專利名稱：用于攪拌摩擦焊的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及摩擦焊，尤其是涉及在攪拌摩擦焊過程中對(duì)焊接接頭的支承。
背景技術(shù)：
攪拌摩擦焊是相對(duì)較新的方法，它使用旋轉(zhuǎn)工具來(lái)連接固態(tài)的兩個(gè)工件，或者修補(bǔ)在單個(gè)工件中的裂紋，該旋轉(zhuǎn)工具包括安裝在凹形肩部上的螺紋銷或探頭。例如，在授予Thomas等的美國(guó)專利No.5460317中公開了這樣一種方法，該文獻(xiàn)的內(nèi)容整個(gè)被本文參引。如圖1A所示，在攪拌摩擦焊過程中，旋轉(zhuǎn)工具12的探頭10通過攪拌摩擦焊機(jī)器(未示出)而插入一個(gè)工件內(nèi)或兩個(gè)工件14之間，以便產(chǎn)生所需的阻力，從而產(chǎn)生足以形成塑化材料區(qū)域的摩擦熱。如圖1B所示，工具12通常相對(duì)于工件14傾斜大約3°，這樣，凹形肩部16的后緣推入塑化材料中并使該塑化材料固定。當(dāng)塑化材料固化時(shí)，工件14沿焊接接頭18被連接起來(lái)。由攪拌摩擦焊工具12施加的力量值必須保持高于規(guī)定的最小值，以便產(chǎn)生所需的摩擦熱。
為了防止工件由于攪拌摩擦焊工具12施加的力而變形并保持尺寸工差，工件14必須具有在焊接接頭下面的支承件15。另外，因?yàn)橛珊附庸ぞ弋a(chǎn)生的摩擦熱使得焊接接頭內(nèi)的材料塑化，因此必須對(duì)該塑化材料進(jìn)行約束，以防止該材料流出焊接接頭，還必須固定該塑化材料，以便使孔隙度最小，并使焊接接頭具有合適的表面光潔度。當(dāng)對(duì)相對(duì)扁平工件進(jìn)行攪拌摩擦焊時(shí)，焊接接頭可以由位于要連接的工件的下面的連續(xù)平表面(例如鋼板)來(lái)支承。
當(dāng)對(duì)較大工件或者具有彎曲幾何形狀的工件進(jìn)行攪拌摩擦焊時(shí)，對(duì)焊接接頭提供足夠支承將成為問題，因?yàn)樗柚С胁牧系牧亢?或該彎曲幾何形狀將使得提供連續(xù)支承表面更困難和更昂貴。當(dāng)制造軍用和民用飛機(jī)以及火箭燃料箱時(shí)通常需要該焊接。在某些情況下，在攪拌摩擦焊之前，通常稱為“工具化(tooling)”的組裝(built-up)結(jié)構(gòu)可以固定在工件的內(nèi)表面上。不過，重量限制和/或設(shè)計(jì)參數(shù)通常需要使最終的組件有光滑內(nèi)表面。因此，該工具化的組裝結(jié)構(gòu)必須例如通過機(jī)械加工除去，這將消耗時(shí)間和延長(zhǎng)勞動(dòng)，并增加了最終組件的制造成本。
在連接的工件由具有不同材料特性(例如固相線溫度、硬度和/或?qū)崧?的不同材料形成時(shí)，攪拌摩擦焊將遇到另一問題。特定合金的“固相線”溫度是這樣的溫度，即，當(dāng)?shù)陀谠摐囟葧r(shí)只有固相穩(wěn)定。這些不同材料特性可能需要使攪拌摩擦焊工具在各個(gè)工件內(nèi)以不同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)和/或使工具以不同的速度通過工件前進(jìn)，這可能使攪拌摩擦焊處理復(fù)雜，并可能限制了可以連接的材料類型。例如，當(dāng)具有不同固相線溫度的工件進(jìn)行攪拌摩擦焊時(shí)，攪拌摩擦焊工具將首先使具有較低固相線溫度的工件塑化，這樣，具有更高固相線溫度的工件可能并不象形成堅(jiān)固焊接接頭所需那樣進(jìn)行充分塑化以便與另一工件混合。
因此，需要一種改進(jìn)的攪拌摩擦焊工具，以便在較大工件或者具有彎曲幾何形狀的工件之間形成焊接接頭。該工具在攪拌摩擦焊過程中能夠有效支承焊接接頭和將該塑化材料約束在焊接接頭內(nèi)，且該工具應(yīng)當(dāng)很容易適應(yīng)變化的工件幾何形狀和尺寸。此外，該工具應(yīng)當(dāng)能夠用于具有不同材料性質(zhì)的攪拌摩擦焊工件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于在工件中形成攪拌摩擦焊接頭的工具。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該工具包括可旋轉(zhuǎn)的銷，該銷具有第一端和第二端，并確定了在它們之間的攪拌部分，該攪拌部分構(gòu)造成與工件摩擦接合，以便至少部分地形成攪拌摩擦焊接頭。該工具包括可旋轉(zhuǎn)的第一肩部，該第一肩部確定了穿過該第一肩部的孔，該孔構(gòu)造成可滑動(dòng)地接收銷的第一端。該工具還包括第二肩部，該第二肩部確定了孔，該孔構(gòu)造成接收銷的第二端，這樣，該銷在第一和第二肩部之間延伸，且第二肩部與該銷可旋轉(zhuǎn)地連接。該第一肩部構(gòu)造成獨(dú)立于銷和第二肩部旋轉(zhuǎn)。在一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二肩部構(gòu)造成在攪拌摩擦焊過程中相對(duì)支承工件。在另一實(shí)施例中，第二肩部確定了多個(gè)肋，用于從焊接接頭向外傳熱。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，工具包括可旋轉(zhuǎn)的銷，該銷具有第一端和第二端，并確定了在它們之間的攪拌部分，該攪拌部分構(gòu)造成與工件摩擦接合，以便至少部分地形成攪拌摩擦焊接頭。該工具包括可旋轉(zhuǎn)的第一肩部，該第一肩部確定了穿過該第一肩部的孔，該孔構(gòu)造成可滑動(dòng)地接收銷的第一端。該工具還包括第二肩部，該第二肩部確定了孔，該孔構(gòu)造成接收銷的第二端，這樣，該銷在第一和第二肩部之間延伸，且第二肩部與該銷可旋轉(zhuǎn)地連接。第一和第二肩部中的至少一個(gè)具有確定了至少一個(gè)凸出部分的表面，該凸出部分構(gòu)造成與工件摩擦接合，以便至少部分地形成攪拌摩擦焊接頭。第一和第二肩部構(gòu)造成在攪拌摩擦焊過程中相對(duì)支承工件。在一個(gè)實(shí)施例中，第一肩部構(gòu)造成獨(dú)立于銷和第二肩部旋轉(zhuǎn)。在另一實(shí)施例中，第二肩部確定了多個(gè)肋，用于從焊接接頭向外傳熱。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，工具包括可旋轉(zhuǎn)的銷，該銷具有第一端和第二端，并確定了在它們之間的攪拌部分，該攪拌部分構(gòu)造成與工件摩擦接合，以便至少部分地形成攪拌摩擦焊接頭。該工具包括可旋轉(zhuǎn)的第一肩部，該第一肩部確定了穿過該第一部分的孔，該孔構(gòu)造成可滑動(dòng)地接收銷的第一端。該工具還包括第二肩部，該第二肩部確定了孔，該孔構(gòu)造成接收銷的第二端，這樣，該銷在第一和第二肩部之間延伸，且第二肩部與該銷可旋轉(zhuǎn)地連接。第二肩部確定了多個(gè)肋，用于從焊接接頭向外傳熱。在一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二肩部構(gòu)造成在攪拌摩擦焊過程中相對(duì)支承工件。在另一實(shí)施例中，第一肩部構(gòu)造成獨(dú)立于銷和第二肩部旋轉(zhuǎn)。
銷的攪拌部分包括各種結(jié)構(gòu)。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，銷的攪拌部分確定了至少一個(gè)平表面。在另一實(shí)施例中，銷的攪拌部分確定了至少一個(gè)螺紋表面和至少一個(gè)平表面。在還一實(shí)施例中，銷的攪拌部分包括具有沿第一方向的螺紋的第一螺紋表面以及具有沿第二方向的螺紋的第二螺紋表面，其中，所述第一方向與第二方向不同。
第一和第二肩部分別具有構(gòu)造成與工件摩擦接合的表面，從而至少部分地形成攪拌摩擦焊接頭。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二肩部的至少一個(gè)表面具有螺紋。在另一實(shí)施例中，至少一個(gè)表面為凸形。在還一實(shí)施例中，至少一個(gè)表面為凹形。在還一實(shí)施例中，至少一個(gè)表面確定了至少一個(gè)凸出部分，該凸出部分構(gòu)造成與工件摩擦接合。
銷可以以各種不同方式與第二肩部連接。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，銷的第二端的至少一部分具有螺紋。同樣。第二肩部的孔的至少一部分具有螺紋，以便能夠通過螺紋接收該銷的第二端。在另一實(shí)施例中，銷的第二端具有多邊形結(jié)構(gòu)，第二肩部的孔具有與銷的第二端的結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的多邊形結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明還提供了一種用于在工件中形成攪拌摩擦焊接頭的裝置。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，該裝置包括具有心軸的機(jī)器，該心軸確定了可旋轉(zhuǎn)的內(nèi)部部分和可旋轉(zhuǎn)的外部部分。該裝置包括攪拌摩擦焊工具。在一個(gè)實(shí)施例中，該攪拌摩擦焊工具包括銷，該銷具有第一端和第二端，并確定了在它們之間的攪拌部分，該攪拌部分構(gòu)造成與工件摩擦接合，以便至少部分地形成攪拌摩擦焊接頭。該銷的第一端與心軸的內(nèi)部部分可旋轉(zhuǎn)地連接。該攪拌摩擦焊工具包括第一肩部，該第一肩部確定了穿過該第一肩部的孔，該孔構(gòu)造成可滑動(dòng)地接收銷的第一端。該第一肩部與心軸的外部部分可旋轉(zhuǎn)地連接。該攪拌摩擦焊工具還包括第二肩部，該第二肩部確定了孔，該孔構(gòu)造成接收銷的第二端，這樣，該銷在第一和第二肩部之間延伸，且第二肩部與該銷可旋轉(zhuǎn)地連接。該第一肩部構(gòu)造成獨(dú)立于銷和第二肩部旋轉(zhuǎn)。如上所述，攪拌摩擦焊工具以及第一和第二肩部可以有多種變化形式。
本發(fā)明還提供了對(duì)工件進(jìn)行攪拌摩擦焊的方法。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該方法包括將第一和第二肩部定位成鄰近工件。該第一和第二肩部分別具有構(gòu)造成與工件摩擦接合的表面。使銷與第一和第二肩部連接，以便使銷在它們之間延伸。該銷確定了攪拌部分，該攪拌部分構(gòu)造成與工件摩擦接合。然后，使第一肩部以第一角速度旋轉(zhuǎn)，并使銷和第二肩部以不同于第一角速度的第二角速度旋轉(zhuǎn)，從而使銷、第一肩部和第二肩部中的每個(gè)的至少一部分與工件摩擦接合，從而形成攪拌摩擦焊接頭。銷的攪拌部分可以沿預(yù)定路徑通過工件運(yùn)動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例，該方法包括將第一和第二肩部定位成鄰近工件。該第一和第二肩部分別具有構(gòu)造成與工件摩擦接合的表面。使銷與第一和第二肩部連接，以便使銷在它們之間延伸。該銷確定了攪拌部分，該攪拌部分構(gòu)造成與工件摩擦接合。使第一肩部旋轉(zhuǎn)。在該第一旋轉(zhuǎn)步驟的同時(shí)，使銷和第二肩部獨(dú)立于第一肩部旋轉(zhuǎn)，從而使銷、第一肩部和第二肩部中的每個(gè)的至少一部分與工件摩擦接合，從而形成攪拌摩擦焊接頭。例如，第一和第二旋轉(zhuǎn)步驟可以包括使第一肩部以第一角速度旋轉(zhuǎn)，并使銷和第二肩部以第二角速度旋轉(zhuǎn)，其中，該第二角速度與第一角速度不同。這里使用的“角速度”包括速度分量和方向分量。對(duì)于遵循“右手定律”的運(yùn)動(dòng)(即逆時(shí)針方向運(yùn)動(dòng))，方向分量為正，對(duì)于沿相反方向的運(yùn)動(dòng)(即順時(shí)針方向運(yùn)動(dòng))，方向分量為負(fù)。銷的攪拌部分可以沿預(yù)定路徑通過工件運(yùn)動(dòng)。
使銷與第一和第二肩部連接的方法可以變化。在一個(gè)實(shí)施例中，連接步驟包括使銷的端部滑過第一肩部中的孔。然后，連接步驟可以包括使銷的端部螺紋連接到由第二肩部確定的螺紋孔內(nèi)。在另一實(shí)施例中，連接步驟包括在工件中鉆孔。銷的端部滑過第一肩部中的孔。然后，使銷的端部通過工件中的孔插入，并與第二肩部連接。
第一和第二肩部的相對(duì)位置可以改變，以便調(diào)節(jié)由該肩部施加在工件上的力。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，將銷壓向第一肩部，以便將第二肩部壓向第一肩部。在另一實(shí)施例中，將第一肩部壓向第二肩部。
本發(fā)明還提供了由旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊工具形成的攪拌摩擦焊搭接接頭。該搭接接頭包括第一結(jié)構(gòu)部件和第二結(jié)構(gòu)部件。該第二結(jié)構(gòu)部件至少部分與第一結(jié)構(gòu)部件交疊，以便確定在它們之間的交界面。搭接接頭包括攪拌摩擦焊接頭，該攪拌摩擦焊接頭在交界面處至少部分連接第一和第二結(jié)構(gòu)部件。攪拌摩擦焊接頭確定了第一和第二部分。攪拌摩擦焊接頭的第一部分通過攪拌摩擦焊工具以第一角速度攪拌，而攪拌摩擦焊接頭的第二部分由攪拌摩擦焊工具以第二角速度攪拌，從而在第一和第二部分中形成不同精細(xì)度的晶粒結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施例，第一和第二結(jié)構(gòu)部件包括不同材料。在另一實(shí)施例中，第一和第二結(jié)構(gòu)部件具有不同的熔化溫度。在另一實(shí)施例，該第一和第二結(jié)構(gòu)部件具有不同硬度。
因此，本發(fā)明提供了用于通過對(duì)較大工件或具有彎曲幾何形狀的工件進(jìn)行攪拌摩擦焊而形成焊接接頭的攪拌摩擦焊工具、裝置以及相應(yīng)的生產(chǎn)方法。該工具能夠在攪拌摩擦焊過程中有效支承焊接接頭，并將塑化材料限制在焊接接頭內(nèi)。該工具能夠很容易適應(yīng)變化的工件幾何形狀和尺寸。此外，該工具能夠?qū)哂胁煌牧咸匦缘墓ぜM(jìn)行攪拌摩擦焊。


通過下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明，可以更清楚本發(fā)明的前述和其它優(yōu)點(diǎn)和特征以及實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法，這些附圖表示了本發(fā)明的優(yōu)選示例實(shí)施例，但是附圖并不需要按比例畫出，附圖中圖1A是普通攪拌摩擦焊工具的局部透視圖，表示了肩部和探頭在攪拌摩擦焊過程中的位置；圖1B是普通攪拌摩擦焊工具的剖視圖，表示了肩部和探頭在攪拌摩擦焊過程中的定位；圖2A是表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例，兩個(gè)工件在攪拌摩擦焊之前定位成在它們之間形成交界面；圖2B是表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例，由圖2A中所示的兩個(gè)工件通過攪拌摩擦焊形成結(jié)構(gòu)組件的透視圖；圖3是表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的攪拌摩擦焊工具的正視圖；圖4是表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、用于攪拌摩擦焊工具的銷的正視圖；圖5是表示圖4中所示的銷的一端的正視圖；圖6是表示根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的、用于攪拌摩擦焊工具的銷的正視圖；圖7是表示圖6中所示的銷沿線7-7的剖視圖；圖8是表示根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的、用于攪拌摩擦焊工具的銷的正視圖；圖9是表示圖8中所示的銷沿線9-9的剖視圖；圖10是表示根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的、用于攪拌摩擦焊工具的銷的正視圖；圖11是表示圖10中所示的銷沿線11-11的剖視圖；圖12是表示根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的、用于攪拌摩擦焊工具的銷的正視圖；圖13是表示圖12中所示的銷的一端的正視圖；圖14是表示圖12中所示的銷沿線14-14的剖視圖；圖15是表示根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的、用于攪拌摩擦焊工具的銷的正視圖；圖16是表示圖15中所示的銷的一端的正視圖；圖17是表示圖1 5中所示的銷沿線17-17的剖視圖；圖18是表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的攪拌摩擦焊工具的第二肩部的正視圖；圖19是表示圖18中所示的第二肩部的端部的平面圖，該端部構(gòu)造成與工件摩擦接合；圖20是圖18中所示的第二肩部的仰視圖；圖21是圖18中所示的第二肩部沿線21-21的剖視圖；圖22是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、攪拌摩擦焊工具的銷的端部的局部正視圖，該端部用于與第二肩部連接；圖23是表示根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的攪拌摩擦焊工具的第二肩部的正視圖；
圖24是表示圖23中所示的第二肩部的端部的平面圖，該端部構(gòu)造成與工件摩擦接合；圖25是圖23中所示的第二肩部的仰視圖；圖26是圖23中所示的第二肩部沿線26-26的剖視圖；圖27是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、攪拌摩擦焊工具的第一肩部的端部的正視圖，該端部確定了孔，用于可滑動(dòng)地接收銷；圖28是表示圖27中所示的第一肩部沿線28-28的剖視圖；圖29是表示圖28中所示的第一肩部的端部沿線29-29的正視圖，該端部構(gòu)造成與工件摩擦接合；圖30是表示圖29中所示的第一肩部沿線30-30的局部剖視圖；圖31是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的、攪拌摩擦焊工具的第一肩部的端部的正視圖，該端部確定了孔，用于可滑動(dòng)地接收銷；圖32是表示圖32中所示的第一肩部沿線32-32的剖視圖；圖33是表示圖32中所示的第一肩部的端部沿線33-33的正視圖，該端部構(gòu)造成與工件摩擦接合；圖34是表示圖29中所示的第一肩部沿線34-34的局部剖視圖；圖35是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的攪拌摩擦焊搭接接頭的正視圖；圖36是表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的攪拌摩擦焊的操作的流程圖；以及圖37是表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的攪拌摩擦焊的操作的流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參考附圖更充分地介紹本發(fā)明，附圖中表示了本發(fā)明的某些(但不是全部)實(shí)施例。實(shí)際上，本發(fā)明可以以多種不同形式實(shí)施，并不是限制為這里所述的實(shí)施例；而是，提供這些實(shí)施例是為了使本說(shuō)明書詳細(xì)和完整，并使本領(lǐng)域技術(shù)人員充分了解本發(fā)明的范圍。在全部附圖中，相同的參考標(biāo)號(hào)表示相同部件。
下面參考附圖，特別是參考圖2B，圖中表示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的攪拌摩擦焊裝置20，用于對(duì)工件23(例如圖2A中所示的工件23)進(jìn)行攪拌摩擦焊。本發(fā)明的攪拌摩擦焊裝置20特別適于對(duì)較大工件和具有彎曲幾何形狀的工件進(jìn)行攪拌摩擦焊。攪拌摩擦焊裝置20包括攪拌摩擦焊工具22以及用于使攪拌摩擦焊工具旋轉(zhuǎn)的設(shè)備或機(jī)器(未示出)，該設(shè)備或機(jī)器例如銑床或鉆床，具有心軸21，優(yōu)選是，該心軸21包括可獨(dú)立旋轉(zhuǎn)和可軸向移動(dòng)的外部部分21a和內(nèi)部部分21b。優(yōu)選是，該心軸21的外部部分21a和內(nèi)部部分21b可以彼此獨(dú)立地軸向移動(dòng)。用于使攪拌摩擦焊工具22旋轉(zhuǎn)的設(shè)備或機(jī)器可以人工操作，但優(yōu)選是它們通過在軟件控制下工作的計(jì)算機(jī)、微處理器、微控制器等來(lái)操作。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，用于使攪拌摩擦焊工具22旋轉(zhuǎn)的設(shè)備或機(jī)器包括由ESAB制造的55UA線軸工具焊接機(jī)器。
如圖3所示，攪拌摩擦焊工具22包括第一肩部24、第二肩部25以及在它們之間延伸的銷26。參考圖27-34，第一肩部24可以形成為各種結(jié)構(gòu)，但是優(yōu)選是柱形。第一肩部24具有本體29，該本體29確定了沿第一肩部的長(zhǎng)度延伸的孔32。優(yōu)選是，第一肩部24的本體29由具有很高強(qiáng)度和熱阻的材料形成。僅作為舉例而非限定，第一肩部24的本體29可以由工具鋼、鉬合金(如TZM)、以及鎳合金如Rene 41(UNS N07041)構(gòu)成。第一肩部24的本體29的第一端29a構(gòu)造成與心軸21的外部旋轉(zhuǎn)部分21a可旋轉(zhuǎn)地連接，因此第一肩部與心軸可旋轉(zhuǎn)地連接。例如，心軸21的外部旋轉(zhuǎn)部分21a可以包括普通夾盤或夾頭(未示出)，該夾盤或夾頭與第一肩部24的本體29的外部接合。在另一實(shí)施例(未示出)中，第一肩部24的孔32確定了在第一端29a處的螺紋部分，該螺紋部分構(gòu)造成與從心軸21的外部旋轉(zhuǎn)部分21a上伸出或者由該外部旋轉(zhuǎn)部分21a確定的相應(yīng)螺紋部分進(jìn)行螺紋接合。在還一實(shí)施例中(未示出)，第一肩部24的本體29的外部確定了在第一端29a處的螺紋部分，該螺紋部分構(gòu)造成與由心軸21的外部旋轉(zhuǎn)部分21a確定的相應(yīng)螺紋部分進(jìn)行螺紋接合。
如圖28和32所示，第一肩部24的孔32的直徑在本體29的第一端29a處大于在本體29的第二端29b處。更具體地說(shuō)，孔32的直徑從第一肩部23的第一端29a朝著第二端29b逐漸變小，直到恰好在第一肩部的第二端29b前面，在該處，孔32的直徑相對(duì)急劇減小。第一肩部24的孔32的直徑急劇減小將確定傾斜內(nèi)表面34，該傾斜內(nèi)表面34靠近第一肩部的第二端29b并在該第二端29b處環(huán)繞孔32。
如圖29、30、33和34所示，第一肩部24的第二端29b(該第二端鄰近圖2B中的工件23)具有表面35，該表面構(gòu)造成與工件摩擦接合，從而至少部分地形成攪拌摩擦焊接頭19。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，如圖29和33所示，表面35具有螺紋36。在另一實(shí)施例(未示出)中，表面35具有凸形結(jié)構(gòu)。在另一實(shí)施例中，表面35具有凹形結(jié)構(gòu)，與圖1B中所示的肩部16類似，以便捕獲和將塑化材料固定在焊接接頭19中。在還一實(shí)施例中，表面35確定了一個(gè)或多個(gè)凸出部分或表面，例如螺紋36、凸塊或肋，該凸出部分或表面構(gòu)造成與工件23摩擦接合。在還一實(shí)施例中，表面35具有相對(duì)平直或平面形結(jié)構(gòu)。
參考圖4-17，銷26具有第一端30和第二端31以及攪拌部分37，該攪拌部分37沿銷的長(zhǎng)度方向布置在第一和第二端之間。優(yōu)選是，銷26由具有很高強(qiáng)度和熱阻的材料形成。僅作為舉例而非限定，該銷26可以由工具鋼、鉬合金如TZM、以及鎳合金如Rene 41(UNS N07041)而構(gòu)成。如圖4和5所示，優(yōu)選是銷26的第一端30確定了螺紋部分28，如圖2B所示，該螺紋部分28構(gòu)造成與在適配器或軸27中的相應(yīng)螺紋孔(未示出)進(jìn)行螺紋接合，該適配器或軸27從該銷28延伸至心軸21的內(nèi)部旋轉(zhuǎn)部分21b，因此，銷與心軸可旋轉(zhuǎn)地連接。在另一實(shí)施例(未示出)中，銷26的第一端30有足夠長(zhǎng)度，以便利用螺紋連接或普通的夾盤或夾頭(未示出)而與心軸21的內(nèi)部旋轉(zhuǎn)部分21b直接連接。
參考圖4和5，銷26的第一端30確定了靠近該銷的螺紋部分28的凸起40。比較圖4與圖28和32，該凸起40包括傾斜外表面40a，該傾斜外表面40a的直徑相對(duì)急劇減小，這與由第一肩部24的孔32在本體29的第二端29b處確定的傾斜內(nèi)表面34局部相對(duì)應(yīng)。銷26和凸起40的直徑為這樣，即銷的第二端31和凸起將通過第一肩部24的孔32從第一端29a滑向第二端29b，直到凸起的外表面40a抵靠由孔32確定的傾斜內(nèi)表面34。在該位置，銷26的第二端31通過確定于第一肩部24中的孔32而從第一肩部24的第二端29b中伸出。優(yōu)選是，銷26和凸起40可在第一肩部24的孔32中自由旋轉(zhuǎn)。優(yōu)選是，第一肩部24的傾斜內(nèi)表面34機(jī)械加工成具有很高光潔度，該傾斜內(nèi)表面34與第一肩部29的厚度組合作為在銷26和第一肩部24的接觸表面之間的軸承，以便減小它們之間的摩擦。優(yōu)選是，第一肩部24的本體29的厚度為大約0.375英寸或更厚。
參考圖4、6、7、8、9、10、11、12、14、15和17，銷26具有攪拌部分37，該攪拌部分可以根據(jù)工件14的尺寸和材料特性而構(gòu)造成各種結(jié)構(gòu)。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，如圖6、7、10和11所示，銷26的攪拌部分37確定了一個(gè)或多個(gè)平表面52。在另一實(shí)施例中，如圖6、7、10和11所示，銷26的攪拌部分37確定了至少一個(gè)螺紋表面54和至少一個(gè)平表面52。在另一實(shí)施例中，如圖4所示，銷26的攪拌部分37包括具有沿第一方向的螺紋的第一螺紋表面54a以及具有沿第二方向的螺紋的第二螺紋表面54b，其中，該第一方向與第二方向不同。在還一實(shí)施例中，如圖8、9、12和15所示，銷26的攪拌部分37包括多個(gè)凹形表面55。
參考圖18-21和23-26，第二肩部25可以形成為各種結(jié)構(gòu)，但是優(yōu)選為柱形。第二肩部25具有本體39，該本體39確定了至少在它的第一端39a處的孔42。優(yōu)選是，第二肩部25的本體39由具有很高強(qiáng)度和熱阻的材料形成。僅作為舉例而非限定，第二肩部25的本體39可以由工具鋼、鉬合金如TZM、以及鎳合金如Rene 41(UNS N07041)構(gòu)成。第二肩部25的本體39的第一端39a構(gòu)造成與銷26的第二端31可旋轉(zhuǎn)地連接，因此與心軸21的內(nèi)部旋轉(zhuǎn)部分21b可旋轉(zhuǎn)地連接。例如，如圖21和22所示，銷26的第二端31可以具有螺紋33，第二肩部25的本體39的孔42可以具有螺紋46，這樣，銷的第二端可螺紋安裝在該孔42內(nèi)。也可選擇，如圖26所示，銷26的第二端31可以確定了多邊形表面(未示出)，且第二肩部25的本體39的孔42可以確定了相應(yīng)的多邊形結(jié)構(gòu)43，這樣，銷26的第二端31將配合安裝在孔42內(nèi)。機(jī)械緊固件(未示出)例如開口銷或固定螺釘可以用于將銷26的第二端31固定在第二肩部25的孔42內(nèi)。如圖21、22和26所示，由第二肩部25的本體39確定的孔42可以構(gòu)造成容納銷26的第二端31的尖端31a。如圖21和26所示，孔42可以穿過第二肩部25的本體39的整個(gè)長(zhǎng)度而從第一端39a伸向第二端39b，或者僅穿過該第二肩部的本體39的一部分延伸。
如圖18、21、23和26所示，優(yōu)選是第二肩部25的本體39確定了一個(gè)或多個(gè)肋50，這些肋50構(gòu)造成從焊接接頭19向外傳熱。當(dāng)攪拌摩擦焊工件23由不同材料形成時(shí)(其中一個(gè)工件的固相線溫度低于另一工件)，肋50可能特別有利。肋50從靠近第二肩部25的工件(該工件有較低固相線溫度)向外傳熱，從而使該工件的溫度低于靠近第一肩部24的工件(該工件具有較高固相線溫度)的溫度。在另一實(shí)施例(未示出)中，肋50形成于第一肩部24上，而不是第二肩部25，且具有較低固相線溫度的工件布置成靠近第一肩部。
如圖19、21、24和26所示，第二肩部25的本體39的第一端39a(該第一端39a靠近圖2B中的工件23)具有表面45，該表面45構(gòu)造成與工件摩擦接合，從而至少部分地形成攪拌摩擦焊接頭19。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，如圖19和24所示，表面45具有螺紋48。在另一實(shí)施例(未示出)中，表面45具有凸形結(jié)構(gòu)。在另一實(shí)施例中，表面45具有凹形結(jié)構(gòu)，與圖1B中所示的肩部16類似，以便捕獲塑化材料和并將該塑化材料固定在焊接接頭19中。在還一實(shí)施例中，表面45確定了一個(gè)或多個(gè)凸出部分或表面，例如螺紋48、凸塊或肋，該凸出部分或表面構(gòu)造成與工件23摩擦接合。在還一實(shí)施例中，表面45具有相對(duì)平直或平面形結(jié)構(gòu)。
在攪拌摩擦焊裝置20工作之前，攪拌摩擦焊工具22固定在心軸21上。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，銷26的第一端30首先安裝在心軸21的內(nèi)部部分21b上。例如，銷26的第一端30和心軸21的內(nèi)部部分21b可以包括配合螺紋，或者心軸的內(nèi)部部分21b可以包括普通夾盤或夾頭。然后，銷26的第二端31穿過由第一肩部24的本體29的第一端29a確定的孔32插入，從而使銷的第二端31通過孔32而在第一肩部的本體29的第二端29b處伸出。第一肩部24安裝在心軸21的外部部分21a上。例如，第一肩部24和心軸21的外部部分可以包括配合螺紋，或者心軸的外部部分21a可以包括普通夾盤或夾頭。然后，銷26的第二端32再插入由第二肩部25確定的孔42內(nèi)并固定在該孔42中。例如，銷26的第二端32和第二肩部25的孔42可以包括配合螺紋，或者銷的第二端32和第二肩部的孔42可以確定了相應(yīng)的凸形和凹形多邊形結(jié)構(gòu)。機(jī)械緊固件(未示出)例如普通開口銷或固定螺釘可以插入第二肩部25中，以便將銷26的第二端32固定在孔42內(nèi)。在另一實(shí)施例中，可以預(yù)先在工件23中機(jī)械加工成用于容納銷26的第二端32的孔(未示出)，這時(shí)，銷的第二端32穿過該孔插入，然后安裝在第二肩部25上。
當(dāng)攪拌摩擦焊工具22安裝在心軸21上時(shí)，就可以形成攪拌摩擦焊接頭19。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，心軸21的外部部分21a旋轉(zhuǎn)，從而使第一肩部24旋轉(zhuǎn)，心軸的內(nèi)部部分21b旋轉(zhuǎn)，從而使銷26和第二肩部26旋轉(zhuǎn)。優(yōu)選是，心軸21構(gòu)造成使外部部分21a和內(nèi)部部分21b的旋轉(zhuǎn)速度和方向(即“角速度”)可以彼此獨(dú)立變化。例如，使第一肩部24旋轉(zhuǎn)的心軸21的外部部分21a的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速與使第二肩部25旋轉(zhuǎn)的心軸21的內(nèi)部部分21b相同。也可選擇，使第一肩部24旋轉(zhuǎn)的心軸21的外部部分21a的旋轉(zhuǎn)方向和/或轉(zhuǎn)速與使第二肩部25旋轉(zhuǎn)的心軸21的內(nèi)部部分21b不同。
為了形成攪拌摩擦焊接頭19，旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊工具22運(yùn)動(dòng)進(jìn)入并與工件23接觸，這樣，第一和第二肩部24、25的旋轉(zhuǎn)表面35、45分別地與工件摩擦接合，以及銷26的攪拌部分37與工件摩擦接合。優(yōu)選是，旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊工具22沿預(yù)定路徑穿過工件運(yùn)動(dòng)，從而形成細(xì)長(zhǎng)焊接接頭。在攪拌摩擦焊過程中，工件23的、靠近銷26的部分“夾在”第一肩部24和第二肩部25之間。優(yōu)選是，由第一和第二肩部24、25的表面35、45施加的力擠壓銷26周圍的工件23，從而形成密封，這防止塑化材料被擠出。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例(未示出)，用于使攪拌摩擦焊工具22旋轉(zhuǎn)的設(shè)備或機(jī)器可以構(gòu)造成使第一肩部24(或第二肩部25)和銷26的組合、或者第一肩部24以及第二肩部25和銷26的組合能夠根據(jù)由第一肩部和/或第二肩部施加在工件23和焊接接頭19上的力量值變化而彼此相對(duì)旋轉(zhuǎn)和軸向移動(dòng)。例如，攪拌摩擦焊裝置20可以包括用于測(cè)量由第一肩部和/或第二肩部施加在工件23和焊接接頭19上的力量值的裝置。用于測(cè)量力量值的裝置可以包括在軟件控制下工作的計(jì)算機(jī)、微處理器、微控制器等，該計(jì)算機(jī)、微處理器、微控制器等與至少一個(gè)傳感器電連通。該傳感器可以包括位于工件23、第一肩部24和/或第二肩部25上的應(yīng)變儀測(cè)力計(jì)、壓電測(cè)力計(jì)、測(cè)力計(jì)、氣動(dòng)測(cè)力計(jì)或液壓測(cè)力計(jì)。
在工作過程中，來(lái)自該至少一個(gè)傳感器的測(cè)量值通過合適的電或光學(xué)布線而周期性地傳遞或發(fā)送給計(jì)算機(jī)、微處理器或微控制器。然后，該計(jì)算機(jī)、微處理器或微控制器將由傳感器測(cè)量的力量值與預(yù)定值比較。當(dāng)由傳感器發(fā)送的力量值與預(yù)定值不同時(shí)，計(jì)算機(jī)、微處理器或微控制器向用于使攪拌摩擦焊工具22旋轉(zhuǎn)的設(shè)備或機(jī)器發(fā)送信號(hào)，從而使該設(shè)備或機(jī)器改變由第一肩部24和第二肩部25施加在工件23和焊接接頭19上的力。該處理可以根據(jù)由傳感器傳遞給計(jì)算機(jī)、微處理器或微控制器的隨后測(cè)量值重復(fù)進(jìn)行，直到力量值等于或接近預(yù)定值。
如上所述，用于使攪拌摩擦焊工具22旋轉(zhuǎn)的設(shè)備或機(jī)器可以包括由ESAB制成的55UA線軸工具焊接機(jī)器，它包括心軸21，該心軸21具有外部部分21a，該外部部分21a用于使第一肩部24旋轉(zhuǎn)和軸向移動(dòng)；以及內(nèi)部部分21b，該內(nèi)部部分21b用于使銷26和第二肩部25旋轉(zhuǎn)和軸向移動(dòng)。該設(shè)備或機(jī)器可以人工操作，或者可以通過使用合適的電或光學(xué)布線(未示出)使該設(shè)備或機(jī)器與在軟件控制下工作的計(jì)算機(jī)、微處理器、微控制器等連接而自動(dòng)操作。
當(dāng)從傳感器發(fā)送來(lái)的力量值小于預(yù)定值時(shí)，計(jì)算機(jī)、微處理器或微控制器向用于使攪拌摩擦焊工具22旋轉(zhuǎn)的設(shè)備或機(jī)器發(fā)送信號(hào)，從而使該設(shè)備或機(jī)器增加由第一和第二肩部24、25施加在工件23和焊接接頭19上的力。例如，通過使心軸21的內(nèi)部部分21b沿離開第一肩部的本體29的第一端29a的方向軸向移動(dòng)來(lái)將銷26和第二肩部25壓向第一肩部24，從而可以增大作用在工件23和焊接接頭19上的力。也可選擇或者同時(shí)，通過使心軸21的外部部分21a沿朝著第二肩部的方向軸向移動(dòng)來(lái)將第一肩部24壓向第二肩部25，從而可以增大作用在工件23上的力。
當(dāng)由傳感器發(fā)送的力量值大于預(yù)定值時(shí)，計(jì)算機(jī)、微處理器或微控制器向用于使攪拌摩擦焊工具22旋轉(zhuǎn)的設(shè)備或機(jī)器發(fā)送信號(hào)，從而使該設(shè)備或機(jī)器減小由第一和第二肩部24、25施加在工件23和焊接接頭19上的力。例如，通過使心軸21的內(nèi)部部分21b沿朝著第一肩部的本體29的第一端29a的方向軸向移動(dòng)來(lái)迫使銷26和第二肩部25離開第一肩部24，從而可以減小作用在工件23和焊接接頭19上的力。也可選擇或者同時(shí)，通過使心軸21的外部部分21a沿離開第二肩部的方向軸向移動(dòng)來(lái)迫使第一肩部24離開第二肩部25，從而可以減小作用在工件23上的力。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中(未示出)，攪拌摩擦焊裝置20包括響應(yīng)測(cè)量裝置的裝置，用于使銷26相對(duì)于第一肩部24的第二端29b軸向移動(dòng)，以便使第二肩部25朝著或離開工件23而軸向移動(dòng)，從而改變由第一和第二肩部24、25施加在工件和焊接接頭19上的力。響應(yīng)測(cè)量裝置的裝置可以包括凸輪和從動(dòng)件、傳動(dòng)螺桿或者促動(dòng)器組件，例如一個(gè)或多個(gè)氣動(dòng)或液壓臂。例如，本發(fā)明的受讓人開發(fā)了用于控制攪拌摩擦焊探頭的位置的方法和裝置，如在本申請(qǐng)人擁有的美國(guó)專利申請(qǐng)No.09/087416所述，該美國(guó)專利申請(qǐng)No.09/087416的標(biāo)題是“用于在攪拌摩擦焊中控制向下力的方法和裝置(Method and Apparatus forControlling Downforce During Friction Stir Welding)”，申請(qǐng)日為1998年5月29日，該文獻(xiàn)的整個(gè)說(shuō)明書被本文參引。
根據(jù)本發(fā)明，連接或焊接的工件23可以由相同或不同金屬形成。優(yōu)選是，因?yàn)楣ぜ?3通過攪拌摩擦焊來(lái)連接，因此工件23可以由通過普通熔焊技術(shù)不能焊接或者不能經(jīng)濟(jì)連接的不同材料形成。不可焊接的材料在用普通熔焊技術(shù)連接時(shí)將產(chǎn)生相對(duì)較弱的焊接接頭，該焊接接頭將在焊接固化過程中產(chǎn)生裂紋。不可焊接的材料通常包括鋁和某些鋁合金，特別是AA系列2000和7000合金。使用攪拌摩擦焊使得由不能焊接的材料形成的工件23能夠牢固連接。攪拌摩擦焊也可以用于使可焊接材料與其它可焊接材料以及不可焊接材料進(jìn)行牢固連接。例如，一個(gè)或兩個(gè)工件23可以由鋁、鋁合金、鈦或鈦合金形成。因此，形成工件23的材料能夠從各種重量輕、高強(qiáng)度的金屬和合金中選擇，從而有助于減小所形成的結(jié)構(gòu)組件的總重量，這在航空航天業(yè)中非常重要。
參考圖35，圖中表示了搭接接頭56，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該搭接接頭56使用攪拌摩擦焊工具22形成。盡管攪拌摩擦焊工具22可以用于形成各種不同類型的焊接接頭(包括但不局限于對(duì)接接頭、邊緣接頭以及搭接接頭)，但是本發(fā)明特別有利于形成搭接接頭和邊緣接頭，該搭接接頭和邊緣接頭由具有不同固相線溫度的兩個(gè)或更多工件或結(jié)構(gòu)部件23a、23b形成。如圖35所示，第二結(jié)構(gòu)部件23b至少部分與第一結(jié)構(gòu)部件23a交疊，以便確定在它們之間的交界面57。搭接接頭56包括攪拌摩擦焊接頭58，該攪拌摩擦焊接頭58在交界面57處至少部分連接第一和第二結(jié)構(gòu)部件23a、23b。攪拌摩擦焊接頭58確定了第一和第二部分58a、58b。攪拌摩擦焊接頭58的第一部分58a由攪拌摩擦焊工具22以第一角速度攪拌，更具體地說(shuō)由具有第一角速度的第二肩部25的表面45攪拌，而攪拌摩擦焊接頭58的第二部分58b由攪拌摩擦焊工具22以第二角速度攪拌，更具體地說(shuō)由具有第二角速度的第一肩部24的表面35攪拌，從而在第一和第二部分58a、58b中形成不同精細(xì)度的晶粒結(jié)構(gòu)。這里使用的“角速度”包括速度分量和方向分量。對(duì)于遵循“右手定律”的運(yùn)動(dòng)(即逆時(shí)針方向運(yùn)動(dòng))，方向分量為正，對(duì)于沿相反方向的運(yùn)動(dòng)(即順時(shí)針方向運(yùn)動(dòng))，方向分量為負(fù)。
優(yōu)選是，因?yàn)楫?dāng)形成焊接接頭19時(shí)第一和第二肩部24、25的表面35、45可以以不同角速度旋轉(zhuǎn)，因此，用于構(gòu)成第一和第二結(jié)構(gòu)部件23a、23b的材料不僅可以包括不同材料，而且材料可以具有不同固相線溫度和不同硬度，所以可以用于構(gòu)成結(jié)構(gòu)組件的材料的范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。
參考圖36，圖中表示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例，使用攪拌摩擦焊裝置20對(duì)工件23進(jìn)行攪拌摩擦焊的操作。該方法包括將第一和第二肩部定位成鄰近工件。見方框60。該第一和第二肩部分別具有構(gòu)造成與工件摩擦接合的表面。使銷與第一和第二肩部連接，以便使銷在它們之間延伸。見方框61。該銷確定了攪拌部分，該攪拌部分構(gòu)造成與工件摩擦接合。然后，使第一肩部以第一角速度旋轉(zhuǎn)，并使銷和第二肩部以不同于第一角速度的第二角速度旋轉(zhuǎn)，從而使銷、第一肩部和第二肩部中的每個(gè)的至少一部分與工件摩擦接合，從而形成攪拌摩擦焊接頭。見方框68。銷的攪拌部分可以沿預(yù)定路徑通過工件運(yùn)動(dòng)。見方框72。
參考圖37，圖中表示了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例，使用攪拌摩擦焊裝置20對(duì)工件23進(jìn)行攪拌摩擦焊的操作。該方法包括將第一和第二肩部定位成鄰近工件。見方框80。該第一和第二肩部分別具有構(gòu)造成與工件摩擦接合的表面。使銷與第一和第二肩部連接，以便使銷在它們之間延伸。見方框81。該銷確定了攪拌部分，該攪拌部分構(gòu)造成與工件摩擦接合。使第一肩部旋轉(zhuǎn)。見方框88。在該第一旋轉(zhuǎn)步驟的同時(shí)，使銷和第二肩部獨(dú)立于第一肩部旋轉(zhuǎn)，從而使銷、第一肩部和第二肩部中的每個(gè)的至少一部分與工件摩擦接合，從而形成攪拌摩擦焊接頭。見方框89。例如，第一和第二旋轉(zhuǎn)步驟可以包括使第一和第二肩部以相同角速度旋轉(zhuǎn)。在另一實(shí)施例中，第一和第二旋轉(zhuǎn)步驟包括使第一肩部以第一角速度旋轉(zhuǎn)，并使銷和第二肩部以第二角速度旋轉(zhuǎn)，其中，該第二角速度與第一角速度不同。見方框90。這里使用的“角速度”包括速度分量和方向分量。對(duì)于遵循“右手定律”的運(yùn)動(dòng)(即逆時(shí)針方向運(yùn)動(dòng))，方向分量為正，對(duì)于沿相反方向的運(yùn)動(dòng)(即順時(shí)針方向運(yùn)動(dòng))，方向分量為負(fù)。銷的攪拌部分可以沿預(yù)定路徑通過工件運(yùn)動(dòng)。見方框94。
如圖36和37所示，使銷與第一和第二肩部連接的方法可以變化。在一個(gè)實(shí)施例中，連接步驟包括使銷的端部滑過第一肩部中的孔。見方框62和82。然后，連接步驟可以包括使銷的端部螺紋連接到由第二肩部確定的螺紋孔內(nèi)。見方框63和83。在另一實(shí)施例中，連接步驟包括在工件中鉆孔。見方框64和84。銷的端部滑過第一肩部中的孔。見方框65和85。使銷的端部通過工件中的孔插入，并與第二肩部連接。見方框66和86。然后，使銷的端部與第二肩部連接。見方框67和87。
如圖36和37中所示，第一和第二肩部的相對(duì)位置可以改變，以便調(diào)節(jié)由該肩部施加在工件上的力。見方框69和91。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，將銷壓向第一肩部，以便將第二肩部壓向第一肩部。見方框70和92。在另一實(shí)施例中，將第一肩部壓向第二肩部。見方框71和93。
因此，本發(fā)明提供了用于通過對(duì)較大工件或具有彎曲幾何形狀的工件進(jìn)行攪拌摩擦焊而形成焊接接頭的攪拌摩擦焊工具、裝置以及相應(yīng)的制造方法。該工具能夠在攪拌摩擦焊過程中有效支承焊接接頭，并將塑化材料限制在焊接接頭內(nèi)。該工具能夠很容易適應(yīng)變化的工件幾何形狀和尺寸。此外，該工具能夠?qū)哂胁煌牧咸匦缘墓ぜM(jìn)行攪拌摩擦焊。
本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)前面的說(shuō)明書和附圖中的教導(dǎo)內(nèi)容，可以提出本發(fā)明的多種變化形式和其它實(shí)施例。因此，應(yīng)當(dāng)知道，本發(fā)明并不局限于所述特定實(shí)施例，這些變化形式和其它實(shí)施例將包含在所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。盡管在本文中采用了專業(yè)術(shù)語(yǔ)，但是它們只是用于說(shuō)明目的，并不是為了限制。
權(quán)利要求
1.一種用于在工件中形成攪拌摩擦焊接頭的工具，包括可旋轉(zhuǎn)的銷，該銷具有第一端和第二端，并確定了在它們之間的攪拌部分，該攪拌部分構(gòu)造成與工件摩擦接合，以便至少部分地形成攪拌摩擦焊接頭；可旋轉(zhuǎn)的第一肩部，該第一肩部確定了穿過該第一肩部的孔，該孔構(gòu)造成可滑動(dòng)地接收所述銷的所述第一端；以及第二肩部，該第二肩部確定了孔，該孔構(gòu)造成接收所述銷的所述第二端，這樣，所述銷在所述第一和第二肩部之間延伸，所述第二肩部與所述銷可旋轉(zhuǎn)地連接，所述第一和第二肩部分別具有構(gòu)造成與工件摩擦接合的表面，從而至少部分地形成攪拌摩擦焊接頭，且所述第一肩部構(gòu)造成獨(dú)立于所述銷和所述第二肩部旋轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工具，其特征在于所述第一和第二肩部的所述表面的至少一個(gè)具有螺紋。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工具，其特征在于所述銷的所述攪拌部分確定了至少一個(gè)平表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工具，其特征在于所述銷的所述攪拌部分確定了至少一個(gè)螺紋表面和至少一個(gè)平表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工具，其特征在于所述銷的所述攪拌部分包括具有沿第一方向的螺紋的第一螺紋表面以及具有沿第二方向的螺紋的第二螺紋表面，其中，所述第一方向與所述第二方向不同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工具，其特征在于所述第二肩部確定了多個(gè)肋，用于從焊接接頭向外傳熱。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工具，其特征在于所述銷的所述第二端的至少一部分具有螺紋，且所述第二肩部的所述孔的至少一部分具有螺紋，以便能夠通過螺紋接收所述銷的所述第二端。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工具，其特征在于所述銷的所述第二端有多邊形結(jié)構(gòu)，且所述第二肩部的所述孔具有與所述銷的所述第二端的結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的多邊形結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工具，其特征在于所述第一和第二肩部構(gòu)造成在攪拌摩擦焊過程中相對(duì)支承工件。
10.一種用于在工件中形成攪拌摩擦焊接頭的工具，包括可旋轉(zhuǎn)的銷，該銷具有第一端和第二端，并確定了在它們之間的攪拌部分，該攪拌部分構(gòu)造成與工件摩擦接合，以便至少部分地形成攪拌摩擦焊接頭；可旋轉(zhuǎn)的第一肩部，該第一肩部確定了穿過該第一肩部的孔，該孔構(gòu)造成可滑動(dòng)地接收所述銷的所述第一端；以及第二肩部，該第二肩部確定了孔，該孔構(gòu)造成接收所述銷的所述第二端，這樣，所述銷在所述第一和第二肩部之間延伸，所述第二肩部與所述銷可旋轉(zhuǎn)地連接，所述第一和第二肩部中的至少一個(gè)具有確定了至少一個(gè)凸出部分的表面，該凸出部分構(gòu)造成與工件摩擦接合，以便至少部分地形成攪拌摩擦焊接頭，且所述第一和第二肩部構(gòu)造成在攪拌摩擦焊過程中相對(duì)支承工件。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的工具，其特征在于所述第一和第二肩部的所述表面的至少一個(gè)具有螺紋。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的工具，其特征在于所述銷的所述攪拌部分確定了至少一個(gè)平表面。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的工具，其特征在于所述銷的所述攪拌部分確定了至少一個(gè)螺紋表面和至少一個(gè)平表面。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的工具，其特征在于所述銷的所述攪拌部分包括具有沿第一方向的螺紋的第一螺紋表面以及具有沿第二方向的螺紋的第二螺紋表面，其中，所述第一方向與所述第二方向不同。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的工具，其特征在于所述第二肩部確定了多個(gè)肋，用于從焊接接頭向外傳熱。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的工具，其特征在于所述銷的所述第二端的至少一部分具有螺紋，且所述第二肩部的所述孔的至少一部分具有螺紋，以便能夠通過螺紋接收所述銷的所述第二端。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的工具，其特征在于所述銷的所述第二端具有多邊形結(jié)構(gòu)，且所述第二肩部的所述孔具有與所述銷的所述第二端的結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的多邊形結(jié)構(gòu)。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的工具，其特征在于所述第一肩部構(gòu)造成獨(dú)立于所述銷和所述第二銷旋轉(zhuǎn)。
19.一種用于在工件中形成攪拌摩擦焊接頭的工具，包括可旋轉(zhuǎn)的銷，該銷具有第一端和第二端，并確定了在它們之間的攪拌部分，該攪拌部分構(gòu)造成與工件摩擦接合，以便至少部分地形成攪拌摩擦焊接頭；可旋轉(zhuǎn)的第一肩部，該第一肩部確定了穿過該第一肩部的孔，該孔構(gòu)造成可滑動(dòng)地接收所述銷的所述第一端；以及第二肩部，該第二肩部確定了孔，該孔構(gòu)造成接收所述銷的所述第二端，這樣，所述銷在所述第一和第二肩部之間延伸，所述第二肩部與所述銷可旋轉(zhuǎn)地連接，且所述第二肩部確定了多個(gè)肋，用于從焊接接頭向外傳熱。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的工具，其特征在于所述第一和第二肩部分別具有構(gòu)造成與工件摩擦接合的表面，從而至少部分地形成攪拌摩擦焊接頭。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的工具，其特征在于所述第一和第二肩部的所述表面的至少一個(gè)具有螺紋。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的工具，其特征在于所述銷的所述攪拌部分確定了至少一個(gè)平表面。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的工具，其特征在于所述銷的所述攪拌部分確定了至少一個(gè)螺紋表面和至少一個(gè)平表面。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的工具，其特征在于所述銷的所述攪拌部分包括具有沿第一方向的螺紋的第一螺紋表面以及具有沿第二方向的螺紋的第二螺紋表面，其中，所述第一方向與所述第二方向不同。
25.根據(jù)權(quán)利要求19所述的工具，其特征在于所述銷的所述第二端的至少一部分具有螺紋，且所述第二肩部的所述孔的至少一部分具有螺紋，以便能夠通過螺紋接收所述銷的所述第二端。
26.根據(jù)權(quán)利要求19所述的工具，其特征在于所述銷的所述第二端具有多邊形結(jié)構(gòu)，且所述第二肩部的所述孔具有與所述銷的所述第二端的結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的多邊形結(jié)構(gòu)。
27.根據(jù)權(quán)利要求19所述的工具，其特征在于所述第一和第二肩部構(gòu)造成在攪拌摩擦焊過程中相對(duì)支承工件。
28.根據(jù)權(quán)利要求19所述的工具，其特征在于所述第一肩部構(gòu)造成獨(dú)立于所述銷和所述第二銷旋轉(zhuǎn)。
29.一種用于在工件中形成攪拌摩擦焊接頭的裝置，包括具有心軸的機(jī)器，該心軸確定了可旋轉(zhuǎn)的內(nèi)部部分和可旋轉(zhuǎn)的外部部分；以及攪拌摩擦焊工具，它包括銷，該銷具有第一端和第二端，并確定了在它們之間的攪拌部分，該攪拌部分構(gòu)造成與工件摩擦接合，以便至少部分地形成攪拌摩擦焊接頭，所述銷的所述第一端與所述心軸的所述內(nèi)部部分可旋轉(zhuǎn)地連接；第一肩部，該第一肩部確定了穿過該第一肩部的孔，該孔構(gòu)造成可滑動(dòng)地接收所述銷的所述第一端，所述第一肩部與所述心軸的所述外部部分可旋轉(zhuǎn)地連接；以及第二肩部，該第二肩部確定了孔，該孔構(gòu)造成接收所述銷的所述第二端，這樣，所述銷在所述第一和第二肩部之間延伸，所述第二肩部與所述銷可旋轉(zhuǎn)地連接，且所述第一肩部構(gòu)造成獨(dú)立于所述銷和所述第二肩部旋轉(zhuǎn)。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的工具，其特征在于所述第一和第二肩部分別具有構(gòu)造成與工件摩擦接合的表面，從而至少部分地形成攪拌摩擦焊接頭。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的工具，其特征在于所述第一和第二肩部的所述表面的至少一個(gè)具有螺紋。
32.根據(jù)權(quán)利要求29所述的工具，其特征在于所述銷的所述攪拌部分確定了至少一個(gè)平表面。
33.根據(jù)權(quán)利要求29所述的工具，其特征在于所述銷的所述攪拌部分確定了至少一個(gè)螺紋表面和至少一個(gè)平表面。
34.根據(jù)權(quán)利要求29所述的工具，其特征在于所述銷的所述攪拌部分包括具有沿第一方向的螺紋的第一螺紋表面以及具有沿第二方向的螺紋的第二螺紋表面，其中，所述第一方向與所述第二方向不同。
35.根據(jù)權(quán)利要求29所述的工具，其特征在于所述第二肩部確定了多個(gè)肋，用于從焊接接頭向外傳熱。
36.根據(jù)權(quán)利要求29所述的工具，其特征在于所述銷的所述第二端的至少一部分具有螺紋，且所述第二肩部的所述孔的至少一部分具有螺紋，以便能夠通過螺紋接收所述銷的所述第二端。
37.根據(jù)權(quán)利要求29所述的工具，其特征在于所述銷的所述第二端具有多邊形結(jié)構(gòu)，且所述第二肩部的所述孔具有與所述銷的所述第二端的結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的多邊形結(jié)構(gòu)。
38.根據(jù)權(quán)利要求29所述的工具，其特征在于所述第一和第二肩部構(gòu)造成在攪拌摩擦焊過程中相對(duì)支承工件。
39.一種對(duì)工件進(jìn)行攪拌摩擦焊的方法，包括將第一和第二肩部定位成鄰近工件，每個(gè)第一和第二肩部分別具有構(gòu)造成與工件摩擦接合的表面；使銷與第一和第二肩部連接，以便使銷在它們之間延伸，該銷確定了攪拌部分，該攪拌部分構(gòu)造成與工件摩擦接合；以及然后以第一角速度旋轉(zhuǎn)所述第一肩部，并以不同于第一角速度的第二角速度旋轉(zhuǎn)所述銷和第二肩部，從而使銷、第一肩部和第二肩部中的每個(gè)的至少一部分與工件摩擦接合，從而形成攪拌摩擦焊接頭。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其特征在于所述連接步驟包括使銷的端部滑過第一肩部中的孔。
41.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其特征在于所述連接步驟包括使銷的端部螺紋連接到由第二肩部確定的螺紋孔內(nèi)。
42.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中，所述連接步驟包括在工件中鉆孔；使銷的端部滑過第一肩部中的孔；使銷的端部通過工件中的孔插入；以及使銷的端部與第二肩部連接。
43.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，還包括使銷的攪拌部分沿預(yù)定路徑通過工件運(yùn)動(dòng)。
44.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，還包括將銷壓向第一肩部，以便將第二肩部壓向第一肩部。
45.一種對(duì)工件進(jìn)行攪拌摩擦焊的方法，包括將第一和第二肩部定位成鄰近工件，每個(gè)第一和第二肩部分別具有構(gòu)造成與工件摩擦接合的表面；使第一肩部旋轉(zhuǎn)；以及在所述第一旋轉(zhuǎn)步驟的同時(shí)，使銷和第二肩部獨(dú)立于第一肩部旋轉(zhuǎn)，從而使銷、第一肩部和第二肩部中的每個(gè)的至少一部分與工件摩擦接合，從而形成攪拌摩擦焊接頭。
46.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其特征在于所述連接步驟包括使銷的端部滑過第一肩部中的孔。
47.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其特征在于所述連接步驟包括使銷的端部螺紋連接到由第二肩部確定的螺紋孔內(nèi)。
48.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中，所述連接步驟包括在工件中鉆孔；使銷的端部滑過第一肩部中的孔；使銷的端部通過工件中的孔插入；以及使銷的端部與第二肩部連接。
49.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，還包括使銷的攪拌部分沿預(yù)定路徑通過工件運(yùn)動(dòng)。
50.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，還包括將銷壓向第一肩部，以便將第二肩部壓向第一肩部。
51.根據(jù)權(quán)利要求60所述的方法，其特征在于所述第一和第二旋轉(zhuǎn)步驟包括以第一角速度旋轉(zhuǎn)所述第一肩部，并以第二角速度旋轉(zhuǎn)所述銷和第二肩部，其中，所述第二角速度與第一角速度不同。
52.一種由旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊工具形成的攪拌摩擦焊搭接接頭，包括第一結(jié)構(gòu)部件；第二結(jié)構(gòu)部件，所述第二結(jié)構(gòu)部件至少部分與所述第一結(jié)構(gòu)部件交疊，以便確定在它們之間的交界面；以及攪拌摩擦焊接頭，該攪拌摩擦焊接頭在所述交界面處至少部分連接所述第一和第二結(jié)構(gòu)部件，所述攪拌摩擦焊接頭確定了第一和第二部分，所述第一部分通過攪拌摩擦焊工具以第一角速度攪拌，而所述第二部分由攪拌摩擦焊工具以第二角速度攪拌，從而在第一和第二部分中形成不同精細(xì)度的晶粒結(jié)構(gòu)。
53.根據(jù)權(quán)利要求52所述的攪拌摩擦焊搭接接頭，其特征在于所述第一和第二結(jié)構(gòu)部件包括不同材料。
54.根據(jù)權(quán)利要求52所述的攪拌摩擦焊搭接接頭，其特征在于所述第一和第二結(jié)構(gòu)部件具有不同的熔化溫度。
55.根據(jù)權(quán)利要求52所述的攪拌摩擦焊搭接接頭，其特征在于所述第一和第二結(jié)構(gòu)部件具有不同硬度。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于在工件中形成攪拌摩擦焊接頭的工具。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，該工具包括可旋轉(zhuǎn)的銷，該銷具有第一端和第二端，并確定了在它們之間的攪拌部分，該攪拌部分構(gòu)造成與工件摩擦接合，以便至少部分地形成攪拌摩擦焊接頭。該工具包括可旋轉(zhuǎn)的第一肩部，該第一肩部確定了穿過該第一肩部的孔，該孔構(gòu)造成可滑動(dòng)地接收銷的第一端。該工具還包括第二肩部，該第二肩部確定了孔，該孔構(gòu)造成接收銷的第二端，這樣，該銷在第一和第二肩部之間延伸，且第二肩部與該銷可旋轉(zhuǎn)地連接。該第一肩部構(gòu)造成獨(dú)立于銷和第二肩部旋轉(zhuǎn)。
文檔編號(hào)B23K103/14GK1568241SQ03801276
公開日2005年1月19日 申請(qǐng)日期2003年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月29日
發(fā)明者道格拉斯·J·沃爾德倫, 雷蒙德·米爾葉克塔, 基思·R·麥克特南 申請(qǐng)人:波音公司