專利名稱：摩擦攪拌點焊工具和方法
技術領域：
本發(fā)明總體涉及摩擦攪拌點焊的工具和方法，本發(fā)明更具體地涉及一 種用于摩擦攪拌點焊的摩擦攪拌點焊工具和方法。
背景技術：
摩擦攪拌焊(FSW)是一種使用非自耗(non-consumable)旋轉(zhuǎn)工具 的固態(tài)焊接工藝。典型的FSW工具包括圓柱形"臺肩(shoulder)"和從臺 肩發(fā)出的稱為"針(pin)"的另一圓柱形區(qū)。此工藝通過將旋轉(zhuǎn)工具插入 到將被接合的工件開始直到臺肩與工件的表面完全接觸。然后將工具保持 數(shù)秒鐘，在該數(shù)秒鐘內(nèi)，通過摩擦和塑性變形的耗散來加熱在工具周圍的 材料。這之后，工具沿指定路徑移動(traverse)。通過移置在針的周圍的 熱材料，從而消除接合工件的交接面而形成焊接。 一旦完成期望的焊接行 程，工具停止移動，并收回工具。這被稱為線FSW并被認為是一種穩(wěn)態(tài)工 藝，在這種穩(wěn)態(tài)工藝中工具達到穩(wěn)態(tài)溫度如，平接FSW，搭接FSW。
與摩擦攪拌線焊接相反，摩擦攪拌點焊(FSSW)是一種瞬態(tài)工藝， 其中執(zhí)行點焊所需的時間如此短，以至于工具沒有達到穩(wěn)態(tài)溫度。FSSW 通過在兩個重疊的金屬板之間形成冶金結(jié)合而固定兩個板。點焊的強度明 顯取決于結(jié)合面積。因此，摩擦攪拌點焊的關鍵方面是工具的幾何結(jié)構(gòu)和 焊接工藝參數(shù)。
對于金屬材料來說，薄氧化膜時常出現(xiàn)在材料的表面上。在焊接期間， 由于工具穿透到底部板內(nèi)，工件交接面向上彎曲，因而形成了 "鉤形物" 行(破碎的表面氧化物的陣列)。在鉤形物的端部處，氧化物顆粒被分散， 從而導致重疊的板的部分冶金結(jié)合。鉤形物的幾何結(jié)構(gòu)與工具穿透被接合 的兩個板的交接面的體積有關。氧化物在焊接帶內(nèi)的出現(xiàn)降低了結(jié)合區(qū)的 整體性，因此當焊接受到外部載荷時由于沿鉤形物行產(chǎn)生失效(裂紋擴展) 而顯著地降低了焊接強度。以下參照圖5，示出了使用具有圓柱形針的傳統(tǒng)的摩擦攪拌點焊工具
的點焊的橫截面放大圖。點焊用于將頂部金屬板20固定到底部金屬板22。 頂部金屬板20包括在其底部的薄金屬氧化物層26，類似地，底部金屬板22 包括在其頂部的薄金屬氧化物層24。
在使用具有圓柱形針的工具的傳統(tǒng)的摩擦攪拌點焊操作中，圓柱形針 插入兩個板的交界面，以使得針形成在兩個板20和22之間延伸的鎖眼28。 在將圓柱形針插入工件交界面期間，垂直鉤形物行32開始形成并繼續(xù)上升 直到針達到其預定插入深度。然而，由于圓柱形針的軸對稱的幾何結(jié)構(gòu)， 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種垂直鉤形物不能通過進一步旋轉(zhuǎn)工具而被破壞(分散)。此 外，當臺肩插入到頂板的表面內(nèi)時，鉤形物僅在徑向方向上向外移動。因 此，使用圓柱形針，鉤形物32總是出現(xiàn)在攪拌帶，這就使得當使用傳統(tǒng)的 圓形針工具時，板20和22之間的焊接的整體性降低。
使用具有圓柱形針的傳統(tǒng)的摩擦攪拌焊接工具，鉤形物的高度h。相對 較大，使得頂板20的有效厚度t。，即，鉤形物32的頂部與頂板20的上表面 之間的厚度相對較小。當焊接樣品受到外部載荷時(如，當測試焊接的強 度時)，因為由頂板提供的對外部載荷的抵抗非常小，所以焊接失效將沿 著鉤形物行產(chǎn)生然后通過頂板。這主要是由于頂板20的有效厚度t。僅具有 提供對外部載荷的抵抗的幾何特征，并且由于t。非常薄，很容易想到利用 圓柱形針完成的焊接強度將非常低。這就是為什么需要開發(fā)一種幾何結(jié)構(gòu) 更好的工具，其中使鉤形物的高度最小化并增加頂板的有效厚度從而提高 接合強度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種摩擦攪拌點焊工具和使用此點焊工具的方法，其克 服了現(xiàn)有已知工具和方法的上述缺點(如在攪拌帶內(nèi)出現(xiàn)連續(xù)氧化物層和 高度較大的鉤形物)。
與現(xiàn)有已知的摩擦攪拌點焊工具相似，本發(fā)明的點焯工具包括桿軸 (shank)，所述桿軸具有旋轉(zhuǎn)軸線，普通的回轉(zhuǎn)驅(qū)動機械繞其軸線可旋轉(zhuǎn) 地驅(qū)動所述桿軸。鄰近桿軸的一個邊的臺肩的橫截面形狀基本上為圓形， 并且在摩擦攪拌點焊操作期間，臺肩在工件內(nèi)插入到預定深度。針從臺肩軸向向外延伸，以便在摩擦攪拌點焊操作期間針插入到工件 內(nèi)(通過整個頂板，并部分進入第二板)。然而，與現(xiàn)有已知的工具不同， 針的橫截面形狀基本上為三角形，而不是圓形。這樣，在針連續(xù)插入并從 而經(jīng)過將被接合的兩個板的交界面期間，三角形針在上下金屬板之間提供 了增強的金屬混合。此外，當與利用傳統(tǒng)的圓柱形針工具形成的鉤形物相 比較，在工具穿透期間形成的鉤形物(利用三角形針形成的鉤形物)更靠 近鎖孔。這是因為在三角形針和圓柱形針的內(nèi)切圓直徑相同，并且插入深 度相同的情況下，三角形針的體積小于圓柱形針的體積。這兩個有益的因 素使得當與傳統(tǒng)的圓柱形針相比時，三角形針工具在分散攪拌帶內(nèi)的鉤形 物方面更有效，從而產(chǎn)生了無缺陷的冶金焊接和高度相對較低的鉤形物。 因此這就使頂板的有效厚度增加。這又增加了點焊的強度，并抑制了在剝 落、剪切或其它模式的斷裂中點焊的過早失效。


參照詳細說明并結(jié)合附圖能更好地理解本發(fā)明，其中，在整個附圖中 相同的部件使用相同的附圖標記，其中
圖l是示出了本發(fā)明的操作的圖解視圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的摩擦攪拌點焊工具的優(yōu)選實施例的正視
圖3是工具的軸向俯視圖4是基本上沿圖2中的線4-4并為了清楚起見而被放大的剖視圖； 圖5是示出了按照現(xiàn)有技術的摩擦攪拌點焊操作的焊接的現(xiàn)有技術的
放大的部分剖視圖6是類似于圖5的視圖，但是說明了使用本發(fā)明的摩擦攪拌焊接工具
的點焊；
圖7是工具的變型的正視圖；以及 圖8A-8E是示出了對本發(fā)明的變型的端視圖。
具體實施例方式
首先參照圖l，示出了用于在兩個金屬板40和42之間執(zhí)行點焊的摩擦
6攪拌點焊操作的圖解視圖。這些金屬板40和42通常由諸如鋁、鎂、鋼和類 似物的金屬材料制成，并以防止運動的某一方式，如通過夾緊板40和42， 而支撐在支撐件44上。
根據(jù)本發(fā)明的摩擦攪拌點焊工具50包括其橫截面基本上為圓形的細 長桿軸60。桿軸60由任何普通裝置，如卡盤或工具保持器52安裝到回轉(zhuǎn)驅(qū) 動機械54。當一啟動回轉(zhuǎn)驅(qū)動機械54時，回轉(zhuǎn)驅(qū)動機械54就繞其縱向軸線 56旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動工具50。此外，工具50的旋轉(zhuǎn)軸線56基本上垂直于金屬頂板 40的頂表面58。
在回轉(zhuǎn)驅(qū)動機械54以如2000rpm的高旋轉(zhuǎn)速度可旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動工具50的 情況下，工具50插入到金屬板40和42內(nèi)。工具50連續(xù)旋轉(zhuǎn)較短的一段時間， 如5秒鐘，然后在板40和42之間執(zhí)行點焊，然后從工件或金屬板40和42收 回工具50。
如圖2-4中最清楚地所示，直徑為d的圓形臺肩64與工具的軸線56軸向 對齊，并從與桿軸60相對的端部70向外凸起。如圖4中最清楚地所示，臺 肩64包括半徑范圍為0.03d-0.05d的外圓角66。凹度基本上在5-12度的范圍 內(nèi)的凹面70形成于臺肩64軸向向外延伸的表面上。
雖然臺肩64的形狀被示為圓形，但是可以使用其它形狀而同樣不脫離 本發(fā)明的精神或保護范圍。例如，臺肩64的形狀可以是正方形、多邊形或 橢圓形。
仍舊參照圖2-4，當沿著工具50的軸線56在平面中看時，具有基本上 為三角形形狀的針72從與工具軸線56同軸的臺肩64向外凸起。針優(yōu)選地具 有三個被截去尖端或截平的頂點74，其中每一個被截平頂點的長度在 0.07d-0.1d的范圍內(nèi)。在多個摩擦攪拌點焊操作之后，被截平頂點74將有利 地減少工具50的工具磨損量；這是因為在沒有被截邊的情況下，當連續(xù)進 行點焊操作時，尖銳的邊將更容易磨損。此外，三個頂點上的磨損量可以 相等，可以不相等，這產(chǎn)生了這樣的工具，其在焊接之后當與其開始相比 具有不同的幾何結(jié)構(gòu)。幾何結(jié)構(gòu)的這種改變可能產(chǎn)生不期望的結(jié)果。使用 被截平頂點減小了這種問題，并且顯著地減小了工具磨損。
針72的總高度hp，即，圓角66與針72的自由端76之間的距離將取決于 將被固定到一起的兩個工件或板的高度而變化。然而，選擇針72的高度，
7使得在摩擦攪拌點焊操作期間針72的自由端76延伸到下板內(nèi)。
以下具體地參照圖3，示出圍繞針72的虛內(nèi)切圓78。包圍針72的虛圓 78的直徑在0.4d-0.5d的范圍內(nèi)，以便最優(yōu)化摩擦攪拌點焊工具的性能。
以下具體地參照圖4，為了最小化工具上的磨損和損耗，并增加工具 壽命，沿在針72的最外面的每一個邊緣或自由端處設置圓角80。類似地， 另一個圓角82也設置為在針72與臺肩64交叉處以整個地圍繞針72。每一個 圓角80和82的直徑的范圍為0.01d-0.02d。
雖然針72的形狀優(yōu)選地為具有被截平頂點的三角形，但是可以可選地 使用其它非圓形針形狀。例如，針可以是如圖8A中所述的具有被截角的正 方形，如圖8B中所示的A (delta)形，如圖8C中所示的入(lambda)形，如 圖8D中所示的彎曲槳葉形，或者如圖8E中所示的具有被截角的矩形。
針72、臺肩64和桿軸60為一體式結(jié)構(gòu)。此外，摩擦攪拌點焊工具50 由硬材料制成，該硬材料比在點焊操作期間被接合的材料硬。
以下參照圖l，在摩擦攪拌點焊操作期間，工具50安裝在工具保持器 52內(nèi)，并由回轉(zhuǎn)驅(qū)動機械54可旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動。當自旋時，工具50插入到板40 和42內(nèi)，以使得針72插入到板或工件40和42內(nèi)，并且自旋較短的一段時間， 如，5秒鐘。然后從工件40和42收回工具50。
以下參照圖6，示出了由工具50形成的點焊的示例性橫截面。實際上， 當與現(xiàn)有技術的具有圓形針的摩擦攪拌焊接工具相比較，針72的三角形形 狀在攪拌點焊操作期間增加板40和42的金屬的整個攪動。由于三角形針工 具的非對稱旋轉(zhuǎn)，當針插入到工件內(nèi)并且鉤形物的向上運動開始形成時， 鉤形物(氧化物層)被破壞，即，被分散到攪拌帶內(nèi)。這發(fā)生是因為當三 角形針旋轉(zhuǎn)時，由于由三角形針的面產(chǎn)生的劃拌作用，靠近針的正面的材 料總是被來回推動。此外，因為鉤形物靠近鎖眼，在此區(qū)域內(nèi)的材料被"激 烈地"混合(攪拌)，從而分散了所出現(xiàn)的任何連續(xù)行的氧化物。這樣的 結(jié)果是消除了由于工具的插入而形成的任何尖銳的鉤形物，并且又減小了 整個鉤形物高ht，增加進行點焊的頂板40的有效厚度tt。因為頂板40的有效 厚度tt被增加，所以在點焊操作之后，當受到外部載荷時，由兩個板40和 42形成的組件更具有抵抗性。
以下參照圖7，示出了混合摩擦攪拌焊接工具IOO，其中，直徑小于虛直徑78的圓形針102從針72向外延伸。圓形針102優(yōu)選是帶螺紋的。在針上具有螺紋的主要優(yōu)點是其增強了工件之間的材料混合(尤其是沿著厚度的方向)。當焊接厚(如厚度大于5mm)工件時，使用螺紋圓形針的優(yōu)點更明顯。因為在三角形針上難于加工螺紋，所以提出了混合針，其中在摩擦攪拌點焊的形成，尤其對于厚工件時，外部帶有螺紋的圓形針102的優(yōu)點，與三角形針72的優(yōu)點一起，都可以得到實現(xiàn)。
在不脫離本發(fā)明的精神和保護范圍的情況下可以做更進一步的修改。例如，諸如螺紋或槽的附加特征可以在針的側(cè)面上加工，以在點焊期間進一步增強金屬的混合。類似地，工具的非對稱旋轉(zhuǎn)也可以在點焊操作期間產(chǎn)生更好的金屬混合。
從上文中可以看到本發(fā)明提供了一種簡單而又有效的摩擦攪拌點焊工具，和摩擦攪拌點焊的方法，該摩擦攪拌點焊工具比現(xiàn)有己知的工具具有明顯的優(yōu)點。然而，雖然已經(jīng)說明了本發(fā)明，但是對本發(fā)明的許多修改對本發(fā)明所屬領域的技術人員是顯而易見的，這些修改沒有脫離由所附權利要求的保護范圍限定的本發(fā)明的精神。
權利要求
1. 一種摩擦攪拌點焊工具，包括具有旋轉(zhuǎn)軸線的桿軸，鄰近所述桿軸的一端的臺肩，針，其具有從所述臺肩軸向向外凸起的非圓形橫截面形狀。
2. 如權利要求l中所述的工具，其中所述針基本上為三角形形狀。
3. 如權利要求2中所述的工具，其中所述針的每一個頂點被截平。
4. 如權利要求2中所述的工具，其中所述臺肩的橫截面形狀為圓形， 并且直徑為d，其中每一個被截平頂點的長度在0.07d-0.10d的范圍內(nèi)。
5. 如權利要求2中所述的工具，其中所述臺肩具有軸向向外面對的凹面。
6. 如權利要求5中所述的工具，其中所述凹面具有基本上在5-12度的 范圍內(nèi)的凹度。
7. 如權利要求2中所述的工具，其中所述針包括在所述針的自由端處 沿每一側(cè)的圓角。
8. 如權利要求7中所述的工具，其中所述臺肩的橫截面形狀為圓形， 并且直徑為d，其中每一個圓角的半徑在0.01d-0.02d的范圍內(nèi)。
9. 如權利要求2所述的工具，其中在所述臺肩的自由端處的所述臺肩 的外邊緣包括圓角。
10. 如權利要求9所述的工具，其中所述臺肩的橫截面形狀為圓形， 并且直徑為d，其中所述圓角的半徑在0.03d-0.05d的范圍內(nèi)。
11. 如權利要求2所述的工具，其中所述針包括在所述臺肩和所述針 的交叉處沿每一側(cè)的圓角。
12. 如權利要求ll所述的工具，其中所述臺肩的橫截面形狀為圓形， 并且直徑為d，其中每一個圓角的半徑在0.01d-0.02d的范圍內(nèi)。
13. 如權利要求2所述的工具，包括連接到所述基本上為三角形形狀 的針并從所述基本上為三角形形狀的針同軸地向外延伸的圓形針。
14. 如權利要求13所述的工具，其中所述針是外螺紋的。
15. 如權利要求2所述的工具，其中所述臺肩的橫截面形狀為圓形，其中在所述針內(nèi)的虛圓的直徑在0.4d-0.5d的范圍內(nèi)。
16. —種在工件中進行點焊的方法，包括以下步驟繞旋轉(zhuǎn)軸線可旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動工具，所述工具具有桿軸，鄰近所述桿軸的 一端的臺肩，和針，其中所述桿軸具有與所述旋轉(zhuǎn)軸線對齊的軸線，所述 臺肩的橫截面形狀為圓形，并且所述針具有從所述臺肩軸向向外凸起的非 圓形橫截面形狀，將工具插入工件內(nèi)，以使得所述針穿透工件。
17. 如權利要求16所述的方法，其中所述針基本上為三角形形狀。
18. 如權利要求17所述的方法，其中所述針的每一個頂點被截平。
19. 如權利要求17所述的方法，其中所述臺肩的橫截面形狀為圓形， 并且直徑為d，其中每一個被截平頂點的長度在0.07d-0.10d的范圍內(nèi)。
20. 如權利要求17中所述的方法，其中所述臺肩具有軸向向外面對的 凹面。
21. 如權利要求20中所述的方法，其中所述凹面具有基本上在5-12度 的范圍內(nèi)的凹度。
22. 如權利要求17中所述的方法，其中所述針包括在所述針的自由端 處沿每一側(cè)的圓角。
23. 如權利要求22中所述的方法，其中所述臺肩的橫截面形狀為圓形， 并且直徑為d，其中每一個圓角的半徑在0.01d-0.02d的范圍內(nèi)。
24. 如權利要求17中所述的方法，其中在所述臺肩的自由端處的所述 臺肩的外邊緣包括圓角。
25. 如權利要求24中所述的方法，其中所述臺肩的橫截面形狀為圓形， 并且直徑為d，其中所述圓角的半徑在0.03d-0.05d的范圍內(nèi)。
26. 如權利要求17中所述的方法，其中所述針包括在所述臺肩和所述 針的交叉處沿每一側(cè)的圓角。
27. 如權利要求26中所述的方法，其中所述臺肩的橫截面形狀為圓形， 并且直徑為d，其中每一個圓角的半徑在0.01d-0.02d的范圍內(nèi)。
28. 如權利要求17中所述的方法，其中所述臺肩的橫截面形狀為圓形， 其中在所述針內(nèi)的虛圓的直徑在0.4d-0.5d的范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有可旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動桿軸的摩擦攪拌點焊工具。鄰近桿軸的一端的臺肩基本上為具有凹輪廓的圓形形狀，而橫截面形狀基本上為三角形的針從臺肩軸向向外凸起。為了進行點焊操作，桿軸被可旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動，并且臺肩插入到工件內(nèi)，以使得針穿透過工件交界面到預定深度以進行點焊。當與傳統(tǒng)的針形工具相比，所提出的三角形針工具顯著地增加焊接強度，其原因如下(1)其抑制在攪拌帶內(nèi)形成垂直鉤形物(當針插入到工件界面內(nèi)時防止鉤形物向上上升)，和(2)由于三角形針的非對稱旋轉(zhuǎn)圖案，其增強了在工具針周圍的材料的混合，并且在攪拌帶內(nèi)分散了(使其不連續(xù))氧化物層。
文檔編號B23K20/12GK101480755SQ20081018192
公開日2009年7月15日 申請日期2008年11月28日 優(yōu)先權日2007年11月30日
發(fā)明者哈沙·巴德里納瑞因, 弗蘭克·亨特, 旗 揚 申請人:株式會社日立制作所