TWI723841B - 摩擦攪拌銲接組件及摩擦攪拌銲接加工方法 - Google Patents
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Abstract
一種摩擦攪拌銲接加工方法包括：提供一摩擦攪拌銲接組件，包含：二金屬板件，每一金屬板件具有一銲接區；以及一固定件，係供置入前述二金屬板件，使其至少局部位於前述二銲接區，以固定相鄰疊置的前述二金屬板件；其中，前述固定件的前述至少局部可藉由摩擦攪拌銲接加工與前述二銲接區熔融；將前述二金屬板件之二銲接區彼此相鄰且相對疊置；將前述固定件置入前述二金屬板件，且其至少局部觸及前述二銲接區，使前述二金屬板件相互固定；以及進行摩擦攪拌銲接加工，前述固定件的前述至少局部與前述二銲接區皆於摩擦攪拌銲接加工後熔融結合。
Description
本發明是有關於一種摩擦攪拌銲接加工技術，特別是有關於一種能簡易固定與定位層疊的二金屬板件的摩擦攪拌銲接組件及摩擦攪拌銲接加工方法。
摩擦攪拌積層製造(Friction Stir Additive Manufacturing,FSAM)係摩擦攪拌銲接與積層製造兩項加工技術的結合，其利用多道次摩擦攪拌銲接加工將疊合的上下兩層板材銲合，並視需求重複多次堆疊銲合成形。
進行摩擦攪拌銲接時，摩擦攪拌銲接工具作用於工件上的下壓力及軸向扭力均非常的大，需以夾治具壓持工件使其穩固，摩擦攪拌銲接加工方能順利進行。然而，壓持工件的夾治具會妨礙摩擦攪拌銲接工具進給，也就是說，工件受夾治具壓持的區域無法進行摩擦攪拌銲接加工。這將使得受夾治具壓持的區域的材料無法有效利用，積層後還需將此區域的材料削除，造成材料浪費。再則，板材積層高度越高，需具備剛性更佳之夾治具以克服攪拌工具之軸向扭力，增加夾治具設計的難度與製作成本。此外，於積層製造時，上下料需先組設和卸除夾治具，作業時間長，大幅降低設備稼動率。
此外，習知摩擦攪拌銲接加工亦有以點銲方式
將兩工件定位與固定，點銲雖有操作簡便與經濟的優勢，惟點銲會將熱導入工件，極易造成工件變形，使層疊的工件無法彼此貼合，將導致接合上的缺陷，影響積層製造品質。
前揭現有夾治具的缺點，實不利摩擦攪拌銲接加工與摩擦攪拌積層製造之發展，因此，有需要提供新的摩擦攪拌銲接組件及摩擦攪拌銲接加工方法，以解決前述的問題。
本發明之一目的是提供一種摩擦攪拌銲接組件與一種摩擦攪拌銲接加工方法，藉由一固定件固定與定位層疊的二金屬板件，以降低對層疊的二金屬板件進行摩擦攪拌銲接加工的作業時間與成本。
本發明之另一目的是提供一種摩擦攪拌銲接組件與一種摩擦攪拌銲接加工方法，藉由一固定件固定與定位層疊的二金屬板件，以提升對層疊的二金屬板件進行摩擦攪拌銲接加工的有效積層面積與材料利用率。
本發明之又一目的是提供一種摩擦攪拌銲接組件與一種摩擦攪拌銲接加工方法，藉由一固定件固定與定位層疊的二金屬板件，以提升對層疊的二金屬板件進行摩擦攪拌銲接加工的品質。
依據上述之目的，本發明提供一種摩擦攪拌銲接組件，包含：二金屬板件，每一金屬板件具有一銲接區；以及一固定件，係供置入前述二金屬板件，使其至少局部位於前述二銲接區，以固定相鄰疊置的前述二金屬板件；其中，前述固定件的前述至少局部可藉由摩擦攪拌銲接加工與前述二銲接區熔融。
依據上述之目的，本發明更提供一種摩擦攪拌
銲接加工方法，其步驟包括：提供如前述之摩擦攪拌銲接組件；將前述二金屬板件之前述二銲接區彼此相鄰且相對疊置；將前述固定件置入前述二金屬板件，且其至少局部觸及前述二銲接區，使前述二金屬板件相互固定；以及進行摩擦攪拌銲接加工，使前述固定件的前述至少局部與前述二銲接區皆於摩擦攪拌銲接加工後熔融而結合。
本發明能藉由將一固定件的至少局部置入層疊的二金屬板件之銲接區以固定與定位二金屬板件，並於進行摩擦攪拌銲接加工時，使前述固定件的至少局部與前述二銲接區皆於摩擦攪拌銲接加工後熔融而結合，省卻夾治具開發設計、組設拆卸等作業時間與成本，且固定件的設置不會妨礙摩擦攪拌銲接工具進給，可提升有效積層面積與材料利用率，更能使層疊的工件能彼此貼合，確保積層製造之品質。
1:積層工件
10,20:摩擦攪拌銲接組件
11,11',21,31:金屬板件
12,12',22,32:金屬板件
111,111',211,311:銲接區
121,121',221,321:銲接區
1111,2111:銲接區的中間區域
1211,2211:銲接區的中間區域
13,13',23,33:固定件
212,222:孔洞
40:摩擦攪拌銲接工具
S10:提供摩擦攪拌銲接組件，其包含：二金屬板件和一固定件
S20:疊置二金屬板件
S30:以固定件固定二金屬板件
S40:摩擦攪拌銲接
圖1為本發明之摩擦攪拌銲接加工方法第一實施例之步驟流程圖。
圖2A~2G為本發明之摩擦攪拌銲接加工方法第一實施例之施作示意圖。
圖3A~3F為本發明之摩擦攪拌銲接加工方法第二實施例之施作示意圖。
圖4為本發明之以固定件固定二金屬板件另一施作態樣之示意圖。
為讓本發明之上述或其他目的、特徵以及特點能更明顯易懂，茲配合圖式將本發明相關實施例詳細說明如下：
圖1為本發明之摩擦攪拌銲接加工方法第一實施例之步驟流程圖，圖2A~2G為本發明之摩擦攪拌銲接加工方法第一實施例之施作示意圖。請一併參考圖1與圖2A~2G，本發明第一實施例之摩擦攪拌銲接加工方法步驟如下：
請參考圖2A，提供摩擦攪拌銲接組件步驟(S10)：摩擦攪拌銲接組件(10)包含二金屬板件(11,12)和至少一固定件(13)。每一金屬板件具有一銲接區(111,121)，固定件(13)係供置入二銲接區(111,121)以固定相鄰疊置的二金屬板件(11,12)，其中，固定件(13)之材質係可藉由摩擦攪拌銲接加工與二金屬板件(11,12)融合之材料。固定件(13)的材質可選擇為鋁基金屬、鎂基金屬、銅基金屬、鐵基金屬或鈦基金屬。較佳地，固定件(13)的材料剛性分別大於二金屬板件(11,12)之材料剛性。於本實施例中，固定件(13)為一自沖鉚釘。自沖鉚釘具有容易取得、價格低廉以及易於操作的優點。
本實施例之固定件(13)數量為4，惟本發明之實施並不以此為限。固定件設置之數量會與摩擦攪拌銲接工具所施加之作用力、固定件的材質、固定件的尺寸、固定件設置的位置、二金屬板件之摩擦係數等有關，可藉力學分析求得。
請參考圖2B，疊置二金屬板件步驟(S20)：首先，將下層的金屬板件(11)放置於一工作台面(未繪示)，並加以固定。再將上層的金屬板件(12)疊置於下層的金屬板件(11)之上，並使該二銲接區(111,121)彼此相鄰且相對疊置。於本實施例中，係以壓板、螺栓以及螺帽等將下層的金屬板件(11)固定於工作台面(未繪示)，而壓板是壓抵於下層的金屬板件(11)之銲接區(111)以外的區域，以免妨礙後續摩擦攪拌銲接加工。然而，能將下層的金屬板件(11)固定於工作台面之技術手段相當眾多，本發明之實施並不以此為限。
請參考圖2C，以固定件固定二金屬板件步驟
(S30)：係將固定件(13)置入於二銲接區(111,121)，二金屬板件(11,12)受到固定件(13)的拘束後，便能相互固定與定位，於後續進行摩擦攪拌銲接加工時不會因摩擦攪拌之作用力產生相對運動。當固定件(13)為一自沖鉚釘時，固定件(13)可自上層的金屬板件(12)朝下層的金屬板件(11)的方向直接打入上層金屬板件(12)的銲接區(121)，使自沖鉚釘之釘腳刺穿上層金屬板件(12)的銲接區(121)而停留在下層金屬板件(11)的銲接區(111)內部，釘腳亦在沖入金屬板件過程中產生變形，二金屬板件(11,12)之間因而無法相對運動而固定。較佳地，自沖鉚釘打入二金屬板件(11,12)後，其頂面係與上層的金屬板件(12)的上表面齊平，以免妨礙後續摩擦攪拌銲接工具進行摩擦攪拌銲接加工。相對以習知夾治具固定二金屬板件而言，以自沖鉚釘固定二金屬板件可大幅省去架設與夾持所耗費的時間，使固定與定位層疊的二金屬板件更為簡易。相對以點銲固定二金屬板件而言，層疊的板件不會因熱影響而變形，能彼此貼合，確保積層製造之品質。
請參考圖2D，將固定件(13)置入於二金屬板件(11,12)時，較佳地，至少一固定件(13)係設置於二銲接區(111,121)各自的中間區域(1111,1211)內。如此可避免摩擦攪拌銲接時，因為加工應力造成二銲接區(111,121)的中間區域(1111,1211)有翹曲的問題。於本文中，中間區域(1111,1211)係指二銲接區(111,121)各自相對靠近中間的區域，且各中間區域(1111,1211)的面積相對各銲接區(111,121)的面積的比值為三分之二。
請參考圖2E，進行摩擦攪拌銲接步驟(S40)：係以一摩擦攪拌銲接工具40對二銲接區(111,121)進行摩擦攪拌銲接加工，使二銲接區(111,121)熔融而結合。進行摩擦攪拌銲接時，摩擦攪拌銲接工具40會對二金屬板件(11,12)施加相當大的作用力(下壓力及軸向扭力)，本發明之固定件(13)，
自沖鉚釘，能於摩擦攪拌銲接工具40施加作用力時，使二金屬板件(11,12)不產生相對運動，而達到固定的功效。而行摩擦攪拌銲接時，位於二銲接區(111,121)內的固定件(13)亦會受到摩擦攪拌銲接工具40之摩擦攪拌，由於固定件(13)之材質係可藉由摩擦攪拌銲接加工與二金屬板件(11,12)融合之材料，固定件(13)於摩擦攪拌銲接加工後，會與二銲接區(111,121)熔融在一起，並使二金屬板件(11,12)接合以形成一積層工件1(參考圖2F)。由於固定件(13)於摩擦攪拌銲接加工後，會與二銲接區(111,121)熔融在一起，因而省去了夾治具拆卸的時間，大幅提升工作效率。
在一實施例中，固定件(13)與二金屬板件(11,12)的材料不同，固定件(13)經摩擦攪拌銲接工具40之摩擦攪拌後與二銲接區(111,121)熔融，而分別在二銲接區(111,121)內形成具明暗交錯紋路的洋蔥環結構。在一實施例中，固定件(13)與二金屬板件(11,12)的材料不同，且具有多個彼此相間隔設置的固定件(13)，經摩擦攪拌銲接後，二銲接區(111,121)內會間隔地分布固定件(13)的材料。
請參考圖2G，於完成摩擦攪拌銲接步驟(S40)後，可更重複步驟(S10)~(S40)，於積層工件1(11')上再疊置另一金屬板件(12')，並置入固定件(13')，使金屬板件(12')固定於積層工件1(11')上，再以摩擦攪拌銲接工具40對二銲接區(111',121')進行摩擦攪拌銲接，固定件(13')與二銲接區(111',121')在摩擦攪拌銲接加工下熔融在一起，使金屬板件(12')接合於積層工件1(11')上。金屬板件可如上述步驟逐一堆疊接合而形成所需之積層工件。
圖3A~3F為本發明之摩擦攪拌銲接加工方法第二實施例之部分施作示意圖。本發明之摩擦攪拌銲接加工方法第二實施例之步驟大致與第一實施例相同。請一併參考圖1與圖3A，
於本實施例之提供摩擦攪拌銲接組件步驟(S10)中，摩擦攪拌銲接組件20同樣包含二金屬板件(21,22)和一固定件(23)。與第一實施例不同之處在於本實施例之固定件(23)為一銷，銷的橫截面形狀可為圓形或多邊形。同樣地，銷具有容易取得、價格低廉以及易於操作的優點。
本實施例之固定件(23)數量為4，惟本發明之實施並不以此為限。固定件設置之數量會與摩擦攪拌銲接工具所施加之作用力、固定件的材質、固定件的尺寸、固定件設置的位置、二金屬板件之摩擦係數等有關，可藉力學分析求得。
請參考圖3B-1與3B-2，於本實施例之提供摩擦攪拌銲接組件步驟(S10)中，可更包含一孔洞成形步驟：係分別於二銲接區(211,221)相對應的位置各自形成孔洞(212,222)，供後續以固定件固定二金屬板件步驟(S20)中將固定件(23)嵌入於二銲接區(211,221)以固定二金屬板件(21,22)。於本實施例中，二孔洞(212,222)係各自貫穿二金屬板件(21,22)。二孔洞(212,222)的形狀係與銷的橫截面形狀相對應。孔洞(212,222)的數量亦與銷的數量相對應。較佳地，二孔洞(212,222)的直徑小於銷的直徑，銷與二孔洞(212,222)的組設為緊配(干涉配合)能使二金屬板件(21,22)獲得較佳的定位與固定效果。
請參考圖3C-1與3C-2，在一實施例中，為了避免摩擦攪拌銲接之應力造成二銲接區(211,221)的中間區域產生翹曲，至少二孔洞(212,222)係各自形成於二銲接區(211,221)的中間區域(2111,2211)內，供後續以固定件固定二金屬板件步驟(S20)中將固定件(23)嵌入於二銲接區(211,221)的中間區域(2111,2211)內，以固定二金屬板件(21,22)。中間區域之定義已揭示於前一實施例，於此不再重複。
請參考圖3D，於本實施例之疊置二金屬板件步
驟(S20)中，先將下層的金屬板件(21)放置並固定於一工作台面(未繪示)上。再將上層的金屬板件(22)疊置於下層的金屬板件(21)之上，使二銲接區(211,221)彼此相鄰且相對疊置，並使位於二銲接區(211,221)的二孔洞(212,222)相對且連通。
請參考圖3E，於本實施例之以固定件固定二金屬板件步驟(S30)中，係將固定件(23)，銷，嵌入位於二銲接區(211,221)的二孔洞(212,222)中，二金屬板件(21,22)受到固定件(23)的拘束後，便能相互固定。銷可自上層的金屬板件(22)往下層的金屬板件(21)的方向直接打入上層金屬板件(22)的孔洞(222)，而嵌入連通的二孔洞(212,222)中，使二金屬板件(21,22)之間無法相對運動而定位與固定。較佳地，銷嵌入連通的二孔洞(212,222)後，其頂面係與上層的金屬板件(22)的上表面齊平，以免妨礙後續摩擦攪拌銲接工具進行摩擦攪拌銲接加工。相同地，以銷固定二金屬板件(21,22)可大幅省去習知夾治具架設與夾持所耗費的時間，使固定與定位層疊的二金屬板件更為簡易。層疊的板件也不會因熱影響而變形，能彼此貼合，確保積層製造之品質。
本實施例之進行摩擦攪拌銲接步驟(S40)與第一實施例相同，於此不再重複敘述。請參考圖3F，相同地，由於固定件(23)，銷，之材質係可藉由摩擦攪拌銲接加工與二金屬板件(21,22)融合之材料，固定件(23)於摩擦攪拌銲接加工後，會與二銲接區(211,221)熔融在一起，並使二金屬板件(21,22)接合以形成一積層工件。由於固定件(23)於摩擦攪拌銲接加工後，會與二銲接區(211,221)熔融，因而省去了夾治具拆卸的時間，大幅提升工作效率。
於前揭第一與第二實施例之以固定件固定二金屬板件步驟(S30)中，固定件係皆設置於二銲接區內(請參考圖2C
與圖3E)，惟本發明之實施並不以此為限。請參考圖4，在其他應用上，於以固定件固定二金屬板件步驟(S30)中，亦可僅使固定件(33)的局部設置於二銲接區(311,321)內，其餘部分不在二銲接區(311,321)內。換言之，於固定二金屬板件(31,32)時，固定件(33)僅局部觸及二銲接區(311,321)，其餘部分並未觸及二銲接區(311,321)；如此，同樣能固定與定位二金屬板件(31,32)。於進行摩擦攪拌銲接步驟(S40)時，固定件(33)位於二銲接區(311,321)內的局部亦會受到摩擦攪拌銲接工具之摩擦攪拌，而與二銲接區(311,321)熔融結合。
本發明具有下列功效：1.本發明之固定件容易取得，固定二金屬板件之施作簡易。2.能節省夾治具設計製造、組設拆卸等作業成本與時間。3.可提升工件有效積層面積與材料利用率。4.層疊的工件能彼此貼合，確保積層製造之品質。
綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用以限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。
S10:提供摩擦攪拌銲接組件，其包含：二金屬板件和一固定件
S20:疊置二金屬板件
S30:以固定件固定二金屬板件
S40:摩擦攪拌銲接
Claims (5)
- 一種摩擦攪拌銲接組件，包含：二金屬板件，每一金屬板件具有一銲接區；以及一固定件，係供置入前述二金屬板件，使其至少局部位於前述二銲接區，以固定相鄰疊置的前述二金屬板件，前述固定件為一自沖鉚釘，其材料剛性分別大於前述二金屬板件之材料剛性；其中，前述固定件的前述至少局部可藉由摩擦攪拌銲接加工與前述二銲接區熔融。
- 一種摩擦攪拌銲接加工方法，包含下列步驟：提供如請求項第1項之摩擦攪拌銲接組件；將前述二金屬板件之前述二銲接區彼此相鄰且相對疊置；將前述固定件置入前述二金屬板件，且其至少局部觸及前述二銲接區，使前述二金屬板件相互固定；以及進行摩擦攪拌銲接加工，前述固定件的前述至少局部與前述二銲接區皆於摩擦攪拌銲接加工後熔融而結合。
- 如請求項第2項所述之摩擦攪拌銲接加工方法，其中，於以固定件固定二金屬板件步驟中，係將前述自沖鉚釘自上層的金屬板件朝向下層的金屬板件的方向直接打入前述上層金屬板件的銲接區，使前述自沖鉚釘之釘腳刺穿前述上層金屬板件的銲接區而停留在下層金屬板件的銲接區。
- 如請求項第2項所述之摩擦攪拌銲接加工方法，其中，於以固定件固定二金屬板件之步驟中，至少一前述固定件 設置於前述二銲接區各自的一中間區域內。
- 如請求項第2項所述之摩擦攪拌銲接加工方法，其中，前述固定件的材質與前述二金屬板件的材質不同時，於摩擦攪拌銲接後，前述固定件會與前述二銲接區熔融，而於前述二銲接區內分別形成明暗交錯的紋路。
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2020
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