專利名稱：攪拌摩擦焊裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種攪拌摩擦焊裝置，攪拌頭，能夠以繞旋轉軸旋轉的方式被驅動，包括驅動端和自由端，其中，在所述驅動端和所述自由端之間存在圓柱形的接合部，所述接合部沿所述旋轉軸軸向地延伸，所述接合部的圓周表面用來與一個或多個エ件接合；第一軸肩元件，設置在所述接合部的面向所述驅動端的ー側并相對于所述旋轉軸同心圍繞于所述攪拌頭，所述第一軸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與所述旋轉軸垂直地延展，以及第ニ軸肩元件，設置在所述接合部的面向所述自由端的一側并相對于所述旋轉軸同心圍繞于所述攪拌頭，所述第二軸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與所述旋轉軸垂直地延展，其中所述第二支承面延伸至所述接合部，且其中所述第一軸肩元件用來抵靠ー個或多個エ件的第一表面，所述第二軸肩元件用來抵靠所述ー個或多個エ件的與第一表面相対的第二表面。
背景技術：
摩擦焊接的原理涉及通過不同エ件間或エ件與焊頭(tool)的摩擦使得一個或多個エ件的材料先被塑化而后再被固化。在攪拌摩擦焊中，待焊接的兩個エ件(一般為金屬材質)先彼此抵靠放置。這可能表示，如，兩個金屬板(plates)或金屬片(sheets)表面對表面(搭接)地放置，或者以窄側面彼此相靠(對接)的方式彼此相鄰地設置。如此ー來，攪拌摩擦焊工具在接觸面區域中伸入(例如通過焊孔或從邊緣)到兩個エ件至少之ー的材料中。攪拌摩擦過程是由焊頭的旋轉所帯來的，所述焊頭與至少ー個エ件摩擦，并使得兩個エ件至少之ー的材料塑化。在此同時，攪拌摩擦焊頭可選地沿兩個エ件的界面移動。隨后，兩個エ件界面處的被塑化材料冷卻，形成保持兩個エ件連接的焊縫。已知的現有技術存在許多種攪拌摩擦焊設備，例如WO 2006/055530。所有這些設備的共同點為，大致為圓柱形或錐形的攪拌頭具有與至少ー個エ件接合的接合部分，攪拌頭還具有抵靠在所述至少一個エ件的表面上的軸肩元件。攪拌頭與軸肩元件受到旋轉模式的驅動，攪拌頭伸入エ件間(如待焊接的兩個彼此正對放置的エ件之間)使軸肩元件抵靠該エ件的表面。攪拌頭以及軸肩元件對エ件的摩擦，引起工件間毗連區域中材料的塑化。隨著裝置沿著兩個エ件的接觸面做向前運動，當沿運動方向看起來吋，由旋轉的攪拌頭引起塑化的材料被轉移至攪拌頭的后沿，此被塑化的材料與另ー個エ件的被塑化的材料結合，形成焊縫。為使攪拌摩擦焊頭能夠在エ件的兩個表面上得到支撐且將エ件彼此對準，可使用帶有第一和第二軸肩元件(以管筒工具被熟知)的攪拌摩擦焊裝置，其中第一和第二軸肩元件抵靠(一個或更多個)エ件的對立表面。此種裝置是已知的，例如見JP2008/296285或 EP 1738856B1。但是，具有管筒結構的攪拌摩擦焊裝置的問題在于，為了在向兩個軸肩元件傳遞扭矩的同時與至少ー個エ件的待塑化區域摩擦，攪拌頭必須吸收非常高的機械負荷和熱負荷。因此，為了不損壞裝置，攪拌頭可接受的向前運動速度受限于エ件，這樣就使得整個焊接過程的持續時間増加。但是，受限的速度必定來自于機械方面，攪拌頭的向前運動導致在エ件塑化區域以及攪拌頭區域過高的過程溫度，這樣可能一方面不利于焊接接頭的質量，另一方面會損壞攪拌頭本身。此外，當使用筒管配置吋，該攪拌摩擦焊頭的處理速度相比于常規攪拌摩擦焊頭低很多。由于這些原因，迄今為止，在攪拌摩擦焊中使用管筒配置只是次要的。

發明內容
因此，在現有技術的基礎上，本發明的目的在于提供一種攪拌摩擦焊裝置，所述攪拌摩擦焊裝置能夠降低攪拌頭的機械負荷和熱負荷以及エ件的熱負荷。 通過以可繞旋轉軸自由旋轉的方式連接到攪拌頭的第二軸肩元件來實現該目的。在這種方式下，攪拌頭并不向第二軸肩元件傳遞任何扭矩，而是相對第二軸肩元件自由旋轉。因此，所述第二軸肩元件并不相對至少一個エ件的表面執行任何旋轉運動，所以也沒有因旋轉運動所引起的摩擦，而所述摩擦是第二軸肩元件以及至少ー個エ件升溫的原因。因為第二支承面延伸至攪拌頭的接合部，這樣僅僅是接合部在其旋轉過程中產生摩擦熱。而第二軸肩元件不增加摩擦熱。因此，攪拌頭機械負荷和熱負荷減小了。(一個或更多個)エ件的熱負荷也減小了。反過來，エ件較低的最高溫度代表了更高質量的焊接接頭。此外，具有較低的熱負荷和機械負荷的攪拌頭，可設定較高的摩擦速度，也即攪拌頭可以較高的速度在材料中向前運動。在這種方式下，一方面攪拌頭和エ件的溫度可以進一歩的降低。另ー方面，較短的過程持續時間也可帶來更有效的焊接エ藝。綜上所述，根據本發明，可以說，攪拌頭相對第二軸肩的自由旋轉與攪拌頭的損壞相抵消，從而可得到高質量的焊接接頭以及更快更有效的焊接エ藝。在一個優選的實施例中，攪拌頭以軸向可調的方式連接到第二軸肩元件。在這種方式下，第一軸肩元件到第二軸肩元件的距離是可變的，相應地，接合部的尺寸也是可變的，也即所述裝置可適合エ件的不同尺寸。進ー步說，帶有軸向可調的第二軸肩元件，為了達到更好的支撐效果，可以在(一個或更多個)エ件上施加壓カ(例如預應力)。在另ー個優選的實施例中，第二軸肩元件具有在所述第二支承面上設置的陶瓷材料的第二環狀居間件，所述第二環狀居間件圍繞接合部。第二環狀居間件相對于旋轉軸同心圍繞攪拌頭，即位于攪拌頭的接合部與第二軸肩元件之間。第二環狀居間件最初用于攪拌頭和第二軸肩元件的熱隔離，避免了攪拌頭和第二軸肩之間的直接接觸。通過使用具有極低導熱系數的陶瓷材料加強了這種效果。此外，這樣的居間件可作為第二軸肩元件里的滑動軸承來作用于攪拌頭，或作為攪拌頭上的滑動軸承來作用于第二軸肩元件。陶瓷作為第二居間件的材料，使得第二居間件不僅可耐高溫，還具有高強度，因此在不被損壞的情況下，可吸收攪拌頭的高溫、高承載力、扭矩。此外，陶瓷滑動軸承可被生產出具有足夠光滑的表面，以此允許攪拌頭(就攪拌頭的旋轉以及攪拌頭與第二軸肩元件間的軸向相對運動來說)實現較低摩擦的安裝。在另ー個優選的實施例中，所述第二軸肩元件形成為套筒，所述套筒包括沿所述旋轉軸徑向延伸的底部表面和平行于所述旋轉軸延伸的圓柱形側壁，以及所述第二支承面形成在所述底部表面中。在這種情況下，特別優選地是，若所述攪拌頭的自由端被圓柱形托架環繞，所述圓柱形托架在所述攪拌頭的軸向方向上是可調節的，以及若所述套筒可旋轉地安裝在所述托架上。這種旋轉安裝可借助滾動軸承實現。此外，特別優選地是，如果所述攪拌頭的自由端上設有螺紋，以及托架能夠螺接至所述自由端上。因此，在這種方式下，可按簡單的方式將托架以及整個第二軸肩元件設置在攪拌頭的自由端上，或也可以整個地從攪拌頭中移除托架以及整個第二軸肩元件。因此，第二軸肩元件的這種結構所達到的效果是攪拌頭以可繞旋轉軸自由轉動的方式連接到第二軸肩元件，同時也可調節第二軸肩元件的軸向位置。在一個優選的實施例中，在側壁與攪拌頭的自由端之間設置有滾珠軸承。還可優選地是雙滾珠軸承，所述雙滾珠軸承平行設置，并在旋轉軸的方向彼此分離。滾珠軸承的使用提供了基本上無摩擦的安裝，同時也可以吸收軸向負荷。在另ー個優選的實施例中，托架具有螺紋孔，螺紋孔與旋轉軸垂直地延伸以接納固定螺釘，在所述套筒的所述側壁中設置有與所述螺紋孔同軸對準的孔。這樣，例如，固定 螺釘可從外部進入套筒，然后通過相對旋轉軸擰緊將托架固定在攪拌頭的自由端上，或者，在螺釘擰松后，從攪拌頭上去除托架。在另ー個優選的實施例中，攪拌頭固定的連接到第一軸肩元件。在這種情況下，尤其優選地是，如果攪拌頭與第一軸肩元件是一體形成的。這樣，第一軸肩元件與攪拌頭一起旋轉并且摩擦至少ー個エ件的表面，引起與第一軸肩元件鄰接區域的エ件材料的塑化。在一個優選實施例中，作為替代，攪拌頭以可繞旋轉軸自由旋轉的方式連接到第一軸肩元件。在這種情況下，尤其優選的是，如果第一軸肩元件具有陶瓷材料的第一環狀居間件，所述第一居間件圍繞接合部。此外，尤其優選地是，如果攪拌頭以可軸向移動的方式連接到第一軸肩元件。因此，第一軸肩元件在本質上具有與第二軸肩元件相同的結構。兩個軸肩零件(shoulder pieces)以可繞旋轉軸自由旋轉的方式連接到攪拌頭,可能正如結合第二軸肩所做的描述，攪拌頭的機械負荷與熱負荷進ー步減少以及焊接接頭的質量進ー步增加。


以下基于附圖來解釋本發明，附圖示出了一個示例性實施例，其中圖I顯示了根據本發明的攪拌摩擦焊裝置的一個示例性實施例的側視圖；以及圖2顯示了圖I中所示示例性實施例沿旋轉軸的剖視圖。
具體實施例方式在圖I中，體現了根據本發明的攪拌摩擦焊I的一個示例性實施例。所述攪拌摩擦焊裝置I，包括攪拌頭3、第一軸肩元件5、以及第ニ軸肩元件7。攪拌頭3大體為圓柱形并以繞旋轉軸9旋轉的方式受驅動，所述旋轉軸9與攪拌頭3的對稱軸重合。攪拌頭3包括驅動端11以及與驅動端11相対的自由端13。在驅動端11處，利用未圖示的馬達來對攪拌頭3進行旋轉驅動。在驅動端11與自由端13之間，攪拌頭3包含圓柱形的接合部15，所述接合部15用于在旋轉方式下與至少ー個エ件接合。在本示例性實施例中，為了在與一個或多個エ件的材料接合的過程中產生更大的摩擦力，接合部15具有沿其圓周的圓周結構表面17，該圓周結構表面17具有ー軸向范圍。在圖I中可以看到，接合部15在其圓周表面17上具有槽結構。在本示例性實施例中，設置在接合部分15面向驅動端11的ー側的第一軸肩元件5大體為圓錐形且相對于旋轉軸9同心圍繞于攪拌頭3，并且錐體沿朝第二軸肩元件7的方向漸細。此外，第一軸肩元件5具有第一支承面19，所述第一支承面19與旋轉軸9垂直設置，并朝向接合部15。在本示例性實施例中，第一軸肩元件5與攪拌頭3旋轉連接。大體為圓錐形的第一軸肩元件5經證明是有利的，其允許在第一支承面19線性運動期間エ件摩擦產生的熱量有可能被第一支承面19吸收或消散。在攪拌頭3的第一支承面19和接合部15之間，第一軸肩元件5具有陶瓷材料的 第一環狀居間件21 (見圖2)。第一環狀居間件21用于攪拌頭3和第一軸肩元件5的熱隔離，借助第一環狀居間件21在第一支承面19區域處隔斷了攪拌頭3和第一軸肩元件5之間的直接接觸。第一環狀居間件21優選用導熱系數較低的陶瓷材料來生產。此外，陶瓷材料具有耐高溫性，從而在裝置運行過程中不會因為高溫而損壞。在本示例性實施例中，設置在接合部15的面向自由端13的ー側的第二軸肩元件7，包括套筒23，所述套筒23與攪拌頭3相對于旋轉軸9同心地設置。所述套筒23具有圓柱形側壁25，所述圓柱形側壁25沿平行于旋轉軸9的方向延展；底面27，所述底面27沿旋轉軸9的徑向延展；以及第二支承面29，所述第二支承面29面向接合部15并且垂直于旋轉軸9延展。第二支承面29延伸至接合部分15，這樣在接合部15與第二支承面29之間沒有居間空間并且也不設置另外的零件。此外，第二支承面29與第一支承面19相對地、大致平行地放置，兩個支承面19、29沿軸向限定接合部15井能夠根據不同エ件的厚度調節接合部15的軸向長度。兩個支承面19、29彼此面對，并且相對于旋轉軸9環繞于攪拌頭3或者環繞于接合部15的端部，這樣，軸肩元件5、7用于抵靠一個或多個エ件表面的對立表面。與第一軸肩元件5相類似，第二軸肩元件7具有在第二支承面29中的第二環狀居間件31。這里，第二居間件31不僅作為攪拌頭3與第二軸肩元件7 (或第二支承面29)之間的熱隔離元件，還作為攪拌頭3相對第二軸肩元件7旋轉的陶瓷滑動軸承。陶瓷滑動軸承具有高強度的同時具有耐高溫性，這是可應用于本發明的軸承的先決條件。從圖2可以看出，第二軸肩元件7同樣包括大體為圓柱形托架33，所述圓柱形托架33與旋轉軸9同軸地環繞于攪拌頭3的自由端13，并借助滾珠軸承35以自由轉動的方式連接到套筒23的側壁25。在本示例性實施例中，兩個滾珠軸承35a、35b，被設置為在軸向上彼此分離、彼此間大致平行并且垂直于在托架33與側壁25之間的套筒23的旋轉軸9，用于將第二軸肩元件7旋轉安裝到攪拌頭3上。托架33在內壁上具有指向攪拌頭3的內螺紋37，攪拌頭3在其自由端13處具有與內螺紋37相對應的外螺紋39，這樣托架33可以螺接到攪拌頭3的自由端13上。因此，攪拌頭3以軸向可調的方式連接到第二軸肩元件7。托架33也含有螺紋孔41，所述螺紋孔41垂直于旋轉軸9延伸，用于接納固定螺釘43，該固定螺釘43在擰入位置處頂靠攪拌頭3并與攪拌頭3接合。固定螺釘43與攪拌頭3的接合用于設置托架33相對攪拌頭3的軸向位置，因此，也用于設置接合部15的軸向長度或者第一和第二支承面19、29之間的距離。為便于設置固定螺釘43，在側壁25上提供與螺紋孔41同軸的孔45。
攪拌摩擦焊裝置I的操作如下。首先，將待連接的兩個エ件以待焊接表面(未示出)彼此相対的方式放置。然后，之前描述的攪拌摩擦焊裝置I移動，接合部15沿エ件的待焊接表面移動，攪拌頭3相對于第一軸肩兀件5旋轉,第一和第二支承面19、29抵靠ー個以上エ件的表面。這里，彼此相對地放置意味著任何兩個大致平坦的エ件(例如板或片)沿它們的端面(一般為窄側面)彼此相對地放置，并在這些表面上進行焊接(對接)。在這種情況下，在焊接過程中，攪拌頭3的旋轉軸9平行于由這些彼此相靠的表面界定出的平面來運行。但是，這可能也意味兩個エ件的重疊，也即，ー個表面的部分搭在另一表面的部分
之上，然后鄰接表面分別被焊接(搭接)。這里，在焊接過程中，旋轉軸9垂直于承載面運行。然后，裝置I可沿著整個接觸面從彼此相靠的エ件中的一端移動到另一端，或者在各個位置處特別地伸入。攪拌頭3可能從邊緣處伸人工件，或者，在エ件的接觸表面區域中引入孔，此后從攪拌頭3上擰松第二軸肩元件7再令攪拌頭3穿過小孔。在此以后，利用螺釘43將第二軸肩元件再次擰緊到攪拌頭3上，并通過螺釘43進行固定，這樣，兩個支承面19、29各自抵靠彼此相対的背對的(一個或更多個)エ件的相應表面。先前所描述以自由旋轉的方式將第二軸肩元件7安裝在攪拌頭3的自由端13上，使得第二軸肩元件7不隨攪拌頭3的旋轉而移動，因此第二支承面29也不隨攪拌頭3的旋轉而移動。因此，第二支承面29不與(一個或更多個)エ件摩擦。這種情況下，與現有技術中存在的雙旋轉軸肩式攪拌摩擦焊攪拌頭相比，攪拌頭3和第二軸肩元件7的熱負荷減少。同理，因為沒有任何的扭矩從攪拌頭3轉移至第二軸肩元件7，所以攪拌頭3的機械負荷減少。在這種結構中，上述特征使得裝置I或旋轉著的攪拌頭3可以以更高的速度沿待焊接的界面移動。裝置I的較高速度的效果是，進一歩降低了攪拌頭3、第二軸肩元件7、以及エ件的熱負荷，這是因為攪拌頭3在ー個位置處的旋轉的時間較短，即，與相同材料的摩擦時間較短。同吋，(一個或更多個)エ件的熱負荷減少，這樣就得到了高質量的焊接接頭。作為替代，第一軸肩元件5也可能固定地安裝在攪拌頭3上。盡管這樣因為上述原因將增加攪拌頭3、第一軸肩元件5、和エ件上的機械負荷和熱負荷，但是裝置I的靠上部分的結構將被簡化。
權利要求
1.一種攪拌摩擦焊裝置(1)，包括 攪拌頭(3)，能夠以繞旋轉軸(9)旋轉的方式被驅動，包括驅動端(11)和自由端(13)，其中，在所述驅動端(11)和所述自由端(13)之間存在圓柱形的接合部(15)，所述接合部(15)沿所述旋轉軸(9)軸向地延伸，所述接合部(15)的圓周表面用來與一個或多個工件接合； 第一軸肩元件(5)，設置在所述接合部(15)的面向所述驅動端(11)的一側并相對于所述旋轉軸(9)同心圍繞于所述攪拌頭(3)，所述第一軸肩元件(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)并且與所述旋轉軸(9)垂直地延展，以及 第二軸肩元件(7)，設置在所述接合部(15)的面向所述自由端(13)的一側并相對于所述旋轉軸(9)同心圍繞于所述攪拌頭(3)，所述第二軸肩元件(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)并且與所述旋轉軸(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 其中所述第一軸肩元件(5)用來抵靠一個或多個工件的第一表面，第二軸肩元件(7)用來抵靠所述一個或多個工件的與所述第一表面相對的第二表面， 其特征在于， 所述第二軸肩元件(7)以可繞所述旋轉軸(9)自由旋轉的方式連接到所述攪拌頭(3)。
2.根據權利要求I所述的攪拌摩擦焊裝置，其特征在于，所述攪拌頭(3)以軸向可調的方式連接到所述第二軸肩元件(7)。
3.根據權利要求I或2所述的攪拌摩擦焊裝置，其特征在于，所述第二軸肩元件(7)具有在所述第二支承面(29)上設置的陶瓷材料的第二環狀居間件(31)，并且 所述第二環狀居間件(31)圍繞所述接合部(15)。
4.根據權利要求I至3中一項所述的攪拌摩擦焊裝置，其特征在于，所述第二軸肩元件(7)形成為套筒(23)，所述套筒(23)包括沿所述旋轉軸(9)徑向延伸的底部表面(27)和平行于所述旋轉軸(9)延伸的圓柱形側壁(25)，以及 所述第二支承面(29)形成在所述底部表面(27)中。
5.根據權利要求4所述的攪拌摩擦焊裝置，其特征在于，所述攪拌頭(3)的自由端(13)被圓柱形托架(33)環繞，所述圓柱形托架(33)在所述攪拌頭(3)的軸向方向上是可調節的，以及 所述套筒(23)可旋轉地安裝在所述托架(33)上。
6.根據權利要求5所述的攪拌摩擦焊裝置，其特征在于，所述攪拌頭(3)的自由端(13)上設有螺紋(39)，以及 托架能夠螺接至所述自由端(13)上。
7.根據權利要求4至6中一項所述的攪拌摩擦焊裝置，其特征在于，所述側壁(25)和所述攪拌頭(3)的自由端(13)之間設置有滾珠軸承(35)。
8.根據權利要求5至7中一項所述的攪拌摩擦焊裝置，其特征在于，所述托架(33)具有螺紋孔(41)，所述螺紋孔(41)與所述旋轉軸垂直地延伸以接納固定螺釘(43)，以及 在所述套筒(23)的所述側壁(25)中設置有與所述螺紋孔(41)同軸對準的孔(45)。
9.根據權利要求I至8中一項所述的攪拌摩擦焊裝置，其特征在于，所述攪拌頭(3)固定地連接到所述第一軸肩元件(5)。
10.根據權利要求9所述的攪拌摩擦焊裝置，其特征在于，所述攪拌頭(3)與所述第一軸肩兀件(5)是一體形成的。
11.根據權利要求I至8中一項所述的攪拌摩擦焊裝置，其特征在于，所述攪拌頭(3)以可繞所述旋轉軸(9)自由旋轉的方式連接到所述第一軸肩元件(5)。
12.根據權利要求11所述的攪拌摩擦焊裝置，其特征在于，所述第一軸肩元件(5)具有陶瓷材料的第一環狀居間件(21)，以及 所述第一環狀居間件(21)圍繞所述接合部(15)。
13.根據權利要求11或12所述的攪拌摩擦焊裝置，其特征在于，所述攪拌頭(3)以可軸向移動的方式連接到所述第一軸肩元件(5)。
全文摘要
本發明涉及攪拌摩擦焊裝置，包括攪拌頭，能夠以旋轉的方式被驅動，攪拌頭包括驅動端和自由端，驅動端和自由端之間存在圓柱形的接合部；第一軸肩元件，設置在接合部的面向驅動端的一側，并相對于旋轉軸同心圍繞攪拌頭，第一軸肩元件包括第一支承面，第一支承面面向接合部并且與旋轉軸垂直地延展；第二軸肩元件，設置在接合部的面向自由端的一側并相對于旋轉軸同心圍繞于攪拌頭，第二軸肩元件包括第二支承面，第二支承面面向接合部并且與旋轉軸垂直地延展。本發明的目的在于提供一種攪拌摩擦焊裝置，通過將第二軸肩元件以繞旋轉軸自由旋轉的方式連接到攪拌頭，降低了攪拌頭的機械負荷和熱負荷以及工件的熱負荷。
文檔編號B23K20/12GK102728947SQ20121009455
公開日2012年10月17日 申請日期2012年4月1日 優先權日2011年4月1日
發明者喬治·F·多斯桑托斯, 迦庫布·赫格爾特 申請人:亥姆霍茲-然楚姆基斯塔然楚姆皮草材質庫斯坦佛斯創有限公司