CN1398693A - 摩擦搅拌接合方法以及回转工具 - Google Patents

Abstract

一种摩擦搅拌接合方法，只在对接部的一方部件上设有凸部情况下、对接部的间隙较大的情况下或者接合线为曲线的情况下，均可实现良好的摩擦搅拌接合。使用朝向小径部220侧的大径部210的端面设有圆弧状的沟槽213的回转工具200，在将大径部210的端面和小径部220***部件中的状态下，使回转工具200回转。通过回转，部件的金属沿着沟槽213移动到回转工具200的轴心侧地方式回转。圆弧状的沟槽213朝向回转方向。部件的金属由于移动到中心侧，即使在单侧设有凸部的情况下或间隙较大时，均可实现良好的接合。

Description

摩擦搅拌接合方法以及回转工具

发明所属技术领域

本发明涉及一种摩擦搅拌接合方法，适用于铁路车辆等的输送机器、产业机械、科学机械、家庭电气化制品等中铝合金部件的接合。

以往技术

摩擦搅拌接合方法是一种将***接合部的圆棒(称作回转工具)边回转边沿着接合线移动、使接合部发热、软化、塑性流动，以固相接合的方法。回转工具由大径部和小径部构成。将小径部***要接合的部件中，使大径部的端面与前述部件接触。在小径部上设有螺纹。朝向小径部一侧的大径部的端面圆锥状倾斜。该圆锥面凹下。回转工具的轴线倾斜于回转工具的移动方向。即，相对于移动方向向后倾斜。另外，使用线轴型回转工具，将要接合的部件位于2个大径部之间，以进行摩擦搅拌接合。

另外，在2个要接合部件的在回转工具***侧设有凸部，回转工具的小径部***对接部的同时，回转工具的大径部***凸部内，以进行摩擦搅拌接合。凸部的金属作为原资材，埋入这2个部件间的间隙中。凸部可以只在一方部件上设置。其用于由挤压型材制作部件、并且将垂直于挤压方向的部分进行摩擦搅拌接合的场合。

这些技术内容由日本特许(专利)第3070735号公报(USP6237829)、特许第2712838号公报(USP5460317)、特表平9-508073号公报(EP0752926B1)、和特许第3070735号公报(USP6237829)所公开。

发明所要解决的技术问题

正如前述，只在对接部的一方部件上设有凸部时，与两方的部件上均设有凸部状态下进行摩擦搅拌接合的场合相比，难以实现良好地接合。

另外，对接部存在间隙时，凸部的金属作为原资材埋入对接部的间隙中。但是，只一方部件上设有凸部时，靠间隙难以实现良好地接合。即使两方的部件上均设有凸部，随着间隙加大，也很难实现良好地接合。

此外，由于回转工具的轴线必须倾斜于回转工具的移动方向，在接合线为曲线时，必须控制轴线相对回转工具的移动方向倾斜一规定的角度，从而导致控制难以实现。特别是，在曲线为小半径时，更加困难。

本发明的目的是，无论是只在对接部的一方部件上设有凸部情况下、还是对接部的间隙较大情况下、或者接合线为曲线情况下，均可实现良好地摩擦搅拌接合。

解决技术问题的手段

上述目的通过如下技术方案得以实现，即，只在该对接部的一方部件上设有凸部，另一方的部件与除了前述凸部外的部分对接，使用朝向小径部一侧的大径部的端面具有凹凸的回转工具，在将前述大径部***前述小径部而前述大径部的端面只***前述凸部中的状态下，进行摩擦搅拌接合。

上述目的还可由如下技术方案得以实现，即，使用朝向小径部一侧的大径部的端面上具有从该大径部的外周侧至前述小径部侧的沟槽的回转工具，在前述大径部的端面和前述小径部***部件中的状态下，每当回转前述回转工具，前述部件的金属就沿着前述沟槽移动到该回转工具的轴线侧地方式使前述回转工具回转。

上述目的由如下技术方案得以实现，即，使用由大径部和小径部构成的回转工具，在前述大径部的端面和前述小径部***部件中的状态下，使前述回转工具回转以实现摩擦搅拌接合的方法中，前述大径部由与前述小径部为不同的部件的第1大径部和与前述小径部为同一部件的第2大径部构成，沿着前述回转工具的轴线，按照前述小径部、前述第1大径部、前述第2大径部的顺序设有这些部件，前述第1大径部螺旋配合在前述第2大径部与前述小径部之间的轴部，前述第1大径部的端面与前述第2大径部的端面接触，在与前述螺旋配合的螺纹方向相同的方向使回转工具回转。

附图简述

图1为本发明一实施例的回转工具主要部分的透视图，

图2为图1的回转工具的整体透视图，

图3为使用图1的回转工具接合对接部期间的纵剖视图，

图4为图3的俯视图，

图5为接合后的纵剖视图，

图6为本发明一实施例的侧构体的主视图，

图7为沿图6的VII-VII线的剖视图，

图8为沿图6的VIII-VIII线的剖视图，

图9为铁道车辆的车体的透视图，

图10为本发明另一实施例的接合部的纵剖视图，

图11为本发明又一实施例的接合部的纵剖视图，

图12为本发明另一实施例的回转工具的俯视图，

图13为沿图12的XIII-XIII线的剖视图，

图14为本发明再一实施例的接合部的纵剖视图。

发明的实施例

参照图1～图9说明本发明的一实施例。图3为沿图4的III-III线的剖视图，相当于图6的VII-VII剖面。

铁道车辆的车体100由构成侧面的侧构体101、构成屋顶的屋顶构体102、构成地板的台架103、构成长度方向端部的端板104构成。侧构体101、屋顶构体102、台架103分别通过多个挤压型材10、20接合而成。挤压型材10、20的长度方向(挤压方向)为车体100的长度方向。挤压型材10、20为铝合金制成的中空型材。

侧构体101上具有多个窗口130，还具有乘客出入口110。出入口110的开口边缘与边缘部件120接合。边缘部件120为壁较厚的高强度部件。边缘部件120为铝合金制成的挤压型材，沿着出入口110左右和上方的边部弯折成U状。

构成侧构体101的挤压型材10、20的挤压方向为车体即侧构体101的长度方向。由于边缘部件120也是挤压型材，出入口110左右边部垂直于边缘部件120的挤压方向和型材10、20的挤压方向。挤压型材10、20为中空型材。

中空型材10(20)实质上由2块平行的面板11(21)，12(22)和与这两块面板连接的多个连接板13(23)，14(24)构成。

中空型材10(20)宽度方向的端部的连接板14(24)垂直于面板11，12(21，22)。在连接板14与面板11(12)的连接部的外表面一侧具有与中空型材20的面板21(22)重合的凹部。在面板11，22的端部具有支撑面板21，22的突出片材15。突出片材15从连接板14处突出。突出片材15与前述凹部相连。中空型材20的面板21，22的端部与中空型材10的凹部和突出片材15重合。

在面板11，12(21，22)的端部具有向中空型材10，20的外表面一侧(厚度方向的外侧)突出的凸部17(27)。面板11，21以及凸部17的端面(即，凹部的面板11，12一侧)处于连接板14的板厚中心附近。中空型材10的面板11(12)和凸部17的端面与中空型材20的面板21(22)和凸部27的端面对接。

面板11(12)的外表面与面板21(22)的外表面处于同一平面，凸部17，27的突出余量相同。2个凸部17，27的宽度相同。2个凸部的宽度比回转工具200的大径部201的直径还大。

首先，说明型材10与型材20的接合。每当接合时，2个中空型材10，20放置并固定于台架310上。回转工具200在其大径部210的前端设置小径部220。小径部220上设有螺纹。接合时，回转工具200***对接部。大径部210的下端位于比面板11，21还上方的凸部17，27内。小径部220进入面板11，21的对接部中。小径部220的下端稍许***突出片材15中。使回转工具200边回转边沿着对接部的接合线移动。回转工具200的轴线倾斜于移动方向。小径部220侧比大径部210侧先动作。凸部17，27的金属成为埋入对接部的间隙中的原资材。在图8中，没有示出对接部的间隙。回转工具200可以是后述的回转工具200，也可以是以往一般的回转工具。

在图8的上表面侧的摩擦搅拌接合结束后，使中空型材10，20上下反转，进行同样的摩擦搅拌接合。

这样一来，边将要构成侧构体101的中空型材10，20接合边使车内侧处于上方，通过切削，除去窗户130和出入口110的开口周围不需要部分。通过这种切削，在窗户130或出入口110的开口部分，车外侧的面板21(11)的端部要比车内侧的面板22(12)和连接板23，24(13，14)还朝开口侧突出。

接着，在进行上述加工后的侧构体110上摩擦搅拌接合边缘部件120。边缘部件120是将挤压型材弯曲成U状的部件。边缘部件120由封闭中空型材10，20端部的片材121、比车外侧的面板21(11)的外表面还朝外方突出的凸部123、与面板21(11)的内表面重叠的突出片材125以及与车内侧的面板的外表面22(12)重叠的突出片材127构成。除去凸部123的片材121在车外侧的端面与面板21(11)的外表面实质上是同一平面。车外侧的突出片材125处于从车外侧凹进处。面板21(11)的端部与边缘部件120对接。车内侧的突出片材127与车内侧的面板22(12)的外侧重叠、进行角焊。这种焊接是在摩擦搅拌接合的前后适当的时期内进行的。

与边缘部件120对接的面板21，11的端部由于是挤压方向的端部，在面板11，21上无凸部17，27。与U状边缘部件120的中央片材120C接触的中空型材10由于被切削宽度方向的端部，因此无凸部17，27。

图7示出摩擦搅拌接合时的状态，没有示出对接部的间隙。边缘部件120和侧构体110固定到台架320上。

从上方摩擦搅拌接合面板21(11)与边缘部件120的对接部。回转工具200的小径部220***对接部。小径部200的前端***到突出片材125的在车外侧的表面附近处为止。大径部210的一部分进入凸部123。以大径部210的下端与面板21(11)的上表面之间存在稍许间隙g地方式***。由于回转工具200相对移动方向是使大径部210侧向后倾斜地方式***的，这样，在倾斜的大径部210最下端与面板21(11)的上表面之间就会存在间隙g。

在如上述那样将回转工具200***要接合的部分后，一边使回转工具200回转一边沿着接合线移动。回转方向由R表示，移动方向由Y表示。回转工具200的轴线处于边缘部件120与面板21(11)的对接部的中间。用光学传感器检测出对接部，诱导回转工具200。

回转工具200***边缘部件120的左片材120L下端的对接部，并且从此处开始移动。回转工具200从左片材120L依次地经过中央片材120C、右片材120R，在右片材120R的下端结束接合。

根据图1～图4，说明回转工具200的结构。图4为图3的俯视图，所以朝向小径部220侧的大径部210端面210b上的沟槽213等无法看见，但为了便于理解，作成可见沟槽213等。图4中的圆弧状细线表示回转工具200在Y方向移动的轨迹。

回转工具200具有小径部220的螺纹222和大径部210侧的螺纹212。螺纹212的直径比螺纹222的直径大。大径部210螺旋配合到螺纹212上。小径部220的螺纹222为左旋，大径部210的螺纹212为右旋。回转工具200向右旋转。朝向小径部220侧的大径部210的端面210b在中心侧的位置210c成为螺纹212的端部212c。大径部210的另一端210f(与小径部220侧相反的端面)与具有螺纹212的轴部230的大径部233的端面接触。由于大径部210的螺纹212右旋，回转工具200向右旋转时，通过大径部210与凸部123接触的力，大径部210推压着轴部230的大径部233。为此，大径部210可固定到轴部230上。

朝向小径部220侧的大径部210的端面210b随着朝向中心(轴心)侧行走凹向中心侧。该凹下的端面210b为圆锥状。在圆锥面210b上有圆弧状的2个沟槽213。沟槽213可将凸部123的金属移动到面板21(11)侧等，具有如下的结构。

从回转工具200的轴端侧看时，沟槽213为圆弧状。沟槽213的圆弧方向与回转工具200的回转方向R是同一方向。即，沟槽213随着朝外周侧(半径方向外侧)行进而在回转方向R上前进。

沟槽213是从大径部210的外周端直到内周侧(轴心侧)、即螺纹222为止连续形成的。沟槽213在小径部220附近开口。沟槽213设置成在大径部210的部件上从其轴向切削而成。为此，大径部210与轴部230是不同的部件。

另外，由于大径部210与轴部230(小径部220)是不同的部件，小径部220的螺纹222容易设置到螺纹212的附近。由此，即使在大径部210的轴心侧(210c)的附近，也可进一步进行金属的搅拌。角部210c与螺纹212的端部212c是一致的，但如将角部210c设置成比螺纹212的端部212c更朝小径部220侧突出，则螺纹212可接近于角部210c，更容易进行搅拌。

在沟槽213的外周端，凸部123的金属易进入沟槽123。即，沟槽213与相邻的沟槽213之间的外周端切去b尺寸的宽度。宽度b的深度与沟槽213的深度相同。切口b的范围在回转工具200的回转方向R中，为从沟槽213到相邻的沟槽213的附近。在回转方向上，沟槽213的后方在θb的范围内无切口。沟槽213的宽度，在外周端侧即金属的入口侧比内周侧要大。

螺纹222的直径、螺纹212的直径、大径部210的直径依次变大。沟槽213的宽度约为1mm，沟槽213的深度h(大径部210的外周端(距离不存在切口b位置的距离))为1mm。凸部17，27，123的宽度比大径部210的半径要大。面板21(11)的上表面与大径部210的最下端之间存在间隙g。在倾斜的回转工具200中要确保该间隙g。此时，大径部210下端的下部的大致一半***凸部213中，而小径部220的下端***突出片材125中。

在回转工具200***对接部的如此状态下，一旦回转工具200一边向右旋转一边移动时，由于不存在凸部123处(面板21的上方)的沟槽213外周端的开口朝向凸部123移动，凸部123的金属进入沟槽213中，朝向轴心侧(螺纹222侧)移动。于是，一旦移动到无凸部123处，沟槽213内的金属就在面板21的上方溢出。为此，多量的金属就朝面板21的上方移动。此外，由于靠沟槽213，金属移动到中心侧，如在对接部的部件间存在间隙，就会导致金属填补到该间隙中。由于外周侧的沟槽213的入口上存在切口b，沟槽213的宽度变宽，金属更容易进入沟槽213中，金属沿着沟槽213也容易移动。沟槽213由于是在回转的前进方向上突出的圆弧，所以阻力小，更易于金属的移动。

于是，多量的金属移动到面板21的上方，并且金属填补于间隙中，可实现良好的接合。图5为示意地示出接合后的纵剖视图。剖面线表示搅拌区域。

大径部210由于与小径部220是不同的部件，可容易设置沟槽213。也容易设置螺纹222。另外，大径部210的螺纹212的方向与回转工具200的回转方向R是同一方向，所以大径部210可固定到轴部230上。为此，可无需其他的固定手段。此外，根据回转工具的回转方向、螺纹212的方向，固定大径部210的手段可采用与沟槽213的有无无关的手段。

该回转工具200也可利用于对接部的一对部件上具有凸部的场合。例如，也可适用于图8的面板11、凸部17与面板21、凸部27的对接部的接合。此时，对接部的间隙即使比以往的要大也可实现良好的接合。此外，大径部210的下端位于面板11、21的外表面与凸部17、27的顶部之间。

回转工具的沟槽不必是圆弧状，可以是放射状，也可以是有多个圆柱状突起的形状。如据此在大径部的端部设有凹凸，也是可以的。

下面说明图10的实施例。板151的端部的表面侧突出凸部153。从凸部153的前端突出设置着与板16平行的突出片材155。在板151的里面侧突出设置着与突出片材155平行的突出片材157。板16进入2个突出片材155、157之间，与板151对接。回转工具200的大径部210的下端位于凸部153与突出片材155内。

说明图11的实施例。如上所述的回转工具200也可适用于2个部件171、172的重叠接合。此时，相对回转工具200的移动方向倾斜度可为零(0)。倾斜角如为零，接合线即使是曲线，也可不必控制回转工具200相对曲线各自位置的倾斜角，可容易实现接合。

使回转工具的倾斜角为零(0)时，不仅是适用于重叠接合，也适用于对接部的接合。相对于对接部的接合，倾斜角为零(0)时，希望对接部的部件相互间的间隙尽可能不为零(0)。

说明图12和图13的实施例。图12与图4相同。该回转工具200中，沟槽213的深度朝向回转方向R向前方慢慢变浅。也就是说，前方成为斜度215。如此，可考虑加快金属朝沟槽213的移动。

说明图14的实施例。该回转工具200为线轴型，在小径部220的两端设有大径部210，240。在小径部220的前端具有大径部240。在2个大径部210、240之间夹持着部件181，182的对接部以进行摩擦搅拌接合。大径部240通过销251固定到小径部220的前端上。朝向小径部220的大径部240的表面凹下。在该表面上具有与前述实施例同样的沟槽213。沟槽213的方向与前述实施例的相同。大径部210也可靠销固定。

本发明技术内容的范围并不限于权利要求书保护范围内的各权利要求所记载的文字或解决技术问题的手段的权利要求所记载的文字所述，对于本领域普通技术人员而言，可在其范围内容易地变更。

发明的效果

采用本发明，在仅在对接部一方的部件上设有凸部的情况下、对接部的间隙加大的情况下或者接合线为曲线的情况下，均可实现良好的摩擦搅拌接合。

Claims (24)

1.一种摩擦搅拌接合方法，其特征在于，

对接一对部件，只在该对接部的一方部件上设有凸部，另一方的部件与除去所述凸部的部分对接；

使用朝向小径部侧的大径部的端面上具有凹凸的回转工具，在将所述小径部***所述对接部中、所述大径部的端面只***所述凸部的状态下，进行摩擦搅拌接合。

2.按照权利要求1所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，

在所述回转工具上，作为所述凹凸，具有从所述大径部的外周侧至所述小径部侧的圆弧状的沟槽，

使所述回转工具在所述圆弧状的前进方向回转。

3.按照权利要求1所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，所述对接部的所述部件相互间存在间隙。

4.一种摩擦搅拌接合方法，其特征在于，

使用朝向小径部侧的大径部端面上具有从该大径部的外周侧至所述小径部侧的沟槽的回转工具，在所述大径部的端面和所述小径部***部件中的状态下，每当回转所述回转工具时，为了使所述部件的金属沿着所述沟槽移动到该回转工具的轴心侧，使所述回转工具回转。

5.按照权利要求4所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，所述回转工具***所述部件相互的对接部中。

6.按照权利要求5所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，

在所述对接部的一方部件上具有朝所述大径部侧突出的部分，

另一方部件与除去所述突出部分的部分对接。

7.按照权利要求5所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，所述对接部的所述部件相互间存在间隙。

8.按照权利要求4所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，所述回转工具***所述部件相互的重叠部。

9.按照权利要求4所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，所述回转工具的轴线实质上垂直于该回转工具的移动方向。

10.按照权利要求4所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，

从所述小径部侧看所述端面时，所述沟槽为从所述大径部的外周侧至所述小径部侧的圆弧状，

使所述回转工具在所述圆弧状的前进方向回转。

11.按照权利要求10所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，所述回转工具的半径方向外侧的所述沟槽的宽度比半径方向内侧的所述沟槽的宽度大。

12.按照权利要求10所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，所述沟槽设有多个。

13.按照权利要求12所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，在所述回转方向上的沟槽宽度比该沟槽与相邻的所述沟槽之间的宽度小。

14.按照权利要求4所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，

所述回转工具在所述小径部的两端分别具有所述大径部，朝向所述小径部侧的所述大径部的各自端面上设有所述沟槽，

在将所述部件夹持在所述大径部和所述大径部之间的状态下，使回转工具回转。

15.按照权利要求4所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，具有所述沟槽的所述大径部与所述小径部是不同的部件。

16.按照权利要求4所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，

所述大径部由具有所述沟槽的第1大径部和与所述小径部为同一部件的第2大径部构成，

沿着所述回转工具的轴线，所述小径部、所述第1大径部、所述第2大径部顺序设置，所述第1大径部与所述第2大径部和所述小径部之间的轴部螺旋配合，

所述第1大径部的端面与所述第2大径部的端面接触，

在与所述螺旋配合的螺纹的方向相同的方向上使所述回转工具回转。

17.按照权利要求4所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，

从所述端面到所述沟槽底的深度在回转方向的后方比前方一侧要大，

所述后方一侧实质上沿着该回转工具的轴向。

18.一种摩擦搅拌接合方法，使用由大径部和小径部构成的回转工具，将所述大径部的端面和所述小径部***部件中的状态下，使所述回转工具回转的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，

所述大径部由与所述小径部为不同部件的第1大径部和与所述小径部为同一部件的第2大径部构成，

沿着所述回转工具的轴线，所述小径部、所述第1大径部、所述第2大径部顺序设置，

所述第1大径部与所述第2大径部与所述小径部之间的轴部螺旋配合，

所述第1大径部的端面与所述第2大径部的端面接触，

在与所述螺旋配合的方向相同的方向上使所述回转工具回转。

19.一种摩擦搅拌接合用回转工具，其特征在于，包括：小径部，与该小径部邻接的大径部，朝向所述小径部侧的所述大径部的端面上设置的、从该大径部的外周侧至所述小径部侧的沟槽；

从所述小径部侧看所述端面时，所述沟槽随着在半径方向外侧行进而弯曲成圆弧状，

所述回转工具的半径方向外侧的所述沟槽宽度比半径方向内侧的所述沟槽的宽度要大。

20.按照权利要求19所述的摩擦搅拌接合用回转工具，其特征在于，

所述小径部上设有螺纹，

在所述大径部的外周部上，比所述沟槽还要位于所述螺纹方向的前方切口，

所述沟槽为多个。

21.按照权利要求19所述的摩擦搅拌接合用回转工具，其特征在于，具有所述沟槽的所述大径部与所述小径部为不同的部件。

22.按照权利要求19所述的摩擦搅拌接合用回转工具，其特征在于，所述回转工具在所述小径部的两端分别设置所述大径部，朝向所述小径部侧的所述大径部的各自的端面上具有所述沟槽。

23.一种摩擦搅拌接合用回转工具，其特征在于，包括：小径部，与该小径部为同一部件且设置在该小径部一端上的第1大径部，和与所述小径部为不同部件的第2大径部；

沿着所述回转工具的轴线，所述小径部、所述第2大径部、所述第1大径部顺序设置，

所述第2大径部与所述第1大径部与所述小径部之间的轴部的螺纹螺旋配合，

所述第2大径部的端面与所述第1大径部的端面接触。

24.按照权利要求23所述的摩擦搅拌接合用回转工具，其特征在于，

在所述小径部上具有螺纹，

所述小径部的螺纹方向与所述螺旋配合的螺纹方向相反。

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