攪拌摩擦焊工具的制作方法

專利名稱：攪拌摩擦焊工具的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于接合堆疊部件的堆疊組件的攪拌摩擦焊方法， 一種用于這種攪拌摩擦焊方法的夾具， 一種具有由這種攪拌摩擦焊方法 產生的攪拌摩擦焊接頭的部件，以及一種用于通過攪拌摩擦焊將金屬工 件的堆疊或鄰接組件接合起來的攪拌摩擦焊工具。
背景技術：
通常依靠點焊來接合部件的堆疊組件。近年來，已經提出通過攪拌
摩擦焊來接合這樣的堆疊組件(例如參見專利文獻1至3)。
圖28以與專利文獻1的圖1中所示的裝置相同的方式，示出了堆疊 組件6和攪拌摩擦焊工具7，堆疊組件6包括堆疊在一起并放在支承夾具 3上的第一工件Wl和第二工件W2，攪拌摩擦焊工具7具有嵌入堆疊組 件6中的探頭8。圖28中的附圖標記A3、 M分別表示由探頭8攪拌的攪 拌區，以及在第一工件Wl和第二工件W2之間的邊界線。
在對堆疊組件進行攪拌摩擦焊時，即使探頭8嵌入并且材料塑性流 動，材料也不能從第一工件Wl的下端面突出。因此，第二工件W2的 材料塑性流向攪拌摩擦焊工具7的轉子9的周向側壁附近的位置，并隆 起形成環狀毛邊BL。因此，需要精加工來切除毛邊BL。
如圖29所示，因為被嵌入探頭8壓縮的區域厚度T3和工件W2的 位于嵌入探頭8附近的下工件W1的隆起部分正上方的區域厚度TW咸少，所以堆疊組件6的接合強度不足。
另外，因為在攪拌摩擦焊加工中嵌入探頭8以使材料塑性流動之后
撤去探頭8，所以在撤去探頭8的區域中留下一孔，這趨于降低堆疊組件 6的接合強度。
為了避免在撤去探頭8的區域中留下孔的不利情況，專利文獻2公 開了一種技術，用于抵靠堆疊組件的相對端面保持夾具，并在相對端面 的側面上設置攪拌摩擦焊夾具。具體地，將在端面一側上插入夾具中通 孔的探頭嵌入堆疊組件中以進行攪拌摩擦焊加工。之后，通過設置在端 面另一側上的探頭，將在嵌入探頭時流入端面另一側上的夾具中通孔中 的材料推回。因此將突出的材料推回直到由撤去的探頭產生的孔的底部 變平，從而產生平整的表面。
根據專利文獻3中公幵的技術，將堆疊組件放在夾具的平整表面上， 并將額外的料塊供應至在嵌入堆疊組件中的轉動探頭周圍的區域。將額 外的料塊與堆疊組件焊接在一起，從而填充由撤去的探頭產生的孔。
專利文獻2中公開的技術的缺點在于，因為需要沿相反方向安裝兩 個攪拌摩擦焊工具，所以攪拌摩擦焊裝置結構復雜并且設備投資昂貴。
專利文獻3中公開的技術由于需要額外的料塊而導致材料成本增加 并由此導致攪拌摩擦焊成本增加。另外，因為需要用于供應額外料塊的 機構，所以攪拌摩擦焊裝置的結構也很復雜并且設備投資也很昂貴。
如圖30所示，可以建議將具有凹口 1的載置夾具2插入到支承夾具 3中的插入空腔4中，從而提供攪拌摩擦焊夾具5。當將包括第一工件 Wl和第二工件W2的堆疊組件6放在載置夾具2中的凹口 l上，并且將 攪拌摩擦焊工具7的探頭8嵌入堆疊組件6中時，區域A4的材料軟化以 塑性流動，并且材料最終流入凹口 1中。因為由嵌入探頭8移動的材料 流入凹口1中，所以防止了產生毛邊BL。因為塑性流動的材料從堆疊組 件的下端面突出，所以沒有減少接合后的堆疊組件6的厚度，并且達到 了期望的接合強度。
專利文獻1:日本特開專利公報No.2002-178168
專利文獻2:日本特開專利公報No.2001-259863專利文獻3:日本特開專利公報No.2003-62678

發明內容
本發明將解決的問題
然而，即使使用如圖30所示的攪拌摩擦焊夾具5，堆疊組件6的接 合強度也可能不足。原因在于，如圖31所示，難以將通過限定在載置夾 具2中的凹口 1的中心的軸線L1與通過攪拌摩擦焊工具7 (探頭8)的 中心的軸線L2保持彼此對準。
如果在軸線Ll和軸線L2不能保持彼此對準，即夾具不能彼此同軸 的時候繼續進行攪拌摩擦焊加工，則會產生區域B1和區域B2，在區域 Bl中探頭8的周側壁與凹口 1的內周壁之間的距離較大，而在區域B2 中探頭8的周側壁與凹口 1的內周壁之間的距離較小，如圖30所示。材 料在其中探頭8的周側壁與凹口1的內周壁之間的距離較小的區域B2中 攪拌良好。然而，因為被攪拌材料的量在其中所述距離較大的區域B1中 減少，所以攪拌摩擦焊的程度不足，導致接合強度的降低。
為了消除以上缺陷，可預先形成所謂的同軸對準，以盡可能地將軸 線L1和軸線L2彼此對準。然而，需要精度的同軸對準很復雜。如果在 完成同軸對準過程之后由于某些干擾而使得軸線不能彼此對準，那么必 須再次進行另一同軸對準過程。因此，攪拌摩擦焊加工的效率降低。
本發明的總體目的在于提供一種攪拌摩擦焊方法，其提高了攪拌摩 擦焊加工的效率，并提高了焊接接頭的接合強度而不會使攪拌摩擦焊裝 置變得復雜。
本發明的主要目的在于提供一種用于這種攪拌摩擦焊方法的攪拌摩 擦焊夾具。
本發明的另一目的在于提供一種具有由這種攪拌摩擦焊方法產生的 攪拌摩擦焊接頭的部件。
本發明的又一目的在于提供一種例如適用于這種攪拌摩擦焊方法的 攪拌摩擦焊工具。
解決問題的方法根據本發明的第一方面，提供了一種攪拌摩擦焊方法，用于用支承 夾具支承由多個部件組成的堆疊組件的一端面，并將攪拌摩擦焊工具的 探頭嵌入堆疊組件的另一端面中以對堆疊組件進行攪拌摩擦焊，該攪拌 摩擦焊方法包括以下步驟
在支承夾具中設置凹口；以及
轉動探頭并將其朝向凹口嵌入堆疊組件的另一端面中，從而將堆疊 組件在凹口上方接合并在堆疊組件的端面上提供沿嵌入探頭的方向突出 的平臺。
該凹口設在支承夾具中，并且當對堆疊組件進行攪拌摩擦焊時，堆 疊組件的材料流入凹口中。因此堆疊組件被壓陷，從而允許其大量材料 被攪拌。當上部件由于塑性變形而被壓配入下部件的凹陷區域中時，在 材料未被攪拌的非攪拌區中形成突起。同時在攪拌區中，所堆疊部件抵 靠區域的大量材料塑性流動。在材料冷卻并固化時形成的接頭由于配合 接合和攪拌摩擦焊而具有較好的接合強度。
防止了堆疊組件產生毛邊。因為堆疊組件在對其進行攪拌摩擦焊之 后不需要精加工，所以縮短了加工時間并因此提高了加工效率。
優選地，該平臺具有水平截面大致為圓形的部分，并且該水平截面 的直徑大于探頭的外徑。通過該結構，材料能夠容易地流入凹口中。結 果，在對堆疊組件進行攪拌摩擦焊時，能夠攪拌所堆疊部件抵靠區域的 大量材料，從而提高接頭的接合強度。
根據本發明的第二方面，還提供了一種攪拌摩擦悍支承夾具，用于 在對堆疊組件進行攪拌摩擦焊時支承由多個部件組成的堆疊組件的一端 面，其包括
用于在其中容納堆疊組件的材料的凹口，所述材料從堆疊組件的所 述端面沿攪拌摩擦焊工具的探頭在其轉動時嵌入堆疊組件的另一端面中 的方向塑性流動。
當使用支承夾具對堆疊組件進行攪拌摩擦焊時，堆疊組件的材料流 入凹口中。結果，所堆疊部件的抵靠部分攪拌良好，從而產生接合強度 提高的接頭。根據本發明的第三方面，還提供了一種部件，其具有在對由多個部 件組成的堆疊組件進行攪拌摩擦焊時產生的攪拌摩擦焊接頭，包括
平臺，其在攪拌摩擦焊工具的探頭嵌入堆疊組件的另一端面中時在 堆疊組件的一端面上突出。
當塑性流動材料在通過攪拌摩擦焊工具接合堆疊部件時流入支承夾 具的凹口中之后冷卻并固化的時候形成所述平臺。攪拌摩擦焊接頭表現 出良好的接合強度。
根據本發明的第四方面，還提供了一種攪拌摩擦焊方法，用于用載 置夾具支承由多個部件組成的堆疊組件，并將攪拌摩擦焊工具的探頭嵌 入堆疊組件的上端面中以對堆疊組件進行攪拌摩擦焊，所述載置夾具插 入支承夾具的插入凹口中并在其間限定有間隙，而且所述載置夾具具有 限定在其上端面中的凹口，該攪拌摩擦焊方法包括以下步驟
當探頭轉動并朝載置夾具的凹口嵌入堆疊組件的上端面中，從而在 凹口上方對堆疊組件進行攪拌摩擦焊時，沿著使載置夾具的凹口中心與 探頭中心對準的方向在插入凹口中移動支承夾具。
根據本發明，當探頭嵌入堆疊組件中時，探頭的中心和載置夾具的 中心彼此對準。即，當探頭嵌入堆疊組件中時探頭與載置夾具同軸對準。 因此，不必預先進行復雜的同軸對準過程，從而提高了攪拌摩擦焊加工 的效率。
當如上所述對堆疊組件進行攪拌摩擦焊時，存在于探頭周圍的堆疊 組件的材料被與區域無關地均勻攪拌。因此，因為不存在被攪拌材料的 量較小的區域，所以不存在接合強度較小的區域。因此，提供了接合強 度大的堆疊組件。
當探頭嵌入時，堆疊工件通過突起區域和凹陷區域彼此接合，從而 產生緊密配合的狀態。這也提高了堆疊組件的接合強度。
因為材料塑性流入載置夾具的凹口中，所以防止了堆疊組件產生毛邊。
根據本發明的第五方面，還提供了一種攪拌摩擦焊夾具，用于對由 多個部件組成的堆疊組件進行攪拌摩擦焊，其包括
載置夾具，具有限定在其上端面中的凹口 ，用于在其上放置堆疊組件；支承夾具，具有限定在其中的插入凹口，用于將載置夾具插入該插 入凹口中；禾口
彈性體，插設在支承夾具和載置夾具的插入到插入凹口的部分之間， 在所述載置夾具與插入凹口之間限定一間隙。
通過該結構，當探頭嵌入堆疊組件中時，探頭的中心與載置夾具的 中心彼此同軸對準。因此，提高了攪拌摩擦焊加工的效率，并提高了堆 疊組件的接合強度。
插設的彈性體允許載置夾具可在插入凹口中移動。因為載置夾具可 在插入凹口中移動，所以攪拌摩擦焊夾具的結構并不復雜。即，攪拌摩 擦焊夾具結構簡單。
根據本發明的第六方面，還提供了一種攪拌摩擦焊工具，用于對多 個金屬工件的抵靠部分進行攪拌摩擦焊，其包括
用于擠壓工件的轉子；和
同軸布置在轉子頂端上的探頭，用于插入工件中； 該探頭包括:
第一螺紋分，布置在探頭頂端上并具有螺旋形狀；和 第二螺紋部分，布置在第一螺紋部分后并具有方向與第一螺紋
部分相反的螺旋形狀。
因為第一和第二螺紋部分具有方向相反的螺紋，所以當探頭頂端上
的第一螺紋部分沿旋入工件的方向轉動時，工件能夠以較高的接合強度
接合在一起。
如果工件堆疊在一起，并且從第一螺紋部分和第二螺紋部分之間的 邊界線到轉子端面的距離大致等于工件之中表面側上的一個工件的厚 度，那么工件的配合面能夠可靠地彼此接合。
如果第一螺紋部分和第二螺紋部分的螺距相等，并且第一螺紋部分 和第二螺紋部分的軸向長度相等，那么由第一螺紋部分產生的向下作用 力和由第二螺紋部分產生的向上作用力平衡。從而防止工件被提起或降 下，并使得第一螺紋部分產生的塑性材料流動和第二螺紋部分產生的塑 性材料流動平衡，從而促進了第一螺紋部分和第二螺紋部分之間的邊界線附近的塑性材料流動。
如果第一螺紋部分和第二螺紋部分的螺紋彼此相連，那么就進一步 加速了邊界線附近的塑性材料流動。


圖1是用于實現根據本發明第一實施例的攪拌摩擦焊方法的支承夾 具、將被攪拌摩擦焊的第一工件和第二工件、以及攪拌摩擦焊工具的局 部放大示意立體圖2是局部垂直剖視放大圖，表示將堆疊組件放在圖1所示的支承
夾具上的方式；
圖3是局部垂直剖視放大圖，表示攪拌摩擦焊工具具有嵌入圖2所 示的堆疊組件的探頭的方式；
圖4是具有通過根據第一實施例的攪拌摩擦焊方法產生的攪拌摩擦 焊接頭的部件的局部立體圖5是表示在具有通過圖28所示的攪拌摩擦焊方法產生的攪拌摩擦
焊接頭的一般部件以及具有根據第一實施例的攪拌摩擦焊接頭的部件的
攪拌時間和剪切強度之間的關系的圖表；
圖6是局部垂直剖視放大圖，表示對其厚度大于探頭長度的部件進
行攪拌摩擦焊的方式；
圖7是局部垂直剖視放大圖，表示對其厚度小于探頭長度的部件進
行攪拌摩擦焊的方式；
圖8是局部垂直剖面圖，表示在其開口附近具有錐體的凹口；
圖9是局部垂直剖面圖，表示直徑逐漸減小以提供錐形形狀的凹口；
圖IO是局部垂直剖面圖，表示在其底部中限定有環狀槽的凹口；
圖11是具有呈拉長槽形式的凹口的支承夾具的示意立體圖12是根據本發明第二實施例的攪拌摩擦焊夾具、將被攪拌摩擦焊
的第一工件和第二工件、以及攪拌摩擦焊工具的局部放大示意立體圖； 圖13是局部垂直剖視放大圖，表示將堆疊組件放在圖12所示的攪
拌摩擦焊夾具的載置夾具上的方式；圖14是示意橫向剖面圖，表示其中載置夾具中的凹口的軸線與探頭 的軸線彼此不對準的方式；
圖15是局部垂直剖視放大圖，表示其中當載置夾具在插入凹口中移 動時，載置夾具中的凹口的軸線與探頭的軸線彼此大致對準的方式；
圖16是示意橫向剖面圖，表示其中載置夾具中的凹口的軸線與探頭 的軸線保持彼此大致對準的方式；
圖17是示意橫向剖面圖，表示防止載置夾具轉動的方式；
圖18是通過根據第二實施例的攪拌摩擦焊方法焊接的攪拌摩擦焊 接頭的局部立體圖19是可用于第一實施例或第二實施例的另一攪拌摩擦焊工具和 工件的側視圖20是表示攪拌摩擦焊工具的探頭側面的展開圖21是局部剖面側視圖，表示其中攪拌摩擦焊工具的探頭頂端嵌入 堆疊組件的方式；
圖22是局部剖面側視圖，表示其中探頭嵌入堆疊組件直到攪拌摩擦
焊工具的中空柱形部分的端面抵靠第二工件的方式；
圖23是局部剖面側視圖，表示其中探頭嵌入堆疊組件直到攪拌摩擦
焊工具的中空柱形部分的端面抵靠第二工件，并且材料塑性流動的方式； 圖24是另一攪拌摩擦焊工具和工件的局部剖面側視圖； 圖25是表示又一攪拌摩擦焊工具的探頭側面的展開圖； 圖26是表示又一攪拌摩擦焊工具的探頭側面的展開圖； 圖27是立體圖，表示其中利用攪拌摩擦焊工具對具有保持彼此抵靠
的端面的工件進行攪拌摩擦焊的方式；
圖28是局部垂直剖視放大圖，表示其中通過嵌入放在沒有凹口的一
般支承夾具上的堆疊組件中的探頭進行傳統攪拌摩擦焊方法的方式；
圖29是局部垂直剖視放大圖，表示其中通過嵌入放在沒有凹口的一
般支承夾具上的堆疊組件中的探頭進行傳統攪拌摩擦焊方法的方式；
圖30是局部垂直剖視放大圖，表示其中利用具有不能移動的載置夾
具的攪拌摩擦焊夾具對堆疊組件進行攪拌摩擦焊的方式；以及圖31是示意橫向剖面圖，表示其中圖30所示的載置夾具中的凹口 的軸線與探頭的軸線彼此不對準的方式。
具體實施例方式
下面將關于用于實現攪拌摩擦焊方法的支承夾具和攪拌摩擦焊工 具、以及最終產生的具有攪拌摩擦焊接頭的部件，參照附圖詳細描述根 據本發明的攪拌摩擦焊方法的優選實施例。
首先，下面將描述第一實施例。
圖1是支承夾具10、由根據JIS (日本工業標準)符號5000s的稱為 5000鋁制成的第一工件Wl和第二工件W2、以及攪拌摩擦焊工具7的 局部放大示意立體圖，圖2是局部垂直剖視放大圖，表示將堆疊組件放 在圖1所示的支承夾具上的方式。支承夾具IO大致呈長方體形狀，并具 有大致限定在其上端面中央的凹口 18。凹口 18呈水平截面大致為圓形的 大致中空柱形形狀。
第一工件Wl和第二工件W2 —個堆疊在另一個上，從而提供堆疊 組件6。在堆疊組件6覆蓋凹口 18的條件下對其進行攪拌摩擦焊，如下 所述。
攪拌摩擦焊工具7具有轉子9和探頭8，探頭8連接在轉子9的端 部上并具有圓錐形曲線末端。探頭8的外徑小于限定在支承夾具10中的 凹口 18的直徑。即，凹口 18的直徑大于探頭8的外徑。探頭8的長度L、 第一工件Wl的厚度Tl (參見圖2)、以及第二工件W2的厚度T2分別 設定為例如大約2.5mm、大約1.5mm、以及大約l.Omm。
攪拌摩擦焊工具7布置為使其軸線大致與凹口 18的軸線對準。探頭 8位于凹口 18上方。
根據第一實施例，如下所述進行攪拌摩擦焊
首先，如圖2所示，堆疊第一工件Wl和第二工件W2以形成放在 支承夾具10上的堆疊組件6。這時，堆疊組件6覆蓋凹口18。
然后，攪拌摩擦焊工具'7下降至與堆疊組件6間隔預定距離的位置。 之后，轉動轉子9，使探頭8與堆疊組件6的上端面(第二工件W2的上端面)滑動接觸。當探頭8保持與堆疊組件6的上端面滑動接觸時，產
生摩擦熱以軟化堆疊組件6的由探頭8接觸的區域和附近區域。結果， 如圖3所示，探頭8嵌入堆疊組件6中，并且堆疊組件6的材料流入凹 口 18內。因為如上所述凹口 18的水平截面直徑大于探頭8的直徑，所 以堆疊組件6的材料很容易流入凹口 18中。
當探頭8轉動時，堆疊組件6的攪拌區Al的材料被攪拌。因為堆疊 組件6的材料已流入凹口 18內，所以接觸區的材料被大量攪拌。
當探頭8嵌入時，在第二工件W2的面對著第一工件Wl的表面上 形成突起26，并且在第一工件Wl的面對著第二工件W2的表面中形成 空腔28。突起26配合在空腔28中。圖3中的空腔28的下端為材料未塑 性流動的非攪拌區(塑性變形區)。即，圖3中的空腔28的下端由于塑 性變形而形成為與凹口 18互補。
圖3和圖28的比較清楚地表示出，由根據第一實施例的探頭8攪拌 的攪拌區A1寬于圖28中所示的攪拌區A3。因此，在攪拌區A1 (參見 圖3)中包含有比在攪拌區A3 (參見圖28)中更多的位于第一工件W1 和第二工件W2之間的邊界線M。換言之，根據第一實施例的攪拌摩擦 焊方法可以比傳統的攪拌摩擦焊方法在更長的距離上攪拌第一工件Wl 和第二工件W2之間的邊界線M。
根據不允許堆疊組件6凹陷的傳統加工，形成毛邊BL(參見圖28)。 然而，根據圖3所示的本實施例，由嵌入探頭8從堆疊組件6推動的材 料塑性流入凹口18內。因此，堆疊組件6的材料不隆起，從而不產生毛 邊BL。
利用具有凹口 18的支承夾具10，能夠在不形成毛邊BL的情況下對 堆疊組件6進行攪拌摩擦焯。
當在開始攪拌堆疊'組件6之后大約2秒松開探頭8，從而停止了堆 疊組件6的材料的塑性流動時，包括邊界線M的堆疊組件6的材料最終 冷卻并固化。這樣，第一工件Wl和第二工件W2 —體地以固態接合在 一起，從而產生具有攪拌摩擦焊接頭40的部件42，如圖4所示。當流入 凹口 18的材料冷卻并固化時，具有攪拌摩擦焊接頭40的部件42具有在其一端面上突出的柱形平臺44。因此，平臺44的外徑大致與凹口 18的
直徑相同。
圖5中圖解說明了部件42的攪拌摩擦焊接頭40的剪切強度和由圖 28所示的傳統攪拌摩擦焊方法產生的攪拌摩擦焊接頭的剪切強度。在圖 5中，水平軸表示攪拌時間。
如圖5所示，如果攪拌時間相同，那么攪拌摩擦焊接頭40的剪切強 度遠大于傳統攪拌摩擦焊接頭的剪切強度，并且與利用6mm直徑電極的 電阻點焊加工產生的接頭的剪切強度大致相等。因此根據本實施例，可 以產生具有優異接合強度的攪拌摩擦焊接頭的部件42。其原因是堆疊組 件6由攪拌摩擦焊牢固地接合，并且第二工件W2的突起26配合在第一 工件Wl的空腔28中，如圖3所示。特別地，空腔28的下端由于塑性 變形而形成為與凹口 18互補，從而產生緊密配合的狀態。因為第一工件 Wl和第二工件W2牢固地彼此接合，所以接合強度增加。
從圖28可以看出，根據傳統攪拌摩擦焊方法，探頭8的長度L必須 大于第二工件W2的厚度T2。如果探頭8的長度L小于厚度T2，則由于 嵌入探頭8的頂端不能到達邊界線M，從而不能攪拌第一工件Wl的材 料，并且不能將第一工件W1和第二工件W2以固態接合在一起。另外， 厚度ti與第二工件w2的厚度t2之和必須小于探頭8的長度l，從而 嵌入探頭8不會到達支承夾具。
在根據第一實施例的攪拌摩擦焊方法中，即使探頭8的長度l小于 厚度T2，當探頭8嵌入第二工件W2中時，第二工件W2凹陷，也會將 邊界線M推入第一工件W1。在邊界線M的凹陷區域附近，當探頭8轉 動時，第二工件W2的材料被攪拌，并且第一工件W1的材料也被攪拌。 因此，'堆疊組件6以固態接合，從而提供攪拌摩擦焊接頭40。
即使探頭8的長度L大于如圖7所示的厚度Tl和厚度T2之和，因 為凹陷的堆疊組件6的材料僅流入凹口 18中，所以探頭8的頂端也不會 到達支承夾具io。因此，堆疊組件6和支承夾具io不會彼此干涉。
因此，根據本實施例，可以對不同厚度的工件進行攪拌摩擦焊。不 必用尺寸與待接合的工件厚度相對應的攪拌摩擦焊工具來代替正在使用的攪拌摩擦焊工具。不必進行復雜的工具替換過程，從而不必準備各種 尺寸的攪拌摩擦焊工具。因此，降低了攪拌摩擦焊加工的成本。
然而，所述凹口并不限于柱形凹口 18。凹口可以是在其開口附近具
有錐體50的凹口52，如圖8所示，或者可以是直徑逐漸減小以提供錐形
形狀的凹口54，如圖9所示，或者可以具有限定在凹口 18底部中的環狀
槽56，如圖IO所示。
另外，如圖ll所示，凹口可以是呈拉長槽形式的凹口 58。掃描探頭
8以形成形狀與凹口 58互補的拉長平臺。
凹口18、 52、 54、 58中的整個空間可以不填充堆疊組件6的材料。 堆疊工件的數量并不限于兩個，而是可以將三個或更多的工件堆疊
在一起。
下面將描述第二實施例。根據第二實施例，采用在圖12中的局部放 大示意立體圖中示出的攪拌摩擦焊夾具110。攪拌摩擦焊夾具110具有包 括圖13中所示的插入凹口 112的支承夾具114、以及插入到插入凹口 112 中的載置夾具116。
支承夾具114大致呈長方體形狀，并且插入凹口 112大致限定在支 承夾具114的上端面中央。如圖14所示，插入凹口 112的水平截面具有 兩個平行的較長邊和垂直于較長邊延伸的兩個較短邊，并且在較長邊和 較短邊之間插設弧形邊緣。
如圖13所示，載置夾具116具有凸臺118、直徑大于插入凹口 112 的凸緣120和載置塊122，凸臺118的水平截面形狀類似于插入凹口 112， 并且尺寸略小于插入凹口 112。凸臺118插入到插入凹口 112中，并且凸 緣120的下端面保持抵靠支承夾具114的上端面，從而將載置夾具116 限制在適當的位置。因為凸臺118的尺寸略小于插入凹口 112，所以在插 入凹口 112的內周壁與凸臺118的側周壁之間產生間隙124。
插入凹口 112的內周壁和凸臺118的側周壁具有限定在其中的相應 的環狀槽126、 128。橡膠O型環130作為彈性體插入相應的環狀槽126、 128中。換言之，插入凹口 112的內周壁和載置夾具116的凸臺118的側 周壁彼此略微隔開，并在其間插設有O型環130。載置塊122具有限定在其上端面中的凹口 132，凹口 132具有水平 截面大致為圓形的大致中空柱形形狀(參見圖12)。
如下所述，載置塊122中的凹口 132由堆疊組件6覆蓋，堆疊組件 6由堆疊在一起的第一工件Wl和第二工件W2形成。第一工件Wl和第 二工件W2由布置在攪拌摩擦焊夾具110附近的相應的支承底座(未示 出)支承。
與第一實施例相同，攪拌摩擦焊工具7具有轉子9和探頭8，探頭8 連接在轉子9端部上并具有圓錐形曲線末端。探頭8的外徑小于限定在 載置塊122中的凹口 132的直徑。探頭8的長度L、第一工件W1的厚度 Tl、和第二工件W2的厚度T2分別設定為例如大約2.5mm、大約1.5mm、 和大約l.Omm。
根據第二實施例的攪拌摩擦焊夾具110基本如上所述構成。下面將 關于根據第二實施例的攪拌摩擦焊方法，描述攪拌摩擦焊夾具110的操 作和優點。
如下執行根據第二實施例的攪拌摩擦焊方法。
首先，如圖12所示，將第一工件Wl和第二工件W2堆疊成放在載 置夾具116的載置塊122上端面上的堆疊組件6。這時，堆疊組件6覆蓋 凹口 132。
然后，如圖14所示，將攪拌摩擦焊工具7 (探頭8)放置為使其軸 線L2盡可能地與凹口 132的軸線L1對準。這時，不必使軸線U和軸線 L2保持彼此完全對準。
在探頭8下降至與堆疊組件6間隔預定距離的位置之后，探頭8與 轉子9 一致地轉動。如圖13所示，然后使探頭8與堆疊組件6的上端面 滑動接觸。當探頭8保持與堆疊組件6的上端面滑動接觸時，產生摩擦 熱以軟化堆疊組件6的由探頭8接觸的區域及其附近區域。結果，如圖 15所示，探頭8嵌入堆疊組件6中，并且堆疊組件6的材料流入凹口 132 內。因為如上所述凹口 132的水平截面直徑大于探頭8的直徑，所以堆 疊組件6的材料很容易流入凹口 132中。
如果轉動的探頭8嵌入堆疊組件6中而不與凹口 132對準，并且材料流入凹口 132中，則在載置夾具116上施加一個垂直于軸線L1或軸線 L2的力，即水平方向力。相對于沿著使探頭8與凹口 132之間的不對準 度增大的方向，所述力趨向于更多地沿著使探頭8與凹口 132之間的不 對準度減小的方向作用。因此，在該力作用下，載置夾具116在插入凹 口112中水平移動。結果，如圖15和圖16所示，軸線L1和軸線L2最 終保持彼此對準。
當載置夾具116這樣移動時，作為彈性體的O型環130變形。因此， O型環130不能阻止載置夾具116移動。
因此，根據本實施例，如果探頭8嵌入堆疊組件6中，并且軸線L2 保持不與凹口 132的軸線Ll對準，那么載置夾具116沿著使軸線Ll和 軸線L2彼此對準的方向移動。因此，當探頭8嵌入堆疊組件6中時，不 必保持軸線L1和軸線L2彼此精確對準。即，不必在進行攪拌摩擦焊加 工之前進行復雜的同軸對準過程，因此提高了攪拌摩擦焊加工的效率。
因為在軸線Ll和軸線L2大致彼此對準的同時將探頭8逐漸嵌入堆 疊組件6中，所以探頭8大致插入凹口 132的中央，并距凹口132的內 周壁留下一定間隙。因此，不會在探頭8的側周壁和凹口 132的內周壁 之間形成具有小間隙的區域和具有大間隙的區域。探頭8周圍(攪拌區 A2)的材料被均勻攪拌，從而材料中的攪拌摩擦焊程度與區域無關地保 持均勻。具體地，因為不存在被攪拌材料的量較小的區域，所以不存在 接合強度較小的區域。因此，提高了堆疊組件6的接合強度。
當堆疊組件6的材料流入凹口 132時，接觸區的材料被大量攪拌。
與第一實施例一樣，當探頭8嵌入時，在第二工件W2的面對著第 一工件Wl的表面上形成突起136，并且在第一工件Wl的面對著第二工 件W2的表面中形成空腔138。突起136配合在空腔138中。空腔138的 下端為材料未塑性流動的非攪拌區(塑性變形區)。即，空腔138的下端 由于塑性變形而形成為與凹口 132互補，從而產生緊密配合的狀態。因為 第一工件Wl和第二工件W2牢固地接合在一起，所以提高了接合強度。
根據第二實施例，由嵌入探頭8從堆疊組件6推動的材料塑性流入 凹口 132內。因此，堆疊組件6的材料不隆起，從而不產生任何毛邊。使用具有凹口 132的載置夾具116，能夠在不形成毛邊BL的情況下對堆 疊組件6進行攪拌摩擦焊。
當載置夾具116響應于探頭8的轉動而轉動時，凸臺118的外壁與 插入凹口 112的內壁干涉，如圖17所示。因此，防止了載置夾具116轉 動，從而不會妨礙攪拌摩擦焊加工。
當在開始攪拌堆疊組件6之后大約2秒松開探頭8，從而停止了堆 疊組件6的材料的塑性流動時，堆疊組件6的材料最終冷卻并固化。這 樣，與第一實施例相同(參見圖4)，第一工件Wl和第二工件W2—體 地以固態接合在一起，從而產生具有攪拌摩擦焊接頭40的部件140，如 圖18所示。當流入凹口 132的材料冷卻并固化時，具有攪拌摩擦焊接頭 40的部件140具有在第一工件W1上突出的柱形平臺44。因此，在這種 情況下，生成其外徑大致與凹口 132的直徑相同的平臺44。
限定在載置塊122中的凹口并不限于柱形凹口 132。該凹口可以呈 拉長槽的形式。掃描探頭8以形成形狀與拉長槽互補的拉長平臺。
凹口 132中的整個空間可以不必填充堆疊組件6的材料。
堆疊工件的數量并不限于兩個，而是可以將三個或更多的工件堆疊 在一起。
在如上所述的第一實施例和第二實施例中，可采用圖19所示的攪拌 摩擦焯工具210。相對于第一實施例，攪拌摩擦焊工具210用于通過攪拌 摩擦焊接合第一工件Wl和第二工件W2的堆疊組件6。攪拌摩擦焊工具 210具有用于擠壓上面的第二工件W2的轉子216、和同軸布置在轉子216 的頂端上以用于嵌入堆疊組件6中的探頭218。與第一實施例相同，堆疊 組件6固定地安裝在具有凹口 18的支承夾具10上。凹口 18的內徑大于 探頭218的外徑，并且凹口 18和探頭218彼此同軸地布置。
探頭218具有布置在其頂端上的呈右旋螺紋形狀的第一螺紋部分 220、以及位于第一螺紋部分220后的呈左旋螺紋形狀的第二螺紋部分 222。如此構成的探頭218可例如由高速工具鋼制造。
為了進行攪拌摩擦焊加工，在從轉子216上方看去時，攪拌摩擦焊 工具210順時針轉動。從第一螺紋部分220與第二螺紋部分222之間的邊界線224到轉子 216的端面216a的距離H等于將表面側上的第二工件W2的厚度減去寬 度H1 (稍后描述)得到的值。因為寬度H1的值較小，所以距離H實際 上可設定為等于第二工件W2的厚度。
第一螺紋部分220的螺紋220a和第二螺紋部分222的螺紋222a是 相連的。具體地，如圖20所示，螺紋220a和螺紋222a在邊界線224上 的點P處彼此連接，其中圖20示意性地以展開方式圖解說明了探頭218 的側面。可在使螺紋220a和螺紋222a基本在點P處彼此接合的范圍內， 在螺紋220a與螺紋222a之間設置窄槽等。
第一螺紋部分220和第二螺紋部分222均可具有兩條螺紋，除了螺 紋220a和螺紋222a之外，還分別包括螺紋220b、 222b。
從圖19和圖20可以看出，第一螺紋部分220和第二螺紋部分222 的螺距彼此相等，并且第一螺紋部分220和第二螺紋部分222的軸向長 度H彼此相等。在圖20中，螺紋220a和螺紋222a相對于邊界線224形 狀對稱。
在圖19和圖20中，用點劃線假定示出邊界線224以用于圖解說明 目的。然而，邊界線224實際上是不存在的。
下面將描述利用攪拌摩擦焊工具210對堆疊組件6進行攪拌摩擦焊 的過程。
第一工件Wl和第二工件W2的堆疊組件6在其覆蓋凹口 18的情況 下放在支承夾具10上，如圖19所示。之后，使位于堆疊組件6上方的 攪拌摩擦焊工具210轉動。在這種情況下，攪拌摩擦焊工具210順時針 轉動c
然后，如圖21所示，攪拌摩擦焊工具210在轉動時下降以擠壓探頭 218并將其嵌入堆疊組件6 (上面的第二工件W2)中。這時，因為探頭 218頂端上的第一螺紋部分220呈右旋螺紋的形式，所以探頭218平滑嵌 入第二工件W2中，就好像它是一螺栓(或自攻螺釘) 一樣被插入。
在攪拌摩擦焊加工中，起初需要一定的壓力來使攪拌摩擦焊工具210 與第二工件W2的表面接觸并使攪拌摩擦焊工具210開始嵌入第二工件W2中。當探頭218在第一螺紋部分220的作用下平滑嵌入第二工件W2 中時，攪拌摩擦焊工具210所需的壓力較小，從而攪拌摩擦焊工具210 的使用壽命增加。
如圖22所示，攪拌摩擦焊工具210進一步下降直到轉子216的端面 216a以較小寬度H1咬入第二工件W2的表面中。這時，當攪拌摩擦焊工 具210順時針轉動時，因為第二螺紋部分222呈左旋螺紋的形式，所以 第二螺紋部分222產生阻止其插入第二工件W2的阻力。該阻力在第二 螺紋部分222逐漸嵌入第二工件W2中的時候增加。
因為如上所述第一螺紋部分220呈右旋螺紋的形式，所以當攪拌摩 擦焊工具210順時針轉動時，第一螺紋部分220產生使其向下運動的力。 由于第一螺紋部分220和第二螺紋部分222的螺距彼此相等，并且第一 螺紋部分220和第二螺紋部分222的軸向長度H彼此相等，因此使第一 螺紋部分220向下運動的力和由第二螺紋部分222產生的阻力最終平衡。
至少直到邊界線224到達第二工件W2的表面之前，探頭218在第 一螺紋部分220的作用下平滑嵌入第二工件W2和第一工件Wl中。這 是有利的，因為由致動器產生的壓力較小。
當使探頭218轉動并下降時，第一螺紋部分220向第二工件W2和 第一工件Wl施加向上提升力，并且第二工件W2和第一工件W1也被第 二螺紋部分222向下按壓。因此，阻止了第二工件W2和第一工件Wl 被提升。
然后，在攪拌摩擦焊工具210下降直到端面216a以寬度Hl咬入第 二工件W2中時，攪拌摩擦焊工具210停止下降但仍然轉動。這時，使 第一螺紋部分220向卞運動的力和第二螺紋部分222產生的阻力保持平 衡，從而防止探頭218不必要地下降。在探頭218的第一螺紋部分220 和第二螺紋部分222之間的邊界線224與第二工件W2和第一工件Wl 之間的邊界線M對準。邊界線224和邊界線M應彼此大致對準。
在這種情況下，堆疊組件6的塑性流動材料流入支承夾具10的凹口 18中，從而在堆疊組件6中產生增強的攪拌區。即，堆疊組件6的材料 被大量攪拌、冷卻和固化，從而產生具有優異接合強度的攪拌摩擦焊接頭的部件42 (參見圖4)。
如圖22中的箭頭X1、 X2示意性地表示，探頭218附近區域中下面 的第一工件Wl的材料被第一螺紋部分220向上提升。如圖22中的箭頭 Yl、 Y2示意性地表示，探頭218附近區域中表面側的第二工件W2的材 料被第二螺紋部分222向下推動。
然后，如圖23所示，在第二工件W2中沿箭頭Y1、 Y2所示的方向 產生塑性材料流動，并在第一工件W1中沿箭頭X1、 X2所示的方向產 生塑性材料流動。這些塑性材料流動是沿著箭頭XI、 X2、 Yl和Y2所 示的方向的均勻塑性材料流動。由圖23 (和稍后描述的圖24)中的交叉 影線示出的區域示意性地表示出現塑性材料流動的區域。
由第一螺紋部分220向上提升的材料流動和由第二螺紋部分222向 下推動的材料流動在邊界線224附近彼此結合，并沿著邊界線M被徑向 向外推動。
因為如上所述，第一螺紋部分220和第二螺紋部分222的螺距彼此 相等，并且第一螺紋部分220和第二螺紋部分222的軸向長度H彼此相 等，所以由第一螺紋部分220產生的塑性材料流動和由第二螺紋部分222 產生的塑性材料流動保持平衡，從而促進了邊界線224附近的塑性材料 流動。
因此第二工件W2和第一工件Wl主要在邊界線M附近的區域中被 攪拌，并且第二工件W2和第一工件Wl在較寬的區域上可靠地接合而 不變薄。具體地，因為探頭218的第一螺紋部分220和第二螺紋部分222 的螺紋220a、 222a在點P處彼此連接(參見圖20)，所以促進了邊界線 M附近的塑性材料流動從而更加向外推動材料流動。
因為防止了第二工件W2變薄，所y連接部的高度H2大致等于第二 工件W2的厚度。因此，負載分布到較寬的區域上以提高接合強度。因 為邊界線M處的區域在較寬區域上被攪拌并接合，所以增加了抗拉強度 和剪切力。
另外，由于上面第二工件W2的靠近探頭218的區域塑性流動從而 被第二螺紋部分222向下壓，所以材料流動不會隆起至第二工件W2的表面上，因此防止第二工件W2形成毛邊。
在對堆疊組件6進行攪拌摩擦焊之后，提起攪拌摩擦焊工具210以
從堆疊組件6松開探頭218。第二工件W2和第一工件Wl在嵌入攪拌摩 擦焊工具210的區域中被點焊。
在上述說明中，第一螺紋部分220的螺紋220a和第二螺紋部分222 的螺紋222a在點P處彼此連接(參見圖20)。然而，如果必要，可將螺 紋220a的頂端與螺紋222a的頂端彼此周向分開，如圖25所示。或者螺 紋220a的頂端與螺紋222a的頂端、以及螺紋220b的頂端與螺紋222b 的頂端可以略微地彼此軸向分開，如圖26所示。
如果攪拌摩擦焊工具210逆時針轉動，那么傾向于在邊界線M處的 較小區域中發生攪拌摩擦焊，并且第二工件W2的表面易于產生毛邊。 為了消除這些缺陷，如果攪拌摩擦焊工具逆時針轉動，優選采用攪拌摩 擦焊工具250，其具有方向與上述方向相反的螺紋部分，如圖24所示。
具體地，攪拌摩擦焊工具250具有呈左旋螺紋形狀、并與攪拌摩擦 焊工具210的第一螺紋部分220對應的第一螺紋部分230,以及呈右旋螺 紋形狀、并與第二螺紋部分222對應的第二螺紋部分232。因為攪拌摩擦 焊工具250的螺紋部分的方向與攪拌摩擦焊工具210的螺紋部分的方向 相反，所以當攪拌摩擦焊工具250逆時針轉動時，攪拌摩擦焊工具250 具有與攪拌摩擦焊工具210相同的優點。
由攪拌摩擦焊工具210、 250接合的物體并不限于上述堆疊組件6。 例如如圖27所示，可以對第一工件Wl和第二工件W2的抵靠端面進行 攪拌摩擦焊。當攪拌摩擦焊工具210、 250沿抵靠端面運動時，可對抵靠 端面連續進行攪拌摩擦焊。
在上述說明中，為了方便，根據附圖指出向上和向下的方向。然而， 第一工件Wl和第二工件W2可沿任意期望方向定向。攪拌摩擦焊工具7、 210、 250可相對于堆疊組件6大致成直角地被擠壓和嵌入。
本發明并不限于上述實施例，而是可在不脫離本發明范圍的情況下 以各種方案實施。
權利要求
1. 一種攪拌摩擦焊工具(210)，用于對多個金屬工件(W1，W2)的抵靠部分進行攪拌摩擦焊，該攪拌摩擦焊工具(210)包括用于擠壓所述工件(W1，W2)的轉子(216)；和同軸布置在所述轉子(216)頂端上的探頭(218)，用于插入所述工件(W1，W2)中；所述探頭(218)包括第一螺紋部分(220)，布置在所述探頭(218)頂端上并具有螺旋形狀；和第二螺紋部分(222)，布置在所述第一螺紋部分(220)后并具有方向與所述第一螺紋部分(220)相反的螺旋形狀。
2. 根據權利要求1所述的攪拌摩擦焊工具(210)，其特征在于，所 述工件(Wl， W2)堆疊在一起；并且從在所述第一螺紋部分(220)和所述第二螺紋部分(222)之間的 邊界線(224)到所述轉子(216)端面的距離(H)大致等于在所述工件 (Wl， W2)之中表面側上的一個工件(W2)的厚度。
3. 根據權利要求1所述的攪拌摩擦焊工具(210)，其特征在于，所 述第一螺紋部分(220)和所述第二螺紋部分(222)的螺距相等；并且所述第一螺紋部分(220)和所述第二螺紋部分(222)的軸向長度 (H)相等。
4. 根據權利要求1所述的攪拌摩擦焊工具(210)，其特征在于，所 述第一螺紋部分(220)和所述第二螺紋部分(222)具有相連的相應螺 紋(220a， 222a)。
全文摘要
本發明涉及一種攪拌摩擦焊工具，用于對多個金屬工件的抵靠部分進行攪拌摩擦焊，該工具包括用于擠壓工件的轉子和布置在轉子頂端上的探頭，該探頭包括第一螺紋部分，布置在探頭頂端上并具有螺旋形狀；和第二螺紋部分，布置在第一螺紋部分后并具有方向與第一螺紋部分相反的螺旋形狀。因為第一和第二螺紋部分具有方向相反的螺紋，所以當探頭頂端上的第一螺紋部分沿旋入工件的方向轉動時，工件能夠以較高的接合強度接合在一起。
文檔編號B23K20/12GK101412150SQ200810181658
公開日2009年4月22日 申請日期2004年8月4日 優先權日2003年8月22日
發明者大久保聰士, 村川敏浩, 脇坂泰成 申請人:本田技研工業株式會社