專利名稱：連接技術與連接裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及把鋁合金或模壓材料所制的板材連接起來的方法與裝置。
在常規的連接技術中，板材或預先模壓成三維形狀的材料由于用電阻焊、電弧焊、粘合、螺栓擰緊或鉚接而被連接得疊合起來。
當這些材料是復雜的三維形狀時，就采用能把多個分散的連接部分局部連接的點焊。
另一種連接技術公開在日本專利第2712838號中，該技術是一種在非熔化條件下的摩擦攪動連接方法。這種連接技術是把一個稱為探頭的突出部可轉動地插入并轉移到兩個毗連構件的連接表面上，以便通過摩擦生熱而使連接表面附近的金屬結構可塑，從而實現連接。
在上述點焊中，當材料是復雜的三維形狀或者具有不同的厚度或質量時，最佳焊接條件要選擇得依每個焊接部分而定。這就要求大的變壓器和電壓源以便對焊接電極施加高電壓，并要求有冷卻介質的循環系統以便冷卻變壓器，因而牽涉到對設備的巨大投資。
在上述專利所公開的連接技術中，探頭被插入金屬構件的表面而被移動，從而使探頭從其中拉出來的那些焊接痕跡(孔)留在探頭移動軌跡的起始點與結尾點處。這會在外表上出現問題，即該技術不能用在焊接痕跡看得見的區域，且要求預先形成一個襯墊以便在后期處理中去除焊接痕跡，并確定探頭在襯墊上的起始點與結尾點。
本發明考慮到了上述問題，其目的是提供一種用于連接的方法與裝置，它所要求的設備投資小，且能夠不留下連接痕跡地把材料牢牢連接起來。
為了解決上述問題并達到上述目的，按照本發明的第一至第三個方面、第八與第九個方面，使末端部分處具有突出部的摩擦攪動裝置移動并使它圍著它的軸線相對于一些分散的連接部分而轉動，并通過把該突出部壓在連接部分上使被預先模壓成三維形狀的一些材料連接而連接一些材料，這樣就能對設備投資少而又進行持續的連接，但卻不留下焊接痕跡。
根據本發明的第四個方面，轉動上述摩擦攪動裝置以便把它的末端部分壓在連接部分上，把突出部插入材料中并在非熔化的條件下以摩擦而攪動這些材料，從而以抑制熱變形的方式把允許連接的材料連接起來。
根據本發明的第五和第十一個方面，在與摩擦攪動裝置背反之處配置一個接納構件，以便用攪動裝置抓住材料，且攪動裝置和接納構件安裝在一個三維活動的多關節結合機器人的手臂末端，從而，即使當材料是復雜的三維形狀時，也能把一些分散的連接部分局部地連接起來。
根據本發明的第六個方面，突出部是可延伸地配置的，從而，即使當總的厚度較大且當疊合任何材料時，也能達到滿意的連接。
根據本發明的第七個方面，摩擦攪動裝置安置得與它之間的那些材料彼此相反，且它用被壓的彼此背反的摩擦攪動裝置的尖端抓住材料，從而能縮短連接時間，且即使當總厚度大時或當許多材料被疊合時也能達到滿意的連接。
根據本發明的第十個方面，轉動摩擦攪動裝置以便把它的末端部分壓在被疊合的材料上，把突出部插入材料中以便在非熔化條件下以摩擦而攪動這些材料，從而以抑制熱變形的方式把允許連接的材料連接起來。
根據本發明的第十二個方面，從被疊合材料的較薄一側擠壓摩擦攪動裝置，使得即使當材料具有不同的厚度時，也能以高攪動能力進行連接。
圖1是一件轉動工具的周邊放大視圖，它顯示符合本發明一個實施例的連接方法；圖2是圖1所示連接部分的金屬結構的剖視圖；圖3是一個用于把持并驅動轉動工具的多關節結合機器人的略視圖4是當有3件以上材料被連接時的連接部分的金屬結構剖視圖；圖5是當有不同厚度的材料被連接時的連接部分的金屬結構剖視圖；圖6的視圖，顯示用轉動工具使材料可塑流動的條件；圖7的視圖，顯示用不同的材料所做連接強度測試得出的結果；圖8的視圖，顯示測試轉動工具的轉速與連接強度之間的關系得出的結果；圖9的視圖，顯示把汽車的車體框架，作為預先模壓成三維形狀的材料而連接的情況；圖10的視圖，顯示把一個車蓬及加強構件，作為預先模壓成三維形狀的材料而連接的情況；圖11的視圖，顯示把汽車的一個具有帶閉合部分和支架的空心結構的管狀車體框架，作為預先模壓成三維形狀的材料而連接的情況；圖12是當轉動工具被向前移動以進行持續連接時的連接部分的金屬結構剖視圖；圖13的視圖，顯示按照這個實施例對轉動工具作了大修改后的該轉動工具的一個突出部；圖14的視圖，顯示按照這個實施例對轉動工具作了微小修改后的該轉動工具的一個突出部。
專業人員從以下對本發明的一個推薦實施例所作的說明中，就可明白除上文討論過之外的其他一些目的和優點。在以下說明中，要參看附圖，這些附圖是說明的一部分，且它們顯示本發明的一個例子。然而，該例子并不排斥本發明的各種實施例，因此，還要參看附在說明后面用以確定本發明范圍的權利要求書。
下面，參照附圖，詳細說明本發明的各個實施例。
圖1是一件轉動工具的周邊放大視圖，它顯示符合本發明一個實施例的連接方法；圖2是圖1所示連接部分的金屬結構剖視圖。
此實施例的連接方法，應用于對鋁合金或預先模壓成的三維形狀材料所制板材的連接，因而使至少兩種材料被疊合，且轉動工具1被壓在第一材料W1的最外層表面上，以便在非熔化條件下以摩擦熱攪動在所疊合的第一與第二種材料W1、W2之間的金屬結構，從而進行連接。
這種非熔化的攪動，能解決電阻焊或類似連接方法中出現的熱變形問題。
上文提到的非熔化攪動條件，指的是金屬結構被以摩擦熱軟化而攪動，該摩擦熱的溫度，低于基本材料中所含相應成分或低共熔成分的熔點中的最低熔點。
如圖1所示，采用摩擦攪動的連接方法，包括下列步驟把至少兩種材料W1、W2疊合，圍著其軸線轉動末端部分3處具有突出部2的筒形轉動工具1以便把末端部分3壓在第一材料W1的最外層表面上，把突出部2插入該材料中，并在非熔化條件下以摩擦而攪動被疊合的第一與第二種材料W1、W2以便把這些材料連接起來。
在與轉動工具1的末端3背反之處，配置了接納構件4，以便抓住第一與第二種材料W1、W2。接納構件4的外徑被設計得大于轉動工具1的外徑。
轉動工具1的直徑φ1約為10至15毫米，突出部2的直徑φ2約為5至7.5毫米，而連接部分的直徑φ3約為8至9毫米。
轉動工具1和接納構件4都是非摩擦型的工具，它們是由比連接材料更硬的鋼產品(例如硬金屬)制成的，而連接材料如果比轉動工具1軟，則不限于鋁合金。
突出部X1的長度被定位成連接部分X2深度的80％至90％，該深度為突出部X1長度的1.1至1.2倍。連接部分X2的深度按照與突出部X1長度的比例而增大(一根針的長度的1.1至1.2倍)。
轉動工具1被可轉動地安裝在下文提到的一個多關節結合機器人的手臂上，且被構制得在材料是復雜的三維形狀的情況下以(局部的)點焊方式使多個分散的連接部分連接在一起。
圖3是一個用于把持并驅動轉動工具的多關節結合機器人的略視圖。
如圖3所示，多關節結合機器人10包括第一臂14、第二臂17及第三臂19，第一臂連接著一個配置在底座上圍著y軸擺動且在接頭13處圍著z軸轉動的接頭12，第二臂經由接頭15而連接著第一臂14以便于圍著y軸擺動且在接頭16處圍著x軸轉動，第三臂19則經由接頭18連接著第二臂17而圍著y軸擺動。
第三臂19上配置了電機20，轉動工具1安裝在該電機上，且該電機轉動地驅動轉動工具1及安置在與轉動工具1的末端3背反處的接納構件4。轉動工具1的末端部分3與接納構件4的末端部分之間的空間，可由一個調節器22調節而變化，該調節器是設計來對付與被連接的材料或多于三種以上的疊合材料相阻抗的壓力的。
每只臂、電機和調節器這幾者中每一者的移動，均由控制器30所控制，該控制器預先發出指令。
與材料相阻抗的轉動工具1的壓力，依根據總厚度的每個連接部分或依各種材料的疊合數量而定，且在各種材料具有分別不同的厚度的情況下該壓力可被應用。
如圖4所示，當材料多于第一至第三材料W1至W3這三種材料時，這些材料就被一對轉動工具1A、1B抓住而被連接，這對工具的外徑相等。在此情況下，轉動工具1B而不是圖3中的接納構件4，就被可轉動地安裝在多關節結合機器人10上，第一至第三材料W1至W3被彼此相反的轉動工具1A、1B的尖端3A、3B抓住而將突出部2A、2B插入材料中，且順著相反方向使轉動工具1A、1B均轉動。
如圖5所示，具有不同厚度的第一與第二材料能被連接。具體說，從較薄的材料一側壓迫轉動工具1，有助于攪動，從而達到均勻的連接。
圖6的視圖，顯示用轉動工具使材料可塑流動的條件。
如圖6所示，基本上垂直于第一金屬構件W1而壓迫以預定轉動速度轉動的轉動工具1，就會在轉動工具1與第一金屬構件W1之間產生摩擦，從而把第一金屬構件W1的表面軟化得使第一與第二材料W1、W2之間的金屬結構在非熔化條件下被順著轉動方向攪動。當由轉動工具1產生的與第一金屬構件W1相阻抗的壓力加大時，與轉動工具1不相接觸的第二材料W2開始被一起攪動。此時，第一與第二材料W1、W2的金屬結構被順著轉動工具1的轉動方向攪動，且在突出部2處順著厚度方向(順著與第一和第二材料W1、W2的連接表面相垂直的方向)也被攪動，而且被疊合的第一與第二材料W1、W2最終被未熔化地連接了。
以此方式，轉動工具1的突出部2有助于金屬結構的可塑流動而被攪動。
在此實施例的連接過程中，被用來連接的材料，例如是按日本工業標準(JIS)分類的5000系列鋼(Al-Mg鋼板)或6000系列鋼(Al-Mg-Si鋼板)，然而，也可采用其他金屬材料。
圖7的視圖，顯示用不同的材料所做連接強度測試得出的結果；圖8的視圖，顯示測試轉動工具的轉速與連接強度之間的關系得出的結果。
在圖7所示對連接強度所做的測試中，已連接的材料被順著彼此相反的方向拉，以測量當連接表面被分開時作為連接強度的張力。
如圖7所示，5000系列鋼(Al-Mg鋼板)和6000系列鋼(Al-Mg-Si鋼板)二者，其連接強度，均高出所要求的強度。
如圖8所示，當連接強度符合所要求強度時的轉動工具1的轉速，最好為1000至2500轉/分鐘。如果轉速低于1000轉/分鐘，連接強度就會因攪動不夠而降低；與此對照，如果高于2500轉/分鐘，則由于金屬結構被攪動的旋轉是停頓的且未被攪動，強度也會降低。
如上所述，比起常規的點焊方法來，以對設備的較少投資，就可不留下突出部連接痕跡地使材料牢牢連接。
此實施例適合于連接預先模壓成了三維形狀的材料。也就是說，把圖9所示汽車的車體框架或把圖10所示的一個車蓬W1及加強構件W2，作為模壓成三維形狀的及轉動工具1不能在其上面被持續移動的材料，對其中的多個分散的連接部分P處做同樣連接，可以用此實施例的連接方法進行局部焊接，從而，即使在材料模壓成之后也能進行連接。
如圖11所示，在把汽車的一個具有帶閉合部分和支架W2的空心結構的管狀車體框架W1加以連接的情況下，用要求抓住材料的點焊或鉚接的方法不能使它們連接，而在接納構件4從圖3所示多關節結合機器人上卸除掉的結構中，把車體框架W1當作接納構件來把轉動工具1壓到連接部分上，就能進行連接。在此情況下，轉動工具1被以約300公斤的張力壓在一個連接區域，這就要求選擇車體框架W1上高硬度的區域。
在上述實施例中，對于把轉動工具1壓在連接部分上以便它不被移動的點焊連接做了說明，然而如圖12所示，也可以讓轉動工具1向前移動或擺動地持續進行連接。
如果當圖12中的轉動工具1被向前移動時順著向前的方向以約1°的角度朝后傾斜，那么，由于與垂直地把轉動工具1壓在材料W1相對比的傾斜，就增大了攪動能力。
圖13與14顯示提供一種機構的例子，該機構能使轉動工具的突出部的突出量，由于按本發明修改轉動工具而可以變動。
突出部的突出量X1，是根據被疊合材料的總厚度而確定的，從而，應用范圍就能擴大到總厚度大的情況下。
如圖13與14所示，轉動工具有一個空心圓筒形的外圓筒構件21，一個鍵合在外圓筒21中并可順著軸線方向L1滑動的內圓筒22構件，以及形成于內圓筒22一個末端處的小直徑的長突出部23。
內圓筒22構件的突出部23從外圓筒構件21的一個末端朝外突出，并被彈簧29順著外圓筒構件21的軸線方向擠壓。外圓筒構件21的一個末端21a突出得圍著突出部23的周邊，并在末端部分處形成一個有環形平面的肩部21b。突出部23被定位得容納在肩部21b中，且在未被施加除來自彈簧之外的外力的情況下就不會突出。
外圓筒構件21和內圓筒構件22，鍵合得可一起轉動地被驅動，內圓筒構件22相對于外圓筒構件21順軸向的移動，就可使從外圓筒構件21一個末端處突出的突出部23的突出量X1變動。
對于突出部23來說，當由于三種以上材料被疊合或由于材料分別具有不同的厚度(見圖3)而使材料的總厚度變大時，突出量X1可以增大；當材料總厚度小時(見圖14)，突出量可以減小。突出部23由于根據總厚度而確定相對于外圓筒構件21的突出量X1，就被可轉動地驅動。這樣，即使當多種(多于三種)材料被疊合時，或當材料分別具有不同的厚度時，也能達到令人滿意的連接。
本發明并不限于上述各個實施例，在本發明的宗旨和范圍內，可以做各種變動和修改。因此，下面的權利要求書，公開了本發明的范圍。
權利要求
1.一種用于把多種材料以疊合方式連接起來的裝置，包括摩擦攪動裝置，它的末端部分處具有突出部，且它圍著它的軸線轉動；以及移動裝置，它用于使上述摩擦攪動裝置相對于一些分散的連接部分而移動，并通過把上述突出部壓靠在上述連接部分上而連接一些材料。
2.根據權利要求1所述的連接裝置，還包括在上述摩擦攪動裝置的軸線周圍支承著該裝置的支承裝置。
3.根據權利要求2所述的連接裝置，其特征在于上述多種材料是預先形成為三維形狀的以及部分地被疊合以供連接的。
4.根據權利要求3所述的連接裝置，其特征在于上述移動裝置轉動上述摩擦攪動裝置，以便把其末端部分壓在上述連接部分上、把上述突出部插入上述材料中以及在非熔化條件下靠摩擦而攪動該材料，從而連接該材料。
5.根據權利要求4所述的連接裝置，其特征在于上述移動裝置是可三維移動的多關節結合機器人；
6.根據權利要求1所述的連接裝置，其特征在于上述突出部是可延伸地配置的。
7.根據權利要求1所述的連接裝置，其特征在于上述摩擦攪動裝置，安置得與它之間的上述材料彼此背反，且它用被壓的彼此背反的摩擦攪動裝置的尖端抓住該材料。
8.一種連接方法，包括下列步驟疊合多種材料；以及移動末端部分處具有突出部且相對于分散的連接部分而圍繞自己的軸線轉動的摩擦攪動裝置，并把上述末端部分壓在上述連接部分上從而連接材料
9.根據權利要求8所述的連接方法，其特征在于上述多種材料是預先形成為三維形狀的以及部分地被疊合以供連接的。
10.根據權利要求9所述的連接方法，其特征在于該方法還包括這樣的步驟，即轉動上述摩擦攪動裝置，以便把其末端部分壓在上述連接部分上、把上述突出部插入上述材料中以及在非熔化條件下靠摩擦而攪動該材料，從而連接該材料。
11.根據權利要求10所述的連接方法，其特征在于一個接納構件配置得與上述摩擦攪動裝置背反，以便用該摩擦攪動裝置抓住上述材料；以及上述轉動工具和接納構件被安裝在上述可三維移動的多關節結合機器人的手臂上。
12.根據權利要求9所述的連接方法，其特征在于上述摩擦攪動裝置被從上述被疊合材料的較薄一側擠壓。
全文摘要
至少兩種材料被疊合且轉動工具1被壓在第一材料W1的最外層表面上,從而,被疊合的第一與第二材料W1、W2之間的金屬結構在非熔化條件下被摩擦熱攪動而使材料連接。
文檔編號B23K103/10GK1328895SQ0111743
公開日2002年1月2日 申請日期2001年4月28日 優先權日2000年4月28日
發明者巖下智伸 申請人:馬自達汽車株式會社