摩擦攪拌焊接系統200可包括工具202，該工具可安裝至藉由馬達206旋轉的主軸204上。馬達206、主軸204及工具202之位置可藉由致動器208控制。
在所說明實施例中，致動器208包含機器人總成。如所說明，該機器人總成可包括一或多個臂210、一或多個接合部212及底座214。因此，臂210可圍繞接合部212旋轉以將工具202定位於適當位置，從而摩擦攪拌焊接。然而，致動器之各種其他實施例(例如，高架系統)可用以控制工具202相對於焊接中之部件之位置。不管所使用之致動器的特定實施例，摩擦攪拌焊接系統200可進一步包含控制器216。控制器216可經組態以控制致動器208、馬達206，及/或或摩擦攪拌焊接系統200之其他部分。
在一些實施例中，摩擦攪拌焊接系統200可進一步包含一或多個測力計(load cell)218。測力計218可經組態以偵測施加至摩擦攪拌焊接系統200之負載。舉例而言，在摩擦攪拌焊接系統200之操作期間，工具202可由於施加至該工具之扭矩而傾向於自焊接中之兩個部件之間的接合部轉向偏離路線。因此，測力計218(其可均衡分佈於馬達206及/或機器人總成之臂210中之一者的周圍)可偵測由扭矩施加之負載，且控制器216可命令致動器208補償該負載以防止工具202轉向遠離接合部。因此，可形成緊密地跟隨第一部件222與第二部件224之間的接合部220之焊接部分。應注意，在一些實施例中，為清楚起見而未展示之夾具可用以在摩擦攪拌焊接期間將部件222、224保持在適當位置及/或將該等部件相對於彼此壓緊。
如圖2中所進一步說明，系統200可另外包括熱控制器件226。在一些實施例中，熱控制器件226可安裝至馬達206，或以其他方式相對非常近接摩擦攪拌焊接工具202而置放。藉由近接摩擦攪拌焊接工具202(例如，在離開該工具一固定距離處)安裝熱控制器件226，熱控制 器件可在摩擦攪拌焊接工具沿著部件222、224之間的接合部220移動時與摩擦攪拌焊接工具一起行進。
圖3說明摩擦攪拌焊接操作期間的系統200之放大部分視圖，該系統包括工具202、主軸204、馬達206及熱控制器件226。圖3進一步說明用於熱控制器件226之控制器228。在一些實施例中，用於熱控制器件226之控制器228可具體化於用於摩擦攪拌焊接系統200之控制器216中或具體化為用於摩擦攪拌焊接系統200之控制器216。
如所說明，在一些實施例中，熱控制器件226可包括預熱器件230及冷卻調節器件232。在一些實施例中，預熱器件230及冷卻調節器件232可至少部分地安裝於各別前臂234及後臂236上。藉由將預熱器件230安裝於摩擦攪拌焊接工具202的前方(就焊接方向238而言)，預熱器件230可在摩擦攪拌焊接工具橫穿焊接路徑時處在該工具前面。相反地，藉由將冷卻調節器件232安裝於摩擦攪拌焊接工具202後方(就焊接方向238而言)，冷卻調節器件可在摩擦攪拌焊接工具橫穿焊接路徑時跟隨該工具。在一些實施例中，預熱器件230及/或冷卻調節器件232之位置可在摩擦攪拌焊接工具橫穿焊接路線時主動地或被動地可調整，以使得該等器件可不管焊接中之部件所界定之曲線或三維輪廓而緊密地跟隨接合部。舉例而言，預熱器件230及/或冷卻調節器件232可旋轉及/或上下移動，以便跟隨部件222、224之間的接合部220的曲線及/或輪廓。
就熱控制器件226之功能而言，預熱器件230可經組態以預熱第一部件222及第二部件224。就此而言，感測器240可經組態以判定第一部件222及第二部件224中之至少一者之一溫度。感測器240可包含熱電偶或經組態以判定溫度之感測器的其他實施例。如所說明，感測器240可安裝於前臂234上。更確切而言，感測器240可耦接至延伸部分242。延伸部分242可經組態以近接接合部220定位感測器240。舉例 而言，如所說明，延伸部分242可將感測器240定位於接合部220上方，或定位於接合部內且在第一部件222與第二部件224之間。
預熱器件230可進一步包含經組態以預熱第一部件222及第二部件224之加熱元件244。加熱元件244可包含加熱器之任何實施例，諸如電阻式、電感性或雷射加熱器。加熱元件244可經組態以在接合部220選擇性地預熱第一部件222及第二部件224，此與一些實施例中的預熱整個第一部件及整個第二部件相反。就此而言，預熱整個第一部件222及/或整個第二部件224可浪費能量而不提供任何額外益處。然而，在其他實施例中，加熱元件244可經組態以預熱第一部件222及第二部件224之較大部分或實質上全部。
如所說明，加熱元件244可安裝至前臂234。更確切而言，加熱元件244可耦接至延伸部分242。延伸部分242可經組態以近接接合部220定位加熱元件244。舉例而言，如所說明，延伸部分242可將加熱元件244定位於接合部220上方，或定位加熱元件244以使得加熱元件延伸至接合部中。因此，加熱元件244可在接合部220加熱第一部件222及第二部件224之內表面而不在第一部件及第二部件之其他位置上浪費熱量。應注意，感測器240可與加熱元件244絕緣，以使得該感測器能夠在不偵測加熱元件244本身之溫度的情況下判定第一部件222及第二部件224的溫度。或者或另外，控制器228可補償加熱元件244所造成的偵測到溫度之變化，該變化在一些實施例中可根據經驗判定。
控制器228可經組態以命令加熱元件244預熱第一部件222及第二部件224，直至溫度達到一所要溫度。舉例而言，控制器228可經組態以在沿著第一部件222與第二部件224之間的接合部220引導旋轉的摩擦攪拌焊接工具202時預熱第一部件222及第二部件224。就此而言，由於加熱元件244定位於摩擦攪拌焊接工具202的前方(就焊接方向238而言)，因此可在摩擦攪拌焊接工具到達接合部之此等部分之前在接 合部220加熱第一部件222及第二部件224。在一些實施例中，可根據經驗判定加熱元件244為了達到基於最初判定之起始溫度之一所要溫度所需之熱輸出的所需量。
藉由預熱第一部件222及第二部件224，可降低經由摩擦攪拌焊接工具202之旋轉的摩擦所產生的所需熱。就此而言，由於經預熱之第一部件222及第二部件224需要較少額外熱以達到允許界定第一及第二部件之材料之互混的塑化狀態，因此摩擦攪拌焊接工具202可以較低速度旋轉。因此，可延長摩擦攪拌焊接工具202之壽命。此外，由於第一部件222及第二部件224可由於其預熱而更容易互混，因此摩擦攪拌焊接工具202橫穿接合部之速度可無需降低，或可增加。應注意，由於材料互混僅發生在接合部220及部件222、224之直接包圍該接合部之部分處，因此與預熱該等部件之整體相反，在該接合部處預熱該等部件可節省時間及能量。
由於摩擦攪拌焊接工具202在部件222、224之間的接合部220處旋轉，因此可產生焊接部分246。然而，該焊接部分之強度及裝飾性外觀可取決於該焊接部分之冷卻速率。因此，冷卻調節器件232可調節焊接部分246之冷卻速率。冷卻調節器件232可包含複數個感測器，該複數個感測器經組態以判定焊接部分246處之一溫度與摩擦攪拌焊接工具202處之一溫度之間的溫差。舉例而言，在所說明實施例中，感測器248係近接摩擦攪拌焊接工具202(例如，在主軸204內)定位。此外，感測器250係安裝至後臂236。
控制器228可比較摩擦攪拌焊接工具202處的來自感測器248之信號與焊接部分246處的來自安裝於摩擦攪拌焊接工具後面之感測器250之信號，以判定該等感測器所定位之位置之間的溫差。由此，可判定焊接部分246之冷卻速率。因此，控制器228可藉由主動控制焊接部分246之冷卻速率而對所判定之溫差做出回應。
舉例而言，第二加熱元件252可經組態以在該溫差大於一所要溫差時加熱焊接部分246，如控制器228所判定且指導的。第二加熱元件252可包含加熱器之任何實施例，諸如電阻式、電感性或雷射加熱器。相反地，冷卻元件254可經組態以在該溫差小於一所要溫差時冷卻焊接部分246，如控制器228所判定且指導的。冷卻元件254可包含冷卻器之任何實施例，諸如用於釋放壓縮氣體之噴嘴，或耦接至致冷電路之旋管。應注意，感測器248可與冷卻元件254及第二加熱元件252絕緣，以使得感測器能夠在不偵測冷卻元件或第二加熱元件本身之溫度的情況下判定焊接部分246之溫度。或者或另外，控制器228可補償冷卻元件254及第二加熱元件252所造成的偵測到溫度之變化，該變化在一些實施例中可根據經驗判定。
如上文所指出，較慢冷卻速率可大體上合乎在具有相對較高強度及經改良之裝飾性外觀的焊接部分246中形成較小微粒之需要。因此，第二加熱元件252可大體上用以加熱焊接部分246。由此，例如，第二加熱元件252可加熱焊接部分246，以使得沿著該焊接部分之長度限定一恆定冷卻速率，且由此，該焊接部分可沿著自身長度限定實質上恆定的強度。
然而，冷卻元件254可用於某些情形中。舉例而言，控制器228可經組態以沿著焊接部分246之長度選擇性地改變冷卻速率。就此而言，在一些例子中，可能需要在某些位置冷卻焊接部分246以限定實質上恆定的冷卻速率，如上文所指出。然而，在另一實施例中，可能需要形成沿著長度具有變化特性之焊接部分。舉例而言，包括相對較小微粒大小之焊接部分可界定不同於包括相對較大微粒大小之焊接部分的裝飾性外觀，尤其在對該焊接部分進行陽極處理之後。此外，可能需要沿著焊接部分之長度改變冷卻速率以產生沿著自身長度限定不同強度特性(例如，不同硬度或拉伸強度)的焊接部分。由此，例如， 在一實施例中，焊接部分可經組態為在一或多個選定位置處以受控制方式失敗。使用第二加熱元件252及/或冷卻元件254可有助於沿著焊接部分246之長度形成此變化的冷卻速率。
亦提供一種相關摩擦攪拌焊接方法。如圖4中所說明，該方法可包括操作300處的判定一第一部件及一第二部件中之至少一者之一溫度。此外，該方法可包括操作302處的預熱該第一部件及該第二部件以使該溫度增加至一所要溫度。該方法可另外包括操作304處的沿著該第一部件與該第二部件之間的一接合部引導一旋轉的摩擦攪拌焊接工具以於該第一部件與該第二部件之間形成一焊接部分。
在一些實施例中，操作302處的預熱該第一部件及該第二部件可在操作304處的沿著該第一部件與該第二部件之間的該接合部引導該旋轉的摩擦攪拌焊接工具的同時進行。舉例而言，操作302處的預熱該第一部件及該第二部件可包含在該旋轉的摩擦攪拌焊接工具之前沿著該接合部引導一預熱器件。此外，操作302處的預熱該第一部件及該第二部件可包含在該接合部處選擇性地預熱該第一部件及該第二部件。
在一些實施例中，該方法亦可包括調節該焊接部分之一冷卻速率。調節該焊接部分之該冷卻速率可包含沿著該焊接部分之一長度選擇性地改變該冷卻速率。調節該焊接部分之該冷卻速率可包含判定該焊接部分處之一溫度與該旋轉的摩擦攪拌焊接工具處之一溫度之間的一溫差。調節該焊接部分之該冷卻速率可進一步包含在該溫差大於一所要溫差時加熱該焊接部分。另外，調節該焊接部分之該冷卻速率可進一步包含在該溫差小於一所要溫差時冷卻該焊接部分。
圖5為適用於所描述實施例之電子器件400的方塊圖。在一項實例實施例中，電子器件400可具體化於用於熱控制器件226之控制器228中或具體化為用於熱控制器件226之控制器228。就此而言，電子 器件400可經組態以控制或執行上文所描述之預熱及/或冷卻速率調節操作。
電子裝置400說明代表性計算器件之電路。電子器件400可包括處理器402，該處理器可為用於控制電子器件400之總體操作的微處理器或控制器。在一項實施例中，處理器402可經特別組態以執行本文中所描述之功能。電子器件400亦可包括記憶體器件404。記憶體器件404可包括可為(例如)揮發性及/或非揮發性記憶體之非暫時性且有形之記憶體。記憶體器件404可經組態以儲存資訊、資料、檔案、應用程式、指令或其類似者。舉例而言，記憶體器件404可經組態以緩衝輸入資料以供處理器402處理。或者或另外，記憶體器件404可經組態以儲存指令以供處理器402執行。
電子器件400亦可包括使用者介面406，該使用者介面允許電子器件400之使用者與電子器件互動。舉例而言，使用者介面406可採取多種形式，諸如按鈕、小鍵盤、撥號盤、觸控式螢幕、音訊輸入介面、視覺/影像捕捉輸入介面，呈感測器資料之形式的輸入等。另外，使用者介面406可經組態以經由顯示器、揚聲器或其他輸出器件向使用者輸出資訊。通信介面408可用於經由(例如)諸如區域網路(LAN)、都會網路(MAN)及/或廣域網路(WAN)(例如，網際網路)之有線或無線網路傳輸及接收資料。
電子器件400亦可包括焊接模組410。處理器402可具體化為、包括或以其他形式控制焊接模組410。焊接模組410可經組態用於控制或執行摩擦攪拌焊接操作，該等操作包括(例如)如本文中所描述之預熱及/或冷卻速率調節操作。
所描述實施例的各種態樣、實施例、實施或特徵可單獨使用或以任何組合使用。所描述實施例的各種態樣可由軟體、硬體或軟體與硬體之組合來實施。所描述實施例亦可具體化為電腦可讀媒體上的用 於控制加工操作之電腦可讀程式碼。就此而言，如本文中所使用，電腦可讀儲存媒體指代可由電腦系統讀取之非暫時性之實體儲存媒體(例如，揮發性或非揮發性記憶體器件)。電腦可讀媒體之實例包括唯讀記憶體、隨機存取記憶體、CD-ROM、DVD、磁帶及光學資料儲存器件。電腦可讀媒體亦可分散於網路耦接之電腦系統上，使得以分散型式儲存並執行電腦可讀程式碼。
儘管為清楚及理解起見而以說明及舉例之方式已詳細描述前述揭示內容，但將認識到，在不背離本發明之精神或本質特性的情況下，上文所描述之揭示內容可具體化於各種其他特定變體及實施例中。可實踐某些變化及修改，且應理解，本發明並不受前述細節限制，而是由附加之申請專利範圍之範疇界定。
202‧‧‧工具/摩擦攪拌焊接工具
204‧‧‧主軸
206‧‧‧馬達
220‧‧‧接合部
222‧‧‧第一部件
224‧‧‧第二部件
226‧‧‧熱控制器件
228‧‧‧控制器
230‧‧‧預熱器件
232‧‧‧冷卻調節器件
234‧‧‧前臂
236‧‧‧後臂
238‧‧‧焊接方向
240‧‧‧感測器
242‧‧‧延伸部分
244‧‧‧加熱元件
246‧‧‧焊接部分
248‧‧‧感測器
250‧‧‧感測器
252‧‧‧第二加熱元件
254‧‧‧冷卻元件

Claims (13)

  1. 一種摩擦攪拌焊接方法，其包含：預熱一第一部件及一第二部件之間的一接合部以使該溫度達到一所要溫度；及沿著該接合部引導一旋轉的摩擦攪拌焊接工具以於其間形成一焊接部分，該摩擦攪拌焊接工具包含一預熱器件，該預熱器件在該摩擦攪拌焊接工具之一轉動部分之前方偏離一第一距離，且包含一冷卻調節器件，該冷卻調節器件設於該摩擦攪拌焊接工具之該轉動部分之後方的一第二距離處；測量接近於該冷卻調節器件之該接合部之一焊部的一溫度；測量在該摩擦攪拌焊接工具之該轉動部分處之該接合部的一溫度；及基於該經測量的溫度調節該接合部之該焊部的一冷卻速率，而使用該冷卻調節器件達到一所要冷卻速率，該冷卻調節器件經結構設計以與該接合部之該焊部熱接觸，其中當該摩擦攪拌焊接工具沿著該接合部而被引導時，該預熱器件預熱該接合部。
  2. 如請求項1之方法，其中調節該焊接部分之該冷卻速率包含：沿著該焊接部分之一長度選擇性地改變該冷卻速率。
  3. 如請求項1之方法，其中調節該焊接部分之該冷卻速率包含：判定該焊接部分處之一溫度與該旋轉的摩擦攪拌焊接工具處之一溫度之間的一溫差。
  4. 如請求項3之方法，其中調節該焊接部分之該冷卻速率進一步包含：在該溫差大於一所要溫差時加熱該焊接部分。
  5. 如請求項4之方法，其中調節該焊接部分之該冷卻速率進一步包含：在該溫差小於一所要溫差時冷卻該焊接部分。
  6. 一種用於摩擦攪拌焊接之系統，其包含：一摩擦攪拌焊接工具，其經組態以旋轉且沿著一接合部將一第一部件摩擦攪拌焊接至一第二部件；一致動器，其經組態以使該摩擦攪拌焊接工具沿著該接合部相對於該第一部件及該第二部件位移；及一熱控制器件，其經組態以預熱該第一部件及該第二部件之間的一接合部，該熱控制器件包含：一感測器，其經組態以判定該接合部之一溫度；一加熱元件，其經組態以預熱該接合部，該加熱元件在該旋轉的摩擦攪拌焊接工具之前方偏離一第一距離；及一冷卻調節機構，該冷卻調節機構設於該摩擦攪拌焊接工具之該轉動部分之後方的一第二距離處；一控制器，其經組態以：命令該加熱元件預熱該接合部；沿著該接合部引導該旋轉的摩擦攪拌焊接工具以於其間形成一焊接部分，引導該感測器以測量接近於該冷卻調節器件之該接合部之一焊部的一溫度，且測量在該摩擦攪拌焊接工具之該轉動部分處之該接合部的一溫度；及命令該冷卻調節機構，以基於該經測量的溫度調節該接合部之該焊部的一冷卻速率且使用該冷卻調節機構以達到一所要冷卻速率，該冷卻調節機構經結構設計以與該接合部之該焊部熱接觸，其中當該摩擦攪拌焊接工具被引導時，該加熱元件預熱該 接合部。
  7. 如請求項6之系統，其中該加熱元件經組態以延伸至該接合部中。
  8. 如請求項6之系統，其中該熱控制器件進一步包含：複數個感測器，該複數個感測器經組態以判定該焊接部分處之一溫度與該摩擦攪拌焊接工具處之一溫度之間的一溫差；及一第二加熱元件，其經組態以在該溫差大於一所要溫差時加熱該焊接部分。
  9. 一種用於儲存由一控制器中之一處理器執行的經組態以控制一摩擦攪拌焊接系統之電腦指令之非暫時性電腦可讀媒體，該非暫時性電腦可讀媒體包含：用於預熱形成於一第一部件及一第二部件之間的一接合部以使該溫度達到一所要溫度的電腦程式碼；及用於沿著該接合部引導一旋轉的摩擦攪拌焊接工具以於其間形成一焊接部分的電腦程式碼，該摩擦攪拌焊接工具包含一預熱器件，該預熱器件在該摩擦攪拌焊接工具之一轉動部分之前方偏離一第一距離，且包含一冷卻調節器件，該冷卻調節器件設於該摩擦攪拌焊接工具之該轉動部分之後方的一第二距離處；用於測量接近於該冷卻調節器件之該接合部之一焊部的一溫度的電腦程式碼；用於測量在該摩擦攪拌焊接工具之該轉動部分處之該接合部的一溫度的電腦程式碼；及用於基於該經測量的溫度調節該接合部之該焊部的一冷卻速率，而使用該冷卻調節器件達到一所要冷卻速率的電腦程式碼，該冷卻調節器件經結構設計以與該接合部之該焊部熱接 觸，其中用於預熱該接合部的該電腦程式碼及用於沿著該接合部引導該旋轉的摩擦攪拌焊接工具的該電腦程式碼經組態以同時操作。
  10. 如請求項9之非暫時性電腦可讀媒體，其中用於預熱該第一部件及該第二部件的該電腦程式碼包含：用於在該接合部處選擇性地預熱該第一部件及該第二部件的電腦程式碼。
  11. 如請求項9之非暫時性電腦可讀媒體，其中用於調節該焊接部分之該冷卻速率的該電腦程式碼包含：用於沿著該焊接部分之一長度選擇性地改變該冷卻速率的電腦程式碼。
  12. 如請求項9之非暫時性電腦可讀媒體，其中用於調節該焊接部分之該冷卻速率的該電腦程式碼包含：用於判定該焊接部分處之一溫度與該旋轉的摩擦攪拌焊接工具處之一溫度之間的一溫差的電腦程式碼。
  13. 如請求項12之非暫時性電腦可讀媒體，其中用於調節該焊接部分之該冷卻速率的該電腦程式碼進一步包含：用於在該溫差大於一所要溫差時加熱該焊接部分的電腦程式碼。
TW102126978A 2012-07-27 2013-07-26 具有溫度控制之摩擦攪拌焊接 TWI540012B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/560,937 US9033205B2 (en) 2012-07-27 2012-07-27 Friction stir welding with temperature control

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201410368A TW201410368A (zh) 2014-03-16
TWI540012B true TWI540012B (zh) 2016-07-01

Family

ID=49993896

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW102126978A TWI540012B (zh) 2012-07-27 2013-07-26 具有溫度控制之摩擦攪拌焊接

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9033205B2 (zh)
CN (2) CN203541844U (zh)
TW (1) TWI540012B (zh)

Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
USD762253S1 (en) * 2011-07-29 2016-07-26 Japan Transport Engineering Company Friction stir welding tool
KR20170002686A (ko) * 2011-08-19 2017-01-06 니폰게이긴조쿠가부시키가이샤 마찰 교반 접합 방법
US9216473B2 (en) * 2012-04-18 2015-12-22 Ford Global Technologies, Llc Clamping and heating apparatus for joining tools
US9033205B2 (en) * 2012-07-27 2015-05-19 Alfredo CASTILLO Friction stir welding with temperature control
KR20160051895A (ko) * 2013-09-30 2016-05-11 제이에프이 스틸 가부시키가이샤 강판의 마찰 교반 접합 방법 및 접합 이음매의 제조 방법
WO2015045420A1 (ja) * 2013-09-30 2015-04-02 Ｊｆｅスチール株式会社 鋼板の摩擦撹拌接合方法及び接合継手の製造方法
CN105592969B (zh) * 2013-09-30 2018-01-16 杰富意钢铁株式会社 结构用钢的摩擦搅拌接合方法及结构用钢的接合接头的制造方法
JP2016124002A (ja) * 2014-12-26 2016-07-11 トヨタ自動車株式会社 摩擦点接合装置および摩擦点接合方法
WO2016111336A1 (ja) * 2015-01-07 2016-07-14 株式会社山本金属製作所 摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合に用いる回転ツール
EP3251782A4 (en) * 2015-03-19 2018-04-11 JFE Steel Corporation Friction stir welding apparatus for structural steel
JP5883978B1 (ja) * 2015-08-06 2016-03-15 株式会社日立パワーソリューションズ 摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合制御方法
US10919108B2 (en) * 2015-09-14 2021-02-16 Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha Configured to set the plunging force
CA2928413C (en) * 2016-03-31 2019-03-05 Novarc Technologies Inc. Robotic welding system
CN105855692B (zh) * 2016-06-20 2017-08-04 江苏通宇钢管集团有限公司 基于扭矩和振动反馈的钢管搅拌摩擦焊具及焊接方法
KR102156352B1 (ko) * 2016-10-31 2020-09-15 카와사키 주코교 카부시키 카이샤 마찰 교반 점 접합 장치 및 마찰 교반 점 접합 방법
JP6231236B1 (ja) * 2017-03-30 2017-11-15 株式会社日立製作所 摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合制御装置並びに摩擦攪拌接合方法
EP3450078A1 (en) 2017-09-05 2019-03-06 Siemens Aktiengesellschaft Friction stir welding apparatus and method with thermal control
CN107971634A (zh) * 2017-12-27 2018-05-01 长沙理工大学 一种激光-搅拌复合深熔焊接厚板的方法与系统
CN111136377A (zh) * 2020-01-15 2020-05-12 重庆科技学院 多针式摩擦焊接搅拌头
EP4163089A1 (en) * 2021-10-08 2023-04-12 Branson Ultraschall Niederlassung der Emerson Technologies GmbH & Co. oHG Preheating arrangement for a welding device, a respective welding device as well as a preheating method and a welding method
CN114406438B (zh) * 2021-12-30 2023-03-24 北京知信浩宇科技有限公司 一种搅拌摩擦焊的控制方法及系统
CN114654073B (zh) * 2022-05-05 2023-06-02 北京知信浩宇科技有限公司 基于搅拌摩擦焊温度场温度梯度焊缝跟踪装置及方法
CN114951959B (zh) * 2022-07-04 2023-03-24 河北科技大学 一种搅拌摩擦焊接工具

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04277247A (ja) 1991-02-28 1992-10-02 Yamada Kensetsu Kk 居住室の床構造
SE9701265D0 (sv) 1997-04-04 1997-04-04 Esab Ab Förfarande och anordning för friktionsomrörningssvetsning
US6247633B1 (en) 1999-03-02 2001-06-19 Ford Global Technologies, Inc. Fabricating low distortion lap weld construction
DE10139687C1 (de) 2001-08-11 2003-02-20 Eads Deutschland Gmbh Reibrührwerkzeug zum Reibschweißen
SE522075C2 (sv) * 2001-10-23 2004-01-13 Svensk Kaernbraenslehantering Förfarande för friktionsomröringssvetsning
US6776328B2 (en) 2002-09-17 2004-08-17 The Boeing Company Radiation assisted friction welding
US6913186B2 (en) 2003-09-11 2005-07-05 The Boeing Company Apparatus and method for friction stir welding with a variable speed pin
US20080099533A1 (en) * 2006-10-31 2008-05-01 General Electric Method for controlling microstructure via thermally managed solid state joining
KR100986934B1 (ko) * 2007-07-13 2010-10-08 현대자동차주식회사 연료전지의 금속분리판 용접장치
US7762447B2 (en) 2008-03-20 2010-07-27 Ut-Battelle, Llc Multiple pass and multiple layer friction stir welding and material enhancement processes
US20090261146A1 (en) 2008-03-25 2009-10-22 Hou Gene J Donor material technology for friction stir welding
US7832613B2 (en) * 2009-01-15 2010-11-16 General Electric Company Friction stir welding system
CN102049607A (zh) 2009-10-30 2011-05-11 北京石油化工学院 摩擦叠焊应力温度测量系统
JP5461476B2 (ja) * 2011-05-27 2014-04-02 三菱重工業株式会社 摩擦攪拌接合装置
US9033205B2 (en) * 2012-07-27 2015-05-19 Alfredo CASTILLO Friction stir welding with temperature control

Also Published As

Publication number Publication date
CN203541844U (zh) 2014-04-16
CN103567626B (zh) 2016-12-28
US20140027496A1 (en) 2014-01-30
CN103567626A (zh) 2014-02-12
TW201410368A (zh) 2014-03-16
US9033205B2 (en) 2015-05-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI540012B (zh) 具有溫度控制之摩擦攪拌焊接
TWI532555B (zh) 基於焊接溫度之磨擦攪拌焊接製程參數的動態調整
US20180221986A1 (en) Friction Stir Welding Device and Method for Controlling Friction Stir Welding
US7832615B2 (en) Joining method and joining apparatus
JP6121520B2 (ja) 摩擦攪拌作業のプロセス制御のための作用力調節
US20180257169A1 (en) Friction stir spot welding device and friction stir spot welding method
CN108687439B (zh) 摩擦搅拌接合装置及方法以及摩擦搅拌接合控制装置
JP4313714B2 (ja) 摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法
US9387551B2 (en) Method, system, and computer program product for simulating friction stir welding
JP7016083B2 (ja) 接合システム及び接合方法
JP6412627B1 (ja) 摩擦撹拌接合装置、摩擦撹拌接合方法、データベースを備えた摩擦撹拌接合装置、データベースを用いる摩擦撹拌接合方法、摩擦撹拌接合装置の制御装置
US8800847B2 (en) Dynamic path correction of friction stir welding
JP3081817B2 (ja) 異種金属製ワーク同士の摩擦撹拌接合方法
JP2010247180A (ja) ろう付け装置およびその装置を用いたろう付け方法
US20140077668A1 (en) Friction stir welding parts including one or more expendable portions
JP5942034B2 (ja) 摩擦撹拌接合装置および接合方法
JP2004337860A (ja) 摩擦攪拌接合方法および接合装置
WO2014118280A1 (en) Method of and arrangement for friction stir welding comprising temperature measurement
JP6125250B2 (ja) シーム溶接装置およびシーム溶接方法
JP2003245781A (ja) 摩擦圧接方法及び摩擦圧接装置
JP2020069515A (ja) 摩擦攪拌接合方法