TWI611853B - 摩擦攪拌焊接裝置、以及摩擦攪拌焊接方法 - Google Patents

Abstract

一種摩擦攪拌焊接裝置，用以焊接疊合之金屬板。該摩擦攪拌焊接裝置包括一連接座及多個焊接頭。連接座定義一軸心方向。每一該焊接頭具有一肩部及一突出於該肩部的攪拌針，該些焊接頭沿著該軸心方向排列並且設於該連接座的底面，該些焊接頭沿著該軸心方向轉動。其中當該些多個焊接頭與該疊合之金屬板產生相對的直線移動時，其中該些焊接頭的該肩部的摩擦涵蓋區域沿著該直線移動方向部分重疊，以致該些焊接頭的該些摩擦涵蓋區域形成一面狀的焊接區。本發明還提供用以焊接疊合之金屬板的摩擦攪拌焊接方法。

Description

摩擦攪拌焊接裝置、以及摩擦攪拌焊接方法

本發明乃是關於一種摩擦攪拌焊接裝置，特別是指一種利用摩擦攪拌焊接技術以焊接疊合之金屬板的裝置；此外，還包括一種摩擦攪拌焊接方法，用以焊接疊合之金屬板。

將二片金屬板焊接一起廣泛地應用於許多的工業技術領域，特別是將二種不同金屬的金屬板焊接，可以使二種金屬的特性產生互補的功效。例如在散熱領域中，將銅合金板件結合至鋁合金板件，可以加強熱傳導性能；在車輛工業中，將鋁合金加強柱結合至鎂合金面板，可以加強結構強度。

摩擦攪拌焊接已逐漸應用在接合上述二片疊合的金屬板。摩擦攪拌焊接(Friction Stir Welding，簡稱為FSW)具有一可高速旋轉的焊接頭(friction stir tool)，焊接頭包括一肩部(shoulder)用以摩擦工件表面而產生熱能、及一突出的攪拌針(welding pin)伸入工件的內部進行摩擦和攪拌，藉由焊接頭的高速旋轉並沿著軸向施加壓力以機械轉動摩擦產生熱能，待工件材質軟化(塑性變形)後，緩步移行並持續轉動摩擦攪拌，以使二片金屬板接合。

摩擦攪拌焊接可以沿著二個工件鄰接的邊緣而形成焊接，或沿著上方的工件的表面沿著直線移動而焊接於下方的工件。摩擦攪拌焊接還包括攪拌摩擦點焊(Friction Stir Spot Welding,FSSW) 而形成點焊。然而，當焊接二片疊合的金屬板時，有的只是攪拌摩擦點焊，或者僅僅焊接金屬板的邊緣。此種焊接情況，二片金屬板之間並沒有確實地的接合，可能還產生縫隙而影響熱傳導的效能。為著更密集的焊接，另一種方式是將焊接頭沿著直線焊接，彎折後，再沿著直線焊接，形成返復彎折狀的焊接。此種焊接方式不僅耗費大量時間，並且二相鄰接的直線焊接處不一定可良好焊接。

本發明所要解決的技術問題，在於提供一種摩擦攪拌焊接裝置以使疊合的金屬板的鄰接面產生面狀焊接，減少金屬板之間的縫隙。

為了解決上述技術問題，根據本發明之其中一種方案，提供一種摩擦攪拌焊接裝置，用以焊接疊合之金屬板。該摩擦攪拌焊接裝置包括一連接座及多個焊接頭。連接座定義一軸心方向。每一該焊接頭具有一肩部及一突出於該肩部的攪拌針，該些焊接頭沿著該軸心方向排列並且設於該連接座的底面，該些焊接頭沿著該軸心方向轉動。其中當該些多個焊接頭與該疊合之金屬板產生相對的直線移動時，其中該些焊接頭的該肩部的摩擦涵蓋區域沿著該直線移動方向部分重疊，以致該些焊接頭的該些摩擦涵蓋區域形成面狀的焊接區。

此外，本發明要解決的技術問題，更在於提供一種摩擦攪拌焊接方法，用以焊接疊合之金屬板，包括下列步驟：提供一連接座，並在該連接座定義一軸心方向；提供多個焊接頭，並使該多個焊接頭可轉動地沿著上述軸心方向平行地設置於該連接座，其中每一焊接頭具有一肩部及一突出於該肩部的攪拌針；使當該些多個焊接頭與該疊合之金屬板產生相對的直線移 動；以及使該些焊接頭的該肩部的摩擦涵蓋區域沿著上述直線移動的方向部分重疊，以致該些焊接頭的該些摩擦涵蓋區域形成一面狀的焊接區。

本發明具有以下有益效果：本發明可使疊合的金屬板的鄰接面產生面狀焊接，減少金屬板之間的縫隙，加強焊接強度以及熱傳導效能。本發明更可以加快疊合的金屬板的焊接速度。

為了能更進一步瞭解本發明為達成既定目的所採取之技術、方法及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明、圖式，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得以深入且具體之瞭解，然而所附圖式與附件僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

100、100a、100b‧‧‧摩擦攪拌焊接裝置

M1、M2‧‧‧金屬板

M11‧‧‧前邊緣

M12‧‧‧後邊緣

11、12、13、14、21、22、23‧‧‧焊接頭

11b、12b、13b、21b、22b‧‧‧焊接頭

110、120、130、210、220‧‧‧肩部

111、121、131、211、221‧‧‧攪拌針

112‧‧‧副齒輪

113、123、133、213、223‧‧‧動力元件

15、16、17、25、26‧‧‧焊接頭

150、250‧‧‧肩部

151、251‧‧‧攪拌針

A11、A21、A12、A22、A13、A23‧‧‧摩擦涵蓋區域

A15、A16、A17、A25、A26‧‧‧摩擦涵蓋區域

40、40a、40b‧‧‧連接座

41、42‧‧‧連接機構

411、421‧‧‧升降裝置

44‧‧‧齒輪組

46‧‧‧鏈條

A‧‧‧角度

C‧‧‧重疊區

D‧‧‧動力軸

G‧‧‧行星齒輪組

P‧‧‧背墊

R‧‧‧半徑

X‧‧‧軸心方向

Y‧‧‧直線移動方向

R1‧‧‧第一排

R2‧‧‧第二排

圖1為本發明之摩擦攪拌焊接裝置焊接疊合之金屬板的示意圖。

圖2為本發明之摩擦攪拌焊接裝置的俯視示意圖。

圖3為本發明焊接疊合之金屬板的剖視示意圖。

圖4為本發明焊接疊合之金屬板的俯視示意圖。

圖5為本發明之摩擦攪拌焊接裝置第二實施例的俯視示意。

圖6為本發明焊接疊合之金屬板的另一剖視示意圖。

圖7為本發明之摩擦攪拌焊接裝置第三實施例的前視示意圖。

圖8為本發明之摩擦攪拌焊接裝置第四實施例的俯視示意圖。

圖8A為本發明圖8的局部側視示意圖。

圖9至圖11為本發明之摩擦攪拌焊接裝置第四實施例依序下刀的俯視示意圖。

圖9A至圖11A分別為本發明圖9至圖11的側視示意圖。

請參考圖1，為本發明之摩擦攪拌焊接裝置用以焊接疊合之金 屬板的示意圖。本發明提供一種摩擦攪拌焊接裝置100用以焊接疊合之金屬板M1及M2，針對疊合之金屬板(M1及M2)進行焊接。摩擦攪拌焊接裝置100包括連接座40及多個焊接頭11、12、13、21、22、23。上述連接座40定義一軸心方向X，該軸心方向X大致垂直該疊合之金屬板(M1及M2)。

焊接的過程，該些多個焊接頭11、12、13、21、22、23與該疊合之金屬板M1、M2產生相對的直線移動，原則上是將該疊合之金屬板M1、M2剛性地固定在背墊P上(參圖1)。摩擦攪拌焊接裝置100沿著直線(如圖2所示的Y方向)移動。在焊接過程中，該些焊接頭11、12、13、21、22、23高速旋轉，並且沿金屬板M1的一直線方向與金屬板M1相對移動。

請配合圖2所示，為本發明之摩擦攪拌焊接裝置的俯視示意圖。本實施例的該些焊接頭11、12、13、21、22、23分成二排R1、R2。然而，本發明不以此為限，焊接頭可以更多個，分排的數量可以是至少二個。以焊接頭11及21為例，每一該焊接頭11、21具有一肩部110、210及一突出於該肩部110、210的攪拌針111、211，該些焊接頭11、12、13、21、22、23沿著該軸心方向X彼此平行地排列並且設於該連接座40的底面，該些焊接頭11、12、13、21、22、23沿著該軸心方向X轉動。

如圖3所示，為本發明焊接疊合之金屬板的示意圖。以焊接頭11及21為例說明，焊接頭11、21的攪拌針111、211伸進金屬板M1、M2內部進行摩擦和攪拌，焊接頭11、21的肩部110、210與金屬板M1表面摩擦生熱，並用於防止塑性狀態材料的溢出，同時提供清除表面氧化膜的作用。

請再參閱圖2及圖3，其中該些焊接頭11、12的該肩部110、210的摩擦涵蓋區域A11、A21沿著該直線移動方向Y部分重疊，以致該些焊接頭11、21的該些摩擦涵蓋區域A11、A21形成面狀的焊接區(如圖4所示)。本實施例的該些焊接頭11、12、13、21、 22、23排列成二排R1、R2，位於不同排的該些焊接頭沿著上述直線移動方向Y彼此交錯地設置。亦即，第一排R1的焊接頭11、12、13與第二排R2的焊接頭21、22、23，彼此交錯地設置。從另一角度描述，沿著與焊接頭的垂直橫切面，該些焊接頭11、12、13、21、22、23的摩擦涵蓋區域A11、A21、A12、A22、A13、A23沿著摩擦攪拌焊接裝置100的直線移動方向Y(如圖2所示)形成部分重疊而連接成一平面式的摩擦涵蓋區域(如圖3、圖4所示)。更明確地說，第二排R2的焊接頭21與第一排R1的焊接頭11、12交錯地設置，第二排R2的焊接頭22與第一排R1的焊接頭12、13交錯地設置。第一排R1的焊接頭13與第二排R2的焊接頭22及23交錯地設置。

如圖3及圖4所示，藉由本實施例上述安排，位於不同排(R1、R2)的該些焊接頭11、12、13、21、22、23的該些肩部形成的該多數個摩擦涵蓋區A11、A21、A12、A22、A13、A23，由左至右，彼此部分重疊而形成多個重疊區C，或者說，交叉重疊而形成面狀的焊接效果。在焊接的過程中，摩擦攪拌焊接裝置100只需要沿著直線移動方向Y(如圖2所示)移動一次，即可完成面狀焊接的疊合之金屬板M1、M2，不需要再來回移動。圖4的疊合之金屬板M1、M2有些因為焊接頭11、12、13、21、22、23前後錯開而未焊接的區域，可利用後續以單個焊接頭焊接，或加工予以切除。此外，本發明也可以進一步包括利用銑刀(圖略)銑平上述多個摩擦涵蓋區域的表面，以使疊合的金屬板M1、M2具有平整的表面。本發明的另一種做法為每個焊接頭分別進刀，可以減少廢料之產生。後面的實施例將舉例細部說明。

請再參閱圖1，關於本實施例的連接座40驅動所述多個焊接頭11、12、13、21、22、23的方式，可以有多種方式。連接座40包括一齒輪組44以將動力傳動至所述多個焊接頭11、12、13、21、22、23。以焊接頭11為例，齒輪組44嚙合於該焊接頭11頂端的 副齒輪112。連接座40可以如同多軸器連接於多軸立式銑床的動力軸D。藉由將該連接座40連接於銑床(圖略，僅部分圖示其動力軸D)，以銑床驅動該齒輪組44，進而帶動該些焊接頭11、12、13、21、22、23。

請再參閱圖2，連接座40也可以利用鏈條46傳輸動力至上述多個焊接頭11、12、13、21、22、23，該鏈條46鏈接上述多個焊接頭11、12、13、21、22、23以提供上述多個焊接頭11、12、13、21、22、23轉動的動力。

請參閱圖5及圖6，圖5為本發明之摩擦攪拌焊接裝置第二實施例的俯視示意圖；圖6為本發明焊接疊合之金屬板的另一剖視示意圖。本發明的連接座可以有多種方式。此實施例的擦攪拌焊接裝置100a提供一圓形的連接座40a，其中該些焊接頭15、16、17、25、26排列成一環狀。其中該連接座40a包括一行星齒輪組G以驅動該些焊接頭15、16、17、25、26。補充說明，此實施例的焊接頭15、25具有肩部150、250及攪拌針151、251。肩部150、250具有不同的面積而形成不同的摩擦涵蓋區域A15、A25。在此種安排下，焊接頭25、26提供較大的摩擦涵蓋區域A25、A26與較小的摩擦涵蓋區域A15、A16、A17部分地交叉重疊，該些焊接頭15、16、17之間的距離可以更方便依需要安排。

請參閱圖7，為本發明之摩擦攪拌焊接裝置第三實施例的前視示意圖。本實施例說明本發明也可以設計可升降的焊接頭。此實施例摩擦攪拌焊接裝置100b包括一連接座40b，其包括二組連接機構41、42。該二組連接機構41、42對應地固持該二排的該些焊接頭11b、12b、13b以及21b、22b。每一焊接頭11b、12b、13b、21b、22b各具有一動力元件113、123、133、213、223，例如馬達，用以驅動肩部110、120、130、210、220及攪拌針111、121、131、211、221。其中上述連接機構41、42的一側各設有一升降裝置411及421，用以升降上述連接機構41、42。藉由上述安排， 可升降的焊接頭可以彌補圖4中未焊接的區域，例如在該些焊接頭11b、12b、13b焊接一段距離之後，再藉由升降裝置421降下連接機構42及焊接頭21b、22b，沿著疊合之金屬板M1、M2的邊緣開始焊接。本實施例不限制於上述，其中連接機構的數量可以是至少二個，至少一個連接機構的一側設有一升降裝置。

本發明基於上述的摩擦攪拌焊接裝置提供一種摩擦攪拌焊接方法，用以焊接疊合之金屬板M1、M2，以圖1至圖3為例，包括下列步驟：提供一連接座40，並在該連接座40定義一軸心方向X；提供多個焊接頭11、12、13、21、22、23，並使該多個焊接頭11、12、13、21、22、23可轉動地沿著軸心方向X平行地設置於該連接座40，其中每一焊接頭11、12、13、21、22、23具有一肩部(110、210，其餘未標號)及一突出於該肩部的攪拌針(111、211，其餘未標號)。

接著，使當該些多個焊接頭11、12、13、21、22、23與該疊合之金屬板M1、M2產生相對的直線移動；以及然後，使該些焊接頭11、12、13、21、22、23的該肩部(110、210，其餘未標號)的摩擦涵蓋區域A11、A21、A12、A22、A13、A23沿著上述直線移動的方向Y部分重疊，以致該些摩擦涵蓋區域A11、A21、A12、A22、A13、A23形成一面狀的焊接區，如圖4所示。

其中該些焊接頭11、12、13、21、22、23的排列包括下列步驟，可以將該些焊接頭11、12、13、21、22、23排列成至少二排R1、R2。使位於不同排的該些焊接頭11、12、13、21、22、23彼此相錯地設置，以使不同排的該些焊接頭11、12、13、21、22、23的該些肩部(110、210，其餘未標號)形成的該些摩擦涵蓋區域(A11、A21、A12、A22、A13、A23)彼此部分重疊。當然，焊接頭也可依圖5方式安排成環狀排列。此外，焊接頭可以依圖7安排， 提供連接座40b，連接座40b包括可以至少一個可升降的連接機構以升降焊接頭。

請參考圖8，為本發明另一種焊接頭的排列示意圖。此實施例以五個焊接頭11、12、13、14、15為例，焊接頭11、12、13、14、15以差排方式排列，換言之，相對於金屬板M1的前邊緣M11與後邊緣M12呈一斜線排列(金屬板M2疊合於金屬板M1下方)。每一焊接頭11、12、13、14、15的中心點之間的間距沿著金屬板M1的前邊緣M11較佳為焊接頭的半徑R。例如以30mm直徑的焊接頭為例，焊接頭11與焊接頭12之間的間距為15mm。

請參考圖8A，為本發明的焊接頭進行攪拌焊時的角度側面示意圖。當上述五個焊接頭11、12、13、14、15進行攪拌焊時，或稱「下刀」，可以是同時下刀，也就是同時抵接於金屬板M1及M2進行攪拌焊。本發明的焊接頭進行攪拌焊時的角度，此圖以一個焊接頭11示意說明，焊接頭11的肩部110底面背向金屬板M1及M2的移動方向較佳地向上傾起一個傾斜角A。傾斜角A可以是在1度至5度之間，較佳是大約2度。此種方式的優點在於可以減小焊接頭下刀剛接觸到金屬板M1時的阻力。

此外，兩個相鄰焊接頭(例如11、12)的轉動方向可以彼此相反，可降低側向分力與軸向負荷。

請參圖9至圖11A，本發明的多個焊接頭較佳可以是可獨立升降。多個焊接頭輪流分隔一時間才抵接於金屬板M1及M2進行攪拌焊，以焊接頭11、12、13為例說明如下。此實施例的每一焊接頭，可以是搭配單一主軸，具有單獨動力且可獨自升降。

如圖9及圖9A所示，金屬板M1及M2朝向圖式左邊移動，金屬板M1及M2先抵達焊接頭11的下方，焊接頭11先向下刀抵接於金屬板M1頂面進行攪拌焊。

如圖10及圖10A所示，金屬板M1及M2繼續向左移動，移到焊接頭12的下方，焊接頭12接著下刀抵接於金屬板M1頂面進 行攪拌焊。由圖10觀看，焊接頭11與焊接頭12的攪拌焊可以由金屬板M1的前邊緣M11開始。摩擦涵蓋區域A11、A21切齊於金屬板M1的前邊緣M11。

如圖11及圖11A所示，金屬板M1及M2繼續向左移動，移到焊接頭13的下方，焊接頭13接著下刀抵接於金屬板M1頂面進行攪拌焊。由圖11觀看，焊接頭13與焊接頭11、12的攪拌焊由金屬板M1的前邊緣M11開始。摩擦涵蓋區域A11、A21、A13切齊於金屬板M1的前邊緣M11。金屬板M1及M2繼續向左移動，摩擦涵蓋區域A11、A21、A13可以完整地由前邊緣M11涵蓋到後邊緣M12，並不需要額外切除的工作。此實施例藉由每個焊接頭分別進刀，可以減少廢料之產生。

本發明之特點及功能在於，可使疊合的金屬板M1、M2的鄰接面產生面狀焊接，減少金屬板之間的縫隙，加強焊接強度以及熱傳導效能。特別的，本發明可加快疊合的金屬板M1、M2的焊接速度，相較於先前技術單一焊接頭以來回彎折的焊接方式，可以節省大量的時間。此外，可以確保摩擦涵蓋區域彼此重疊，確保焊接品質。

以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100‧‧‧摩擦攪拌焊接裝置

M1、M2‧‧‧金屬板

11、12、13、21、22、23‧‧‧焊接頭

110、210‧‧‧肩部

111、211‧‧‧攪拌針

112‧‧‧副齒輪

40‧‧‧連接座

44‧‧‧齒輪組

X‧‧‧軸心方向

D‧‧‧動力軸

R1‧‧‧第一排

R2‧‧‧第二排

P‧‧‧背墊

Claims (12)

1. 一種摩擦攪拌焊接裝置，用以焊接疊合之金屬板，包括：一連接座，定義一軸心方向；以及多個焊接頭，每一該焊接頭具有一肩部及一突出於該肩部的攪拌針，該些焊接頭沿著該軸心方向排列並且設於該連接座的底面，該些焊接頭沿著該軸心方向轉動；其中當該些多個焊接頭與該疊合之金屬板產生相對的直線移動時，其中該些焊接頭的該肩部的摩擦涵蓋區域沿著該直線移動方向部分重疊，以致該些焊接頭的該多個摩擦涵蓋區域形成一面狀的焊接區；其中該些焊接頭排列成至少二排，位於不同排的該些焊接頭彼此相錯地設置，不同排的該些焊接頭的該些肩部形成的該些摩擦涵蓋區彼此部分重疊。
2. 如請求項1所述之摩擦攪拌焊接裝置，其中該連接座包括至少二連接機構，該至少二連接機構對應地固持該至少二排的該些焊接頭，至少一該連接機構的一側設有一升降裝置以升降該些焊接頭。
3. 如請求項1所述之摩擦攪拌焊接裝置，其中該連接座包括一齒輪組，每一該焊接頭的頂端設有一副齒輪，該齒輪組嚙合於該些副齒輪。
4. 如請求項3所述之摩擦攪拌焊接裝置，其中該連接座連接於一銑床，該銑床驅動該齒輪組。
5. 如請求項1所述之摩擦攪拌焊接裝置，其中該連接座包括一鏈條，該鏈條鏈接該些焊接頭以提供該些焊接頭轉動的動力。
6. 一種摩擦攪拌焊接裝置，用以焊接疊合之金屬板，包括：一連接座，定義一軸心方向；以及多個焊接頭，每一該焊接頭具有一肩部及一突出於該肩部的攪拌針，該些焊接頭沿著該軸心方向排列並且設於該連 接座的底面，該些焊接頭沿著該軸心方向轉動；其中當該些多個焊接頭與該疊合之金屬板產生相對的直線移動時，其中該些焊接頭的該肩部的摩擦涵蓋區域沿著該直線移動方向部分重疊，以致該些焊接頭的該多個摩擦涵蓋區域形成一面狀的焊接區；其中該些焊接頭排列成一環狀。
7. 如請求項6所述之摩擦攪拌焊接裝置，其中該連接座包括一行星齒輪組以驅動該些焊接頭。
8. 如請求項6所述之摩擦攪拌焊接裝置，其中該些焊接頭的該些肩部具有不同的面積而形成不同的該摩擦涵蓋區域。
9. 一種摩擦攪拌焊接裝置，用以焊接疊合之金屬板，包括：一連接座，定義一軸心方向；以及多個焊接頭，每一該焊接頭具有一肩部及一突出於該肩部的攪拌針，該些焊接頭沿著該軸心方向排列並且設於該連接座的底面，該些焊接頭沿著該軸心方向轉動；其中當該些多個焊接頭與該疊合之金屬板產生相對的直線移動時，其中該些焊接頭的該肩部的摩擦涵蓋區域沿著該直線移動方向部分重疊，以致該些焊接頭的該多個摩擦涵蓋區域形成一面狀的焊接區；其中該些焊接頭以差排方式排列，相對於該金屬板的邊緣呈一斜線排列，每一該焊接頭的中心點之間的間距沿著該金屬板的邊緣為該焊接頭的半徑。
10. 一種摩擦攪拌焊接方法，用以焊接疊合之金屬板，包括下列步驟：提供一連接座，並在該連接座定義一軸心方向；提供多個焊接頭，並使該多個焊接頭可轉動地沿著上述軸心方向平行地設置於該連接座，其中每一焊接頭具有一肩部及一突出於該肩部的攪拌針；使當該些多個焊接頭與該疊合之金屬板產生相對的直線 移動；以及使該些焊接頭的該肩部的摩擦涵蓋區域沿著上述直線移動的方向部分重疊，以致該些焊接頭的該多個摩擦涵蓋區域形成一面狀的焊接區；其中該些焊接頭的排列包括下列步驟：將該些焊接頭排列成至少二排；使位於不同排的該些焊接頭彼此相錯地設置，以使不同排的該些焊接頭的該些肩部形成的該些摩擦涵蓋區域彼此部分重疊。
11. 如請求項10所述之摩擦攪拌焊接方法，進一步包括利用銑刀銑平上述多個摩擦涵蓋區域的表面。
12. 如請求項10所述之摩擦攪拌焊接方法，其中兩個相鄰焊接頭的轉動方向彼此相反以降低側向分力與軸向負荷。