TWI739681B

TWI739681B - 摩擦攪拌銲接壓持治具系統

Info

Publication number: TWI739681B
Application number: TW109141847A
Authority: TW
Inventors: 王智楷; 童培鈞; 林典永; 李捷
Original assignee: 財團法人金屬工業研究發展中心
Priority date: 2020-11-27
Filing date: 2020-11-27
Publication date: 2021-09-11
Also published as: TW202220775A

Abstract

一種摩擦攪拌銲接壓持治具系統，適用於一摩擦攪拌銲接設備，摩擦攪拌銲接設備包含主軸系統，主軸系統包含外圍的非轉動區域與可轉動的主軸軸心以及連接主軸軸心的攪拌頭，壓持治具系統包含：一壓持治具鄰接於非轉動區域，並位於攪拌頭旁側，壓持治具具有一基座、一連接基座的線性滑移機構、一設置於線性滑移機構上並分別連接基座的回彈機構，以及設置於線性滑移機構端部的接觸部，在攪拌頭未接觸待接合工件時，接觸部的第一表面凸出於攪拌頭的第二表面，在進行銲接時，接觸部會先下壓待接合工件表面，再持續下壓並保持壓緊狀態下進行銲接。

Description

摩擦攪拌銲接壓持治具系統

本發明為一種摩擦攪拌銲接壓持治具系統，特別是有關於一種應用設置於攪拌頭旁側之多個可以持續下壓工件並可以在一定範圍內自動調整下壓行程的壓持治具系統。

摩擦攪拌銲接由英國銲接研究所(The Welding Institute,TWI)於1991年所發展出來之新式銲接方式。由於摩擦攪拌銲接具有優於傳統銲接之銲接品質優勢，在國際間已大量應用於鋁合金相關產品，而近年來世界各地推行節能減碳與環保材料應用之風潮、以及車體結構輕量化、能源電能車之相關政策推動等等，使得鋁合金之產應用與摩擦攪拌銲接需求更逐年廣泛。

鋁合金摩擦攪拌銲接夾持相較於傳統銲接強度更高，但在焊接薄板工件的過程中，由於被焊本身的變形抗力不足，在攪拌頭周圍容易發生翹曲和褶皺變形，導致無法獲得良好的焊縫變形，因此限制了攪拌摩擦焊在薄板工件上的應用。在薄板銲接上，傳統夾治具皆為專用夾治具，針對不同接頭形式，產品方式進行夾治具設計，再對應少量多樣之產品，尤其在具備特殊結構如：不等厚度銲接、曲面銲接、大型結構等，其上壓治具不易設計製作，且須耗費大量製作費用。隨動式之上壓治具可減少治具製作費用，並達到摩擦攪拌銲接緊密上壓持，但同樣在對應特殊結構時，無法達成可撓性變化之上部壓持需求。

中國公開號CN102672345A揭露一種適用於薄板的隨焊下壓攪拌摩擦焊焊具及其焊接方法。該隨焊下壓攪拌摩擦焊具，包括攪拌頭P1，徑向定位軸承P2，下壓滑塊P3和固定框架P4，徑向定位軸承P2套裝在攪拌頭P1的外螺紋上，下壓滑塊P3通過螺栓固定安裝在固定框架P4的下表面上，下壓滑塊P3和固定框架P4整體套裝在攪拌頭P1的外螺紋上，逐步定位軸承P2放在攪拌頭P1的外直徑與固定框架P4的內徑之間，攪拌頭P1的軸肩和攪拌針外露於下壓滑塊P3的下表面外。其焊接方法具體步驟如下：步驟一，將第一被焊工件P5和第二被焊工件P6用夾具固定在工作台上，使第一被焊工件P5的焊接處和第二被焊工件P6的焊接處對接，且首先被焊接工件P5與第二被焊接工件P6同時同一水平面；步驟二，啟動攪拌頭P1，攪拌頭P1的轉速為200rpm~2000rpm，焊具整體下軋至第一被焊工件P5和第二被焊工件P6的焊接起始位置，使下壓滑塊P3的下表面與第一被焊工件P5和第二被焊工件P6的上表面緊密接觸，攪拌頭P1的軸肩軋入第一被焊工件P5和第二被焊工件P6上表面的深度相等於下壓滑塊P3的下表面與攪拌頭P1)軸肩兩端之間的距離；步驟三，焊具整體以速度(Vx)為10mm/min~1000mm/min沿第一被焊接工件P5與第二被焊工件P6的對接面長度方向移動，直到焊接完成為止。

本發明的目的在於提供一種摩擦攪拌銲接壓持治具系統，應用設置於主軸軸心旁側的多個壓持治具，且該些壓持治具較攪拌頭先接觸工作，並能保持一下壓力壓住工件同時跟隨攪拌頭在待接合工件表面移動。

為達成上述目的，本發明提供一種摩擦攪拌銲接壓持治具系統，係應用於一摩擦攪拌銲接設備，其包括一主軸系統，該主軸系統包含一非轉動區域，該非轉動區域中央設有一主軸軸心，該主軸軸心連接一攪拌頭進行轉動以對一待接合工件進行摩擦攪拌銲接，該壓持治具系統包含：一壓持治具，係鄰接於該非轉動區域上，並位於攪拌頭的旁側，壓持治具具有一鄰接於該非轉動區域上的基座、一連接於該基座的線性滑移機構、一設置於該線性滑移機構上並連接該基座的回彈機構以及一設於該線性滑移機構之端部的接觸部，且在該攪拌頭未接觸該待接合工件時，該接觸部的第一表面凸出於該攪拌頭的一第二表面；其中，該主軸系統係帶著該攪拌頭與該些壓持治具在該待接合工件上進行3個空間維度範圍內的一銲接路徑移動，該些壓持治具用以對臨近該攪拌頭之該待接合工件的表面保持一定的下壓壓力，且於主軸系統沿著該銲接路徑移動時，在保持該下壓壓力下隨之滑移於該待接合工件的表面。

在一些實施方案中，該非轉動區域具有一面向該待接合工件的肩部，該些壓持治具係設置於該肩部上。

在一些實施方案中，該肩部具有一第三表面，在該攪拌頭未接觸該待接合工件時，該第一表面至該第三表面的高度大於第二表面至該第三表面的高度。

在一些實施方案中，該線性滑移機構包含一桿件以及該基座具有一供該桿件套入的凹穴，以形成供該桿件軸向移動的該線性滑移機構且該凹穴形成在該基座內。

在一些實施方案中，該回彈機構為一前、後兩端分別連接於該基座與該桿件的壓縮彈簧。

在一些實施方案中，該回彈機構為一對分別設置於該基座與該桿件，且磁極相斥的磁性元件。

在一些實施例中，該接觸部為可以本身軸線為中心軸進行滾動的一滑輪或一球體。

在一些實施例中，該接觸部為不滾動之弧面體。

在一些實施例中，該些壓持治具係以該攪拌頭為中心，於該主軸系統的底視方向呈陣列式排列。

本發明在一些實施例中，該些壓持治具係以該攪拌頭為中心，於該主軸系統的底視方向呈全周等角均勻分佈。

本發明在一些實施例中，該些壓持治具之該些接觸部所接觸的該待接合工件的表面為一曲面或非同一水平面之一第一平面與第二平面。

本發明的至少具有下列特點：本發明之設計使壓持治具達一定的區間內彈性位移或磁力緩衝位移，達成不等高度之待接合工件組合或曲面之待接合工件之上部壓持。本發明之設計可對應曲面、大型工件、不等厚等特殊結構夾持需求，可對應目前國際上產品少量多樣之開發趨勢；本發明可搭配三~五軸摩擦攪拌專用機、機械手臂等自動化設備，大幅提升接合效率；本治具設計結構簡單，可對應多種接頭變化，同時可降低治具製作成本，於產品試作開發初期可對應多次產品設變而不需要另外額外修改治具。本發明提供了3D結構之新型態之摩擦攪拌治具方案，可促進摩擦攪拌銲接製程在特殊結構鋁合金，如曲面銲道、銲道二側不同高低平面之銲接應用。

P2:定位軸承

P3:下壓滑塊

P4:固定框架

P5:第一被焊工件

P6:第二被焊工件

Vx:速度

1:壓持治具系統

2:主軸系統

21:非轉動區域

211:肩部

2111:第三表面

22:主軸軸心

P1、23:攪拌頭

231:第二表面

3:壓持治具

31:基座

311:凹穴

312:桿件

32:線性滑移機構

33,33’:回彈機構

331:壓縮彈簧

332:磁性元件

34:接觸部

340:第一表面

341:滑輪

342:球體

343:弧面體

D:行進方向

L1,L2:高度

T1,T2:厚度

S:工件表面

S1:第一工件表面

S2:第二工件表面

R:銲接路徑

W:待接合工件

W1:第一工件

W2:第二工件

[圖1]為先前技術之隨焊下壓攪拌摩擦焊焊具剖面示意圖；[圖2]為本發明一實施例之摩擦攪拌銲接壓持治具未接觸待接合工件之前視部面圖；[圖3]為圖2實施例之摩擦攪拌銲接壓持治具持壓工件之前視部面圖；[圖4]為本發明一實施例之回彈機構為壓縮彈簧式、壓持治具的接觸部為滑輪的剖面示意圖；[圖5]為本發明一實施例之壓持治具的接觸部為球體的剖面示意圖；[圖6]為本發明一實施例之回彈機構為磁場式壓持治具的剖面示意圖；[圖7]為本發明一實施例之摩擦攪拌銲接壓持治具應用於不等高之待接合工件的剖面示意圖；[圖8]為本發明一實施例之壓持治具呈兩側分佈的底視示意圖；[圖9]為本發明一實施例之壓持治具呈矩陣分佈的底視示意圖；及[圖10]為本發明一實施例之壓持治具作動於待接合工件表面為曲面之側面剖示圖。

茲配合圖式將本發明實施例詳細說明如下，其所附圖式主要為簡化之示意圖，僅以示意方式說明本發明之基本結構，因此在該等圖式中僅標示與本發明有關之元件，且所顯示之元件並非以實施時之數目、形狀、尺寸比例等加以繪製，其實際實施時之規格尺寸實為一種選擇性之設計，且其元件佈局形態有可能更為複雜。

以下各實施例的說明是參考附加的圖式，用以例示本發明可據以實施的特定實施例。本發明所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「內」、「外」、「側面」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本申請，而非用以限制本申請。另外，在說明書中，除非明確地描述為相反的，否則詞語“包括” 將被理解為意指包括所述元件，但是不排除任何其它元件。

請參照圖2、圖3所示。本實施例之摩擦攪拌銲接壓持治具系統1，是適合應用在摩擦攪拌銲接設備，該摩擦攪拌銲接設備具有一主軸系統2，該主軸系統2包含一位於外圍、可移動的非轉動區域21與位於中央且在移動期間可同時進行轉動的主軸軸心22、一連接於該主軸軸心22的攪拌頭23，或稱攪拌工具，係用以對一待接合工件W進行摩擦攪拌銲接作業該壓持治具系統1包含：壓持治具3，其係鄰接在該非轉動區域21的攪拌頭23的旁側。參照圖2及圖3所示，在一實施例中，壓持治具3具有多個，配置方式可平均分佈，也可側重於銲接的行進方向為多數。壓持治具3具有一鄰接在該非轉動區域21上的基座31、一連接於該基座31的線性滑移機構32和一設置於該線性滑移機構32上並連接該基座31的回彈機構33以及一設於該線性滑移機構33之端部的接觸部34。在另一實施例中，壓持治具3可以是一個且以連續的方式環繞攪拌頭23。

根據前述結構設計，在本發明將上述壓持治具3配置在該主軸系統2後，當該攪拌頭23未接觸該待接合工件W時，該接觸部34面向該待接合工件W的最前緣之一第一表面340凸出於該攪拌頭23未端之一第二表面231。在一實施例中，該非轉動區域21具有一面向該待接合工件W的肩部211，該肩部211具有一第三表面2111，在該攪拌頭23未接觸該待接合工件W時，該第一表面340至該第三表面2111的高度L1大於第二表面231至該第三表面2111的高度L2。(如圖2所示)；因此，當進行摩擦攪拌銲接作業而將該主軸系統2靠近該待接合工件W，在該攪拌頭23即將接觸待接合工件W前，該些壓持治具3的接觸部34會先於該攪拌頭23接觸該待接合工件W，以對其產生向下的壓持力(如圖3所示)，令該待接合工件W(尤其是薄形板件)保持在最佳的服貼狀態，以利後續的該攪拌頭23施工精度。上述主軸系統2係帶著該攪拌頭21與該些壓持治具3在該待接合工件W上進行3個空間維度範圍內，包含2維平面及3維立體空間的一銲接路徑R移動，該些壓持治具3用以對該攪拌頭3附近的該待接合工件W的表面保持一定的下壓壓力，且於主軸系統2沿著該銲接路徑R移動時，在保持該下壓壓力下隨之滑移於該待接合工件W的工件表面S，且因每個壓持治具3個別都有獨立的線性滑移機構32及回彈機構33，因此可個別對接觸的該工件表面S起伏作出位移反應(如圖10所示)。

在本發明的一些實施例中，該線性滑移機構32包含一桿件321以及一供該桿件312套入的凹穴311，且該凹穴311形成在該基座31內，以使該桿件312可沿桿件321中心縱軸方向往復移動。

如圖5所示，在本發明的一些實施例中，該回彈機構33可為一壓縮彈簧331，該壓縮彈簧331的前、後兩端分別連接於該基座31與該桿件312上，使利用該桿件312在該線性滑移機構32上往復移動。

如圖6所示，在本發明的一些實施例中，該回彈機構33’可為一對分別設置於該基座31與該桿件312且磁極相斥的磁性元件332，使利用該桿件312在該線性滑移機構32上往復移動。

如圖2所示。在本發明的一些實施例中，上述壓持治具3可設置於該非轉動區域21的合理部位，例如設置於該非轉動區域21面向該待接合工件W的肩部211，該些壓持治具2設置於該肩部211上。當然，在一些實施例中，也可以將該些壓持治具3設置於該非轉動區域21之與肩部211相互垂直的側立面，可解決肩部211區域的空間不足，而無法容納該些壓持治具3的問題。

值得一提的是，本發明之該些壓持治具3係為模組化設計，因此可外掛於即有的摩擦攪拌銲接設備上，以升級原有的摩擦攪拌銲接設備。

在一些實施例中，接觸部34以低摩擦力的形式與待接合工件W接觸。在一實施例中，如圖4、圖5所示。圖4中繪示本發明之接觸部34為滾動的一滑輪341形態(與該待接合工件W的接觸為線接觸)，圖5中揭示本發明之接觸部34為滾動的一球體342形態(與該待接合工件W的接觸為點接觸)。當然，在另一實施例中，如圖6所示，本發明之該接觸部34也可為不滾動之弧面體343的形態(與該待接合工件W的接觸為線接觸或點接觸)，亦可使其接觸摩擦力減小。在另一實施例中，接觸部34是以低摩擦係數的材質所製成，例如：聚四氟乙烯(鐵氟龍)。

在一些實施例中，如圖3及圖7所示，該待接合工件W包含一第一工件W1與一第二工件W2，該第一工件W1與該第二工件W2併接處為一銲接路徑R。在圖7的實施例中揭示該壓持治具3與該待接合工件W接觸於非同一水平面之第一工件W1的一第一工件表面S1與第二工件W2的第二工件表面S2，其第一工件W1的厚度T1大於第二工件W2的厚度T2，因此該第一工件表面S1係高於該第二工件表面S2，而即使是二工件的表面存在不同高度，本發明仍可因壓持治具3的線性滑移機構32及回彈機構33的設計，而能在靜止或移動時持壓地移動在該第一工件表面S1與該第二工件表面S2上；或者如圖10所示，該些壓持治具3之該些接觸部34所接觸的該待接合工件W的工件表面S為一曲面。

在一些實施例中，如圖8所示。該些壓持治具3係以該攪拌頭23為中心，於該主軸系統2的底視方向(也就是該攪拌頭23的底視圖方向)呈陣列式排列；在一些實施例中，如圖9所示。該些壓持治具3係以該攪拌頭23為中心，於該主軸系統2的底視方向(亦即該攪拌頭23的底視圖方向)呈全周等角均勻分佈。

上述揭示的實施形態僅例示性說明本發明之原理、特點及其功效，並非用以限制本發明之可實施範疇，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。