TWI630050B - 金屬板與工程陶瓷板之摩擦攪拌銲接裝置 - Google Patents

Abstract

一種金屬板與工程陶瓷板之摩擦攪拌銲接裝置，藉由對金屬板與工程陶瓷板進行預熱，得以防止該工程陶瓷板易發生破裂的問題。係包含：一底座，具有一加熱組件，用以對二板件預熱至一預熱溫度；及一銲接工具，該銲接工具的熔點遠高於該第一板件的熔點，該銲接工具以摩擦攪拌的方式擠入該第一板件至一定深度，以產生半固態塑性流動層與該第二板件接合。該銲接工具旋轉摩擦產生的一摩擦溫度，與該預熱溫度之溫度差低於該第二板件的一熱衝擊溫度。當該銲接工具退離時，在該第一板件表面上所形成的匙孔，可藉由一熔接件以摩擦攪拌的方式予以填補。

Description

金屬板與工程陶瓷板之摩擦攪拌銲接裝置

本發明係關於一種摩擦攪拌銲接裝置，尤其是一種一金屬板與一工程陶瓷板以摩擦攪拌銲接者。

工程陶瓷材料的特性為耐腐蝕、耐高溫、耐磨耗、質量輕及導電導熱度低，但具有韌性差、易脆裂而難以加工的缺點，反之，金屬材料雖腐蝕性差且會高溫氧化，但其優點為韌性佳且易成型加工，因此，將金屬材料與工程陶瓷材料組合使用，係可相互提升彼此的特性，以使該銲接後之金屬與工程陶瓷複合材料足以抵抗環境的負荷，且能增進產業界使用工程陶瓷材料的便利性。

現今金屬與工程陶瓷之複合材料已廣泛應用於各種產業，一般而言，將金屬材料與工程陶瓷材料接合的常見技術有膠黏、固相接合、硬銲、熔化銲及壓銲等，但常需要消耗性材料例如中間插入材、保護氣體、接合助劑等，以及特殊銲接設備例如銲接腔體、高能束。發明人專研摩擦攪拌銲接技術十多年，由於摩擦攪拌銲接技術是屬於具有高銲接品質、低銲接變形量、銲接速度快及生產性高等優點之先進銲接製程，所以曾提出多項相關的發明專利案以及研究論文。其中，使用轉動的一鋅合金棒材成功接合了燒結鐵芯之間的對接，該技術已揭露於中華民國公告第I543213號「變壓器的鐵芯接合方法及其治具」專利案。發明人進而利用摩擦攪拌 銲接技術來接合金屬與工程陶瓷之二板件。

摩擦攪拌銲接技術係屬於固相接合，藉由高速旋轉的圓柱型銲接工具，對二個工件的交界面局部施壓所引起的摩擦熱，會使該交界面之一接合處被加熱至半固態的塑性流動層，而可將該二個工件接合在一起，其中，更可以預先對該銲接工具以及該二個工件加熱，減少該銲接工具所需產生的摩擦熱，以使該銲接工具的轉速可相對降低，類似於該摩擦攪拌銲接技術已揭露於中華民國公告第I540012號「具有溫度控制之摩擦攪拌焊接」專利案、美國公告第7,121,448號「Fiction stir welding apparatus and associated thermal management systems and methods」專利案，以及日本特開2007-190606號「加熱摩擦攪拌溶接方法装置」等專利案當中。

惟，在接合結束時由於該銲接工具的退離，會導致該接合處產生一〝匙孔〞，進而影響該二個工件的接合強度及外觀。

有鑑於此，習知的摩擦攪拌銲接技術的缺點確實仍有加以改善之必要。

為解決上述問題，本發明的目的係提供一種金屬板與工程陶瓷板之摩擦攪拌銲接裝置，係可以藉由一加熱組件對金屬板與工程陶瓷板進行預熱方式，進而具有防止該工程陶瓷板在接合過程中發生破裂者。

本發明的次一目的係提供一種金屬板與工程陶瓷板之摩擦攪拌銲接裝置，係可以使該金屬板在接合時所產生的匙孔可被熔合填補，以改善該金屬板與該工程陶瓷板之接合強度及外觀者。

本發明以下所述方向性或其近似用語，例如「前」、「後」、「上(頂)」、「下(底)」、「內」、「外」、「側面」等，主要係參考附加圖式的方向，各方向性或其近似用語僅用以輔助說明及理解本發明的各實施例，非用以限制本發明。

本發明全文所述之「熱衝擊溫度」，係指一材料受到快速加熱所造成的溫度變化，導致該材料的表面與內部之間產生溫差，而該材料相對高溫部位與相對低溫部位，因熱膨脹量不等所產生的一熱應力超過該材料的強度時，所造成該材料發生破損或是龜裂之溫度變化範圍值稱為熱衝擊溫度。

本發明的金屬板與工程陶瓷板之摩擦攪拌銲接裝置，包含：一種金屬板與工程陶瓷板之摩擦攪拌銲接，係包含：一底座，具有一容置空間，該容置空間具有一加熱組件；二板件，分別為一第一板件及一第二板件成疊置且被固於該容置空間，該第一板件貼接於該第二板件的上表面，該第二板件置設於該加熱組件的上表面，由該加熱組件對該二板件預熱至一預熱溫度；一銲接工具，該銲接工具的熔點遠高於該第一板件的熔點，該銲接工具以摩擦攪拌的方式擠入該第一板件至一定深度，以使該第一板件所產生的半固態塑性流動層與該第二板件接合，且該銲接工具旋轉摩擦所產生的一摩擦溫度與該預熱溫度之溫度差低於該第二板件的一熱衝擊溫度，當該銲接工具退離時，該第一板件形成一匙孔；及一熔接件，該熔接件的材質與該第一板件相同，該熔接件以摩擦攪拌的方式填補於該匙孔，該熔接件的一端具有一熔接頭，該熔接頭的端面為鈍圓錐型，該熔接頭的高度等於該銲接工具擠入該第一板件之深度，該熔接件之端身與該熔接頭的連接處具有一縮徑段，該縮徑段係由該端身與該熔接頭共同向該熔接件的軸心成徑向內縮所形成。

據此，本發明的金屬板與工程陶瓷板之摩擦攪拌銲接裝置，係可藉由預先加熱該二板件，使該摩擦溫度與該預熱溫度之溫度差低於該第二板件的熱衝擊溫度，進而可使該銲接工具以高速旋轉的方式接合該二板件時，具有防止該第二板件發生破裂的功效。

其中，該加熱組件為至少一加熱管，該至少一加熱管連接一 電源供應器。如此，具有加熱該二板件的效果。

其中，該底座具有相對高度較高的二個側壁以及相對高度較低的一槽底，該二個側壁與該槽底之間形成該容置空間。如此，該底座可形成一U型槽，係具有使該二板件可以成牢固定位的效果。

其中，該二個側壁各可具有一壓板，該二個壓板分別成可調動地固定於該二個側壁之上表面。如此，可藉由該加熱組件與該二個壓板共同壓掣該二板件，係具有使該二板件可以成牢固定位的效果。

其中，該二個壓板相對該二個側壁之上表面呈一傾斜狀態，該二個壓板與該加熱組件共同壓掣該二板件。如此，可藉由該二個壓板之調整，係具有使該二板件被牢固的定位的效果。

其中，該第一板件是一金屬板，該第二板件是一工程陶瓷板。如此，係具有使該金屬板與該工程陶瓷板接合成複合材料，且具有抵抗環境負荷的效果。

其中，該銲接工具擠入該第一板件之深度小於該第一板件的厚度，使該銲接工具下端的該第一板件材料產生半固態的塑性流動層，而能與該第二板件的表面接合。

〔本發明〕

1‧‧‧底座

1a‧‧‧側壁

1b‧‧‧槽底

11‧‧‧加熱組件

12‧‧‧加熱管

13‧‧‧溫度感測元件

14‧‧‧隔熱層

15‧‧‧壓板

151‧‧‧對位孔

16‧‧‧第一定位孔

17‧‧‧第一定位元件

18‧‧‧第二定位孔

19‧‧‧第二定位元件

2‧‧‧板件

21‧‧‧第一板件

22‧‧‧第二板件

23‧‧‧表層

24‧‧‧塑性流動層

25‧‧‧匙孔

3‧‧‧銲接工具

4‧‧‧熔接件

41‧‧‧熔接頭

41a‧‧‧端面

42‧‧‧端身

43‧‧‧縮徑段

44‧‧‧填補層

S‧‧‧容置空間

D‧‧‧深度

T‧‧‧高度

第1圖：本發明一較佳實施例的分解立體圖。

第2圖：本發明一較佳實施例的組合側視圖。

第3圖：本發明一較佳實施例搭配銲接工具情形圖。

第4圖：本發明一較佳實施例的熔接情形一圖。

第5圖：本發明一較佳實施例的熔接情形二圖。

第6圖：本發明一較佳實施例的熔接情形三圖。

第7圖：本發明一較佳實施例的熔接情形四圖。

第8圖：本發明一較佳實施例的熔接情形五圖。

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：請參照第1、2圖，其係本發明金屬板與工程陶瓷板之摩擦攪拌銲接裝置的第一實施例，係包含一底座1、二板件2及一銲接工具3，該二板件2成疊置且被固於該底座1之一容置空間S，由該銲接工具3以高速旋轉的方式接合該二板件2。

該底座1可由耐高溫及抗壓之材料製成，該底座1較佳為一U型狀，使該底座1具有一容置空間S，如此，該底座1係可具有相對高度較高的二個側壁1a，以及相對高度較低的一槽底1b，且該二個側壁1a與該槽底1b之間可以形成該容置空間S，該二個側壁1a及該槽底1b的結合可以是一體成形，惟不以此為限，該底座1可具有一加熱組件11，該加熱組件11係設置於該容置空間S的底部，該加熱組件11可以為至少一加熱管12，該至少一加熱管12可以連接一電源供應器(圖未示)，該至少一加熱管12用以對該加熱組件11加熱，該加熱組件11另可具有一溫度感測元件13，該溫度感測元件13可以為一熱電偶，該溫度感測元件13用以感測該加熱組件11之溫度，其中，該底座1較佳還可以具有一隔熱層14，該隔熱層14可以由數個隔熱磚構成，並環設於該加熱組件11與該底座1之間，用以使該加熱組件11之溫度穩定且少熱損。另外，該二個側壁1a各可具有一壓板15，該二個壓板15分別成可調動地固定於該二個側壁1a之上表面，藉由該加熱組件11與該二個壓板15共同壓掣該二板件2，以使該二板件2可被牢固的定位於該容置空間S。

詳言之，在本實施例中，於該二個側壁1a之上表面各可具有數個第一定位孔16，該數個第一定位孔16係可供數個第一定位元件17 螺合，藉由各該第一定位孔16與各該第一定位元件17之螺紋相配合，可使該數個第一定位元件17凸出於該二個側壁1a之上表面各具有一高度，如此，當該二個壓板15固定於該二個側壁1a之上表面時，該二個壓板15的底表面一側各可被該數個第一定位元件17抵頂，而使該二個壓板15相對該二個側壁1a之上表面呈現一傾斜狀態，於該二個側壁1a之上表面可另各具有數個第二定位孔18，該數個第二定位孔18較鄰近該容置空間S，以及，該二個壓板15的本身各可具有數個對位孔151，該數個對位孔151係各可對位於該數個第二定位孔18，如此，當該二板件2置於該容置空間S後，係可藉由該二個壓板15相對該二個側壁1a之上表面呈一傾斜狀態，以使該二個壓板15之一端邊可壓接於該二板件2，及藉由數個第二定位元件19經由該數個對位孔151及固定於該數個第二定位孔18，使該二個壓板15可共同定位該二板件2。

該二板件2係分為一第一板件21及一第二板件22，在本實施例中，該第一板件21可以是一金屬板，該第二板件22可以是一工程陶瓷板，該第一板件21與該第二板件22係重疊置於該容置空間S，該第二板件22可以為下板貼接於該加熱組件11的上表面，該第一板件21可以為上板置設於該第二板件22的上表面，如此，該銲接工具3係可以對該第一板件21進行摩擦攪拌。

請參照第3圖，該銲接工具3較佳為一圓柱體，以利均勻摩擦攪拌，該銲接工具3係可以高速旋轉的方式作用於該第一板件21，使該第一板件21局部產生半固態的塑性流動層，惟該銲接工具3的熔點必須遠高於該第一板件21的熔點。據由前述結構，欲使用該銲接工具3接合該二板件2時，必須先藉由該加熱組件11對該二板件2預熱至一預熱溫度，並使該銲接工具3形成高速旋轉狀態，而可使該銲接工具3作用於該第一板件21時產生摩擦熱，該摩擦熱係具有一摩擦溫度，該摩擦溫度與該預熱溫 度之溫度差稱為局部溫度差，其中，由於該第二板件22係一工程陶瓷板，故該局部溫度差必須低於該工程陶瓷板的一熱衝擊溫度，如此，係可以防止該第二板件22破裂。

請參照第4圖，該銲接工具3係可藉由高速旋轉產生的摩擦熱，得以擠入該第一板件21至一深度D，需注意的是，該深度D必須小於該第一板件21的厚度。由於該第一板件21係一金屬板，使該銲接工具3擠入該第一板件21之路徑，因摩擦熱而軟化形成半固態的一塑性流動層24，該塑性流動層24係可逐漸滲入該第二板件22的表層23中，如此，可使該第一板件21與該第二板件22能夠在該表層23處接合。

請參照第5、6圖，由於該塑性流動層23的厚度小於該第一板件21的厚度，會使該第一板件21形成有一匙孔25，該匙孔25係可藉由一熔接件4以摩擦攪拌的方式填補。詳言之，該熔接件4的一端可具有一熔接頭41，該熔接頭41的端面41a較佳為鈍圓錐型，以利摩擦攪拌，以及該熔接頭41的高度T較佳等於該深度D，如此可具有足夠材料填補該匙孔25，於該熔接件4之端身42與該熔接頭41的連接處，另可具有一縮徑段43，該縮徑段43係由該熔接頭41與該端身42共同向該熔接件4的軸心成徑向內縮所形成，其中，該熔接件4的材質必須與該第一板件21相同。

請參照第7、8圖，欲使用該熔接件4填補該匙孔25時，係使該熔接件4形成高速旋轉狀態，並由該熔接頭41擠入該匙孔25的底部，由於該熔接頭41的鈍圓錐型端面41a在高速旋轉所產生的摩擦熱作用下，軟化形成半固態的塑性流動，以逐漸填補該端面與該匙孔的底部之間的空隙以及該熔接頭41與該匙孔25之間的間隙。在此情況下發生更大的扭力，而使該熔接件4之端身與該熔接頭41於該縮徑段43被扭斷而分離，其中，被分離後位於該匙孔25的該熔接頭41係可形成一填補層44。如此，藉由 該熔接件4填補該匙孔25的方式，係可提升該第一板件21與該第二板件22之接合強度，以及美化該一板件21之外觀。

綜上所述，本發明的金屬板與工程陶瓷板之摩擦攪拌銲接裝置，係可藉由預先加熱該二板件，使該摩擦溫度與該預熱溫度之溫度差低於該第二板件的一熱衝擊溫度，進而可使該銲接工具以摩擦攪拌的方式接合該二板件時，具有防止該第二板件發生破裂的功效。

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。

Claims (7)

1. 一種金屬板與工程陶瓷板之摩擦攪拌銲接裝置，係包含：一底座，具有一容置空間，該容置空間具有一加熱組件；二板件，分別為一第一板件及一第二板件成疊置且被固於該容置空間，該第一板件貼接於該第二板件的上表面，該第二板件置設於該加熱組件的上表面，由該加熱組件對該二板件預熱至一預熱溫度；一銲接工具，該銲接工具的熔點遠高於該第一板件的熔點，該銲接工具以摩擦攪拌的方式擠入該第一板件至一定深度，以使該第一板件所產生的半固態塑性流動層與該第二板件接合，且該銲接工具旋轉摩擦所產生的一摩擦溫度與該預熱溫度之溫度差低於該第二板件的一熱衝擊溫度，當該銲接工具退離時，該第一板件形成一匙孔；及一熔接件，該熔接件的材質與該第一板件相同，該熔接件以摩擦攪拌的方式填補於該匙孔，該熔接件的一端具有一熔接頭，該熔接頭的端面為鈍圓錐型，該熔接頭的高度等於該銲接工具擠入該第一板件之深度，該熔接件之端身與該熔接頭的連接處具有一縮徑段，該縮徑段係由該端身與該熔接頭共同向該熔接件的軸心成徑向內縮所形成。
2. 如申請專利範圍第1項所述之金屬板與工程陶瓷板之摩擦攪拌銲接裝置，其中，該加熱組件為至少一加熱管，該至少一加熱管連接一電源供應器。
3. 如申請專利範圍第1項所述之金屬板與工程陶瓷板之摩擦攪拌銲接裝置，其中，該底座具有相對高度較高的二個側壁以及相對高度較低的一槽底，該二個側壁與該槽底之間形成該容置空間。
4. 如申請專利範圍第3項所述之金屬板與工程陶瓷板之摩擦攪拌銲接裝置，其中，該二個側壁頂部各具有一壓板，該二個壓板分別成可調動地固定於該二個側壁之上表面。
5. 如申請專利範圍第4項所述之金屬板與工程陶瓷板之摩擦攪拌銲接裝置，其中，該二個壓板相對該二個側壁之上表面呈一傾斜狀態，該二個壓板與該加熱組件共同壓掣該二板件。
6. 如申請專利範圍第1項所述之金屬板與工程陶瓷板之摩擦攪拌銲接裝置，其中，該第一板件是一金屬板，該第二板件是一工程陶瓷板。
7. 如申請專利範圍第1項所述之金屬板與工程陶瓷板之摩擦攪拌銲接裝置，其中，該銲接工具擠入該第一板件之深度小於該第一板件的厚度。