CN102728947B - 搅拌摩擦焊装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及搅拌摩擦焊装置，包括：搅拌头，能够以旋转的方式被驱动，搅拌头包括：驱动端和自由端，驱动端和自由端之间存在圆柱形的接合部；第一轴肩元件，设置在接合部的面向驱动端的一侧，并相对于旋转轴同心围绕搅拌头，第一轴肩元件包括第一支承面，第一支承面面向接合部并且与旋转轴垂直地延展；第二轴肩元件，设置在接合部的面向自由端的一侧并相对于旋转轴同心围绕于搅拌头，第二轴肩元件包括第二支承面，第二支承面面向接合部并且与旋转轴垂直地延展。本发明的目的在于提供一种搅拌摩擦焊装置，通过将第二轴肩元件以绕旋转轴自由旋转的方式连接到搅拌头，降低了搅拌头的机械负荷和热负荷以及工件的热负荷。

Description

搅拌摩擦焊装置

技术领域

本发明涉及一种搅拌摩擦焊装置，搅拌头，能够以绕旋转轴旋转的方式被驱动，包括驱动端和自由端，其中，在所述驱动端和所述自由端之间存在圆柱形的接合部，所述接合部沿所述旋转轴轴向地延伸，所述接合部的圆周表面用来与一个或多个工件接合；第一轴肩元件，设置在所述接合部的面向所述驱动端的一侧并相对于所述旋转轴同心围绕于所述搅拌头，所述第一轴肩元件包括第一支承面，所述第一支承面面向所述接合部并且与所述旋转轴垂直地延展，以及第二轴肩元件，设置在所述接合部的面向所述自由端的一侧并相对于所述旋转轴同心围绕于所述搅拌头，所述第二轴肩元件包括第二支承面，所述第二支承面面向所述接合部并且与所述旋转轴垂直地延展，其中所述第二支承面延伸至所述接合部，且其中所述第一轴肩元件用来抵靠一个或多个工件的第一表面，所述第二轴肩元件用来抵靠所述一个或多个工件的与第一表面相对的第二表面。

背景技术

摩擦焊接的原理涉及通过不同工件间或工件与焊头(tool)的摩擦使得一个或多个工件的材料先被塑化而后再被固化。在搅拌摩擦焊中，待焊接的两个工件(一般为金属材质)先彼此抵靠放置。这可能表示，如，两个金属板(plates)或金属片(sheets)表面对表面(搭接)地放置，或者以窄侧面彼此相靠(对接)的方式彼此相邻地设置。如此一来，搅拌摩擦焊工具在接触面区域中伸入(例如通过焊孔或从边缘)到两个工件至少之一的材料中。

搅拌摩擦过程是由焊头的旋转所带来的，所述焊头与至少一个工件摩擦，并使得两个工件至少之一的材料塑化。在此同时，搅拌摩擦焊头可选地沿两个工件的界面移动。随后，两个工件界面处的被塑化材料冷却，形成保持两个工件连接的焊缝。

已知的现有技术存在许多种搅拌摩擦焊设备，例如WO 2006/055530。所有这些设备的共同点为，大致为圆柱形或锥形的搅拌头具有与至少一个工件接合的接合部分，搅拌头还具有抵靠在所述至少一个工件的表面上的轴肩元件。搅拌头与轴肩元件受到旋转模式的驱动，搅拌头伸入工件间(如待焊接的两个彼此正对放置的工件之间)使轴肩元件抵靠该工件的表面。

搅拌头以及轴肩元件对工件的摩擦，引起工件间毗连区域中材料的塑化。随着装置沿着两个工件的接触面做向前运动，当沿运动方向看起来时，由旋转的搅拌头引起塑化的材料被转移至搅拌头的后沿，此被塑化的材料与另一个工件的被塑化的材料结合，形成焊缝。

为使搅拌摩擦焊头能够在工件的两个表面上得到支撑且将工件彼此对准，可使用带有第一和第二轴肩元件(以管筒工具被熟知)的搅拌摩擦焊装置，其中第一和第二轴肩元件抵靠(一个或更多个)工件的对立表面。此种装置是已知的，例如见JP2008/296285或EP 1738856B1。

但是，具有管筒结构的搅拌摩擦焊装置的问题在于，为了在向两个轴肩元件传递扭矩的同时与至少一个工件的待塑化区域摩擦，搅拌头必须吸收非常高的机械负荷和热负荷。因此，为了不损坏装置，搅拌头可接受的向前运动速度受限于工件，这样就使得整个焊接过程的持续时间增加。但是，受限的速度必定来自于机械方面，搅拌头的向前运动导致在工件塑化区域以及搅拌头区域过高的过程温度，这样可能一方面不利于焊接接头的质量，另一方面会损坏搅拌头本身。

此外，当使用筒管配置时，该搅拌摩擦焊头的处理速度相比于常规搅拌摩擦焊头低很多。由于这些原因，迄今为止，在搅拌摩擦焊中使用管筒配置只是次要的。

发明内容

因此，在现有技术的基础上，本发明的目的在于提供一种搅拌摩擦焊装置，所述搅拌摩擦焊装置能够降低搅拌头的机械负荷和热负荷以及工件的热负荷。

通过以可绕旋转轴自由旋转的方式连接到搅拌头的第二轴肩元件来实现该目的。在这种方式下，搅拌头并不向第二轴肩元件传递任何扭矩，而是相对第二轴肩元件自由旋转。因此，所述第二轴肩元件并不相对至少一个工件的表面执行任何旋转运动，所以也没有因旋转运动所引起的摩擦，而所述摩擦是第二轴肩元件以及至少一个工件升温的原因。因为第二支承面延伸至搅拌头的接合部，这样仅仅是接合部在其旋转过程中产生摩擦热。而第二轴肩元件不增加摩擦热。

因此，搅拌头机械负荷和热负荷减小了。(一个或更多个)工件的热负荷也减小了。反过来，工件较低的最高温度代表了更高质量的焊接接头。此外，具有较低的热负荷和机械负荷的搅拌头，可设定较高的摩擦速度，也即搅拌头可以较高的速度在材料中向前运动。在这种方式下，一方面搅拌头和工件的温度可以进一步的降低。另一方面，较短的过程持续时间也可带来更有效的焊接工艺。

综上所述，根据本发明，可以说，搅拌头相对第二轴肩的自由旋转与搅拌头的损坏相抵消，从而可得到高质量的焊接接头以及更快更有效的焊接工艺。

在一个优选的实施例中，搅拌头以轴向可调的方式连接到第二轴肩元件。在这种方式下，第一轴肩元件到第二轴肩元件的距离是可变的，相应地，接合部的尺寸也是可变的，也即所述装置可适合工件的不同尺寸。进一步说，带有轴向可调的第二轴肩元件，为了达到更好的支撑效果，可以在(一个或更多个)工件上施加压力(例如预应力)。

在另一个优选的实施例中，第二轴肩元件具有在所述第二支承面上设置的陶瓷材料的第二环状居间件，所述第二环状居间件围绕接合部。第二环状居间件相对于旋转轴同心围绕搅拌头，即位于搅拌头的接合部与第二轴肩元件之间。

第二环状居间件最初用于搅拌头和第二轴肩元件的热隔离，避免了搅拌头和第二轴肩之间的直接接触。通过使用具有极低导热系数的陶瓷材料加强了这种效果。

此外，这样的居间件可作为第二轴肩元件里的滑动轴承来作用于搅拌头，或作为搅拌头上的滑动轴承来作用于第二轴肩元件。陶瓷作为第二居间件的材料，使得第二居间件不仅可耐高温，还具有高强度，因此在不被损坏的情况下，可吸收搅拌头的高温、高承载力、扭矩。此外，陶瓷滑动轴承可被生产出具有足够光滑的表面，以此允许搅拌头(就搅拌头的旋转以及搅拌头与第二轴肩元件间的轴向相对运动来说)实现较低摩擦的安装。

在另一个优选的实施例中，所述第二轴肩元件形成为套筒，所述套筒包括沿所述旋转轴径向延伸的底部表面和平行于所述旋转轴延伸的圆柱形侧壁，以及所述第二支承面形成在所述底部表面中。在这种情况下，特别优选地是，若所述搅拌头的自由端被圆柱形托架环绕，所述圆柱形托架在所述搅拌头的轴向方向上是可调节的，以及若所述套筒可旋转地安装在所述托架上。这种旋转安装可借助滚动轴承实现。此外，特别优选地是，如果所述搅拌头的自由端上设有螺纹，以及托架能够螺接至所述自由端上。因此，在这种方式下，可按简单的方式将托架以及整个第二轴肩元件设置在搅拌头的自由端上，或也可以整个地从搅拌头中移除托架以及整个第二轴肩元件。

因此，第二轴肩元件的这种结构所达到的效果是：搅拌头以可绕旋转轴自由转动的方式连接到第二轴肩元件，同时也可调节第二轴肩元件的轴向位置。

在一个优选的实施例中，在侧壁与搅拌头的自由端之间设置有滚珠轴承。还可优选地是双滚珠轴承，所述双滚珠轴承平行设置，并在旋转轴的方向彼此分离。滚珠轴承的使用提供了基本上无摩擦的安装，同时也可以吸收轴向负荷。

在另一个优选的实施例中，托架具有螺纹孔，螺纹孔与旋转轴垂直地延伸以接纳固定螺钉，在所述套筒的所述侧壁中设置有与所述螺纹孔同轴对准的孔。这样，例如，固定螺钉可从外部进入套筒，然后通过相对旋转轴拧紧将托架固定在搅拌头的自由端上，或者，在螺钉拧松后，从搅拌头上去除托架。

在另一个优选的实施例中，搅拌头固定的连接到第一轴肩元件。在这种情况下，尤其优选地是，如果搅拌头与第一轴肩元件是一体形成的。这样，第一轴肩元件与搅拌头一起旋转并且摩擦至少一个工件的表面，引起与第一轴肩元件邻接区域的工件材料的塑化。

在一个优选实施例中，作为替代，搅拌头以可绕旋转轴自由旋转的方式连接到第一轴肩元件。在这种情况下，尤其优选的是，如果第一轴肩元件具有陶瓷材料的第一环状居间件，所述第一居间件围绕接合部。此外，尤其优选地是，如果搅拌头以可轴向移动的方式连接到第一轴肩元件。因此，第一轴肩元件在本质上具有与第二轴肩元件相同的结构。两个轴肩零件(shoulder pieces)以可绕旋转轴自由旋转的方式连接到搅拌头，可能正如结合第二轴肩所做的描述，搅拌头的机械负荷与热负荷进一步减少以及焊接接头的质量进一步增加。

附图说明

以下基于附图来解释本发明，附图示出了一个示例性实施例，其中：

图1显示了根据本发明的搅拌摩擦焊装置的一个示例性实施例的侧视图；以及

图2显示了图1中所示示例性实施例沿旋转轴的剖视图。

具体实施方式

在图1中，体现了根据本发明的搅拌摩擦焊1的一个示例性实施例。所述搅拌摩擦焊装置1，包括搅拌头3、第一轴肩元件5、以及第二轴肩元件7。

搅拌头3大体为圆柱形并以绕旋转轴9旋转的方式受驱动，所述旋转轴9与搅拌头3的对称轴重合。搅拌头3包括驱动端11以及与驱动端11相对的自由端13。在驱动端11处，利用未图示的马达来对搅拌头3进行旋转驱动。在驱动端11与自由端13之间，搅拌头3包含圆柱形的接合部15，所述接合部15用于在旋转方式下与至少一个工件接合。在本示例性实施例中，为了在与一个或多个工件的材料接合的过程中产生更大的摩擦力，接合部15具有沿其圆周的圆周结构表面17，该圆周结构表面17具有一轴向范围。在图1中可以看到，接合部15在其圆周表面17上具有槽结构。

在本示例性实施例中，设置在接合部分15面向驱动端11的一侧的第一轴肩元件5大体为圆锥形且相对于旋转轴9同心围绕于搅拌头3，并且锥体沿朝第二轴肩元件7的方向渐细。此外，第一轴肩元件5具有第一支承面19，所述第一支承面19与旋转轴9垂直设置，并朝向接合部15。在本示例性实施例中，第一轴肩元件5与搅拌头3旋转连接。大体为圆锥形的第一轴肩元件5经证明是有利的，其允许在第一支承面19线性运动期间工件摩擦产生的热量有可能被第一支承面19吸收或消散。

在搅拌头3的第一支承面19和接合部15之间，第一轴肩元件5具有陶瓷材料的第一环状居间件21(见图2)。第一环状居间件21用于搅拌头3和第一轴肩元件5的热隔离，借助第一环状居间件21在第一支承面19区域处隔断了搅拌头3和第一轴肩元件5之间的直接接触。第一环状居间件21优选用导热系数较低的陶瓷材料来生产。此外，陶瓷材料具有耐高温性，从而在装置运行过程中不会因为高温而损坏。

在本示例性实施例中，设置在接合部15的面向自由端13的一侧的第二轴肩元件7，包括套筒23，所述套筒23与搅拌头3相对于旋转轴9同心地设置。所述套筒23具有：圆柱形侧壁25，所述圆柱形侧壁25沿平行于旋转轴9的方向延展；底面27，所述底面27沿旋转轴9的径向延展；以及第二支承面29，所述第二支承面29面向接合部15并且垂直于旋转轴9延展。第二支承面29延伸至接合部分15，这样在接合部15与第二支承面29之间没有居间空间并且也不设置另外的零件。此外，第二支承面29与第一支承面19相对地、大致平行地放置，两个支承面19、29沿轴向限定接合部15并能够根据不同工件的厚度调节接合部15的轴向长度。两个支承面19、29彼此面对，并且相对于旋转轴9环绕于搅拌头3或者环绕于接合部15的端部，这样，轴肩元件5、7用于抵靠一个或多个工件表面的对立表面。

与第一轴肩元件5相类似，第二轴肩元件7具有在第二支承面29中的第二环状居间件31。这里，第二居间件31不仅作为搅拌头3与第二轴肩元件7(或第二支承面29)之间的热隔离元件，还作为搅拌头3相对第二轴肩元件7旋转的陶瓷滑动轴承。陶瓷滑动轴承具有高强度的同时具有耐高温性，这是可应用于本发明的轴承的先决条件。

从图2可以看出，第二轴肩元件7同样包括大体为圆柱形托架33，所述圆柱形托架33与旋转轴9同轴地环绕于搅拌头3的自由端13，并借助滚珠轴承35以自由转动的方式连接到套筒23的侧壁25。在本示例性实施例中，两个滚珠轴承35a、35b，被设置为在轴向上彼此分离、彼此间大致平行并且垂直于在托架33与侧壁25之间的套筒23的旋转轴9，用于将第二轴肩元件7旋转安装到搅拌头3上。托架33在内壁上具有指向搅拌头3的内螺纹37，搅拌头3在其自由端13处具有与内螺纹37相对应的外螺纹39，这样托架33可以螺接到搅拌头3的自由端13上。因此，搅拌头3以轴向可调的方式连接到第二轴肩元件7。

托架33也含有螺纹孔41，所述螺纹孔41垂直于旋转轴9延伸，用于接纳固定螺钉43，该固定螺钉43在拧入位置处顶靠搅拌头3并与搅拌头3接合。固定螺钉43与搅拌头3的接合用于设置托架33相对搅拌头3的轴向位置，因此，也用于设置接合部15的轴向长度或者第一和第二支承面19、29之间的距离。为便于设置固定螺钉43，在侧壁25上提供与螺纹孔41同轴的孔45。

搅拌摩擦焊装置1的操作如下。首先，将待连接的两个工件以待焊接表面(未示出)彼此相对的方式放置。然后，之前描述的搅拌摩擦焊装置1移动，接合部15沿工件的待焊接表面移动，搅拌头3相对于第一轴肩元件5旋转，第一和第二支承面19、29抵靠一个以上工件的表面。

这里，彼此相对地放置意味着：任何两个大致平坦的工件(例如板或片)沿它们的端面(一般为窄侧面)彼此相对地放置，并在这些表面上进行焊接(对接)。在这种情况下，在焊接过程中，搅拌头3的旋转轴9平行于由这些彼此相靠的表面界定出的平面来运行。

但是，这可能也意味两个工件的重叠，也即，一个表面的部分搭在另一表面的部分之上，然后邻接表面分别被焊接(搭接)。这里，在焊接过程中，旋转轴9垂直于承载面运行。然后，装置1可沿着整个接触面从彼此相靠的工件中的一端移动到另一端，或者在各个位置处特别地伸入。搅拌头3可能从边缘处伸入工件，或者，在工件的接触表面区域中引入孔，此后从搅拌头3上拧松第二轴肩元件7再令搅拌头3穿过小孔。在此以后，利用螺钉43将第二轴肩元件再次拧紧到搅拌头3上，并通过螺钉43进行固定，这样，两个支承面19、29各自抵靠彼此相对的背对的(一个或更多个)工件的相应表面。

先前所描述以自由旋转的方式将第二轴肩元件7安装在搅拌头3的自由端13上，使得第二轴肩元件7不随搅拌头3的旋转而移动，因此第二支承面29也不随搅拌头3的旋转而移动。因此，第二支承面29不与(一个或更多个)工件摩擦。这种情况下，与现有技术中存在的双旋转轴肩式搅拌摩擦焊搅拌头相比，搅拌头3和第二轴肩元件7的热负荷减少。同理，因为没有任何的扭矩从搅拌头3转移至第二轴肩元件7，所以搅拌头3的机械负荷减少。

在这种结构中，上述特征使得装置1或旋转着的搅拌头3可以以更高的速度沿待焊接的界面移动。装置1的较高速度的效果是，进一步降低了搅拌头3、第二轴肩元件7、以及工件的热负荷，这是因为搅拌头3在一个位置处的旋转的时间较短，即，与相同材料的摩擦时间较短。同时，(一个或更多个)工件的热负荷减少，这样就得到了高质量的焊接接头。

作为替代，第一轴肩元件5也可能固定地安装在搅拌头3上。尽管这样因为上述原因将增加搅拌头3、第一轴肩元件5、和工件上的机械负荷和热负荷，但是装置1的靠上部分的结构将被简化。

Claims (7)

1.一种搅拌摩擦焊装置(1)，包括：

搅拌头(3)，能够以绕旋转轴(9)旋转的方式被驱动，包括驱动端(11)和自由端(13)，其中，在所述驱动端(11)和所述自由端(13)之间存在圆柱形的接合部(15)，所述接合部(15)沿所述旋转轴(9)轴向地延伸，所述接合部(15)的圆周表面用来与一个或多个工件接合；

第一轴肩元件(5)，设置在所述接合部(15)的面向所述驱动端(11)的一侧并相对于所述旋转轴(9)同心围绕于所述搅拌头(3)，所述第一轴肩元件(5)包括第一支承面(19)，所述第一支承面(19)面向所述接合部(15)并且与所述旋转轴(9)垂直地延展，以及

第二轴肩元件(7)，设置在所述接合部(15)的面向所述自由端(13)的一侧并相对于所述旋转轴(9)同心围绕于所述搅拌头(3)，所述第二轴肩元件(7)包括第二支承面(29)，所述第二支承面(29)面向所述接合部(15)并且与所述旋转轴(9)垂直地延展，

其中所述第二支承面(29)延伸至所述接合部(15)，且

其中所述第一轴肩元件(5)用来抵靠一个或多个工件的第一表面，第二轴肩元件(7)用来抵靠所述一个或多个工件的与所述第一表面相对的第二表面，

其中第二轴肩元件(7)以可绕所述旋转轴(9)自由旋转的方式连接到所述搅拌头(3)，

其中所述第二轴肩元件(7)形成为套筒(23)，所述套筒(23)包括沿所述旋转轴(9)径向延伸的底部表面(27)和平行于所述旋转轴(9)延伸的圆柱形侧壁(25)，所述第二支承面(29)形成在所述底部表面(27)中，

其中所述搅拌头(3)的自由端(13)被圆柱形托架(33)环绕，所述圆柱形托架(33)在所述搅拌头(3)的轴向方向上是可调节的，所述套筒(23)可旋转地安装在所述托架(33)上，

其中所述侧壁(25)和所述搅拌头(3)的自由端(13)之间设置有滚珠轴承(35)，

其中所述搅拌头(3)的自由端(13)上设有螺纹(39)，托架能够螺接至所述自由端(13)上，从而所述搅拌头(3)以轴向可调的方式连接到所述第二轴肩元件(7)，并且

其中所述托架(33)具有螺纹孔(41)，所述螺纹孔(41)与所述旋转轴垂直地延伸以接纳固定螺钉(43)，以及在所述套筒(23)的所述侧壁(25)中设置有与所述螺纹孔(41)同轴对准的孔(45)。

2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述第二轴肩元件(7)具有在所述第二支承面(29)上设置的陶瓷材料的第二环状居间件(31)，并且

所述第二环状居间件(31)围绕所述接合部(15)。

3.根据权利要求1和2中一项所述的搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述搅拌头(3)固定地连接到所述第一轴肩元件(5)。

4.根据权利要求3所述的搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述搅拌头(3)与所述第一轴肩元件(5)是一体形成的。

5.根据权利要求1和2中一项所述的搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述搅拌头(3)以可绕所述旋转轴(9)自由旋转的方式连接到所述第一轴肩元件(5)。

6.根据权利要求5所述的搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述第一轴肩元件(5)具有陶瓷材料的第一环状居间件(21)，以及

所述第一环状居间件(21)围绕所述接合部(15)。

7.根据权利要求5所述的搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述搅拌头(3)以可轴向移动的方式连接到所述第一轴肩元件(5)。