[發明專利]具有帶不同區域的肩部的攪拌摩擦焊接工具；使用這種工具的方法；利用這種工具焊接的產品

有效

• 申請號: 201280030327.2
• 申請日: 2012-06-19
• 公開（公告）號: CN104023896B
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: W·奧西科維克茨
• 申請（專利權）人: 薩帕有限公司
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所11038
• 代理人: 蔣旭榮

技術領域

本發明涉及一種攪拌摩擦焊接工具、一種將尤其具有復雜幾何形狀的工件連接成包括連接好的工件的產品的方法、以及具有改進的進入窄的空間內的能力和更高產量的攪拌摩擦焊接工具的用途。

背景技術

使用攪拌摩擦焊（FSW）用于兩個金屬或塑料工件的連接在本領域中是公知的。其實，FSW采用非消耗的轉動工具，該轉動工具通過其接觸表面與工件相互作用以產生摩擦熱，從而將焊接區中的材料塑性化。焊接區中材料的局部軟化便于工件材料的混合，在工具沿著焊接方向平移后形成焊縫。塑性化的材料在處理載荷下易于從焊接區流掉，這又可導致焊縫中形成內部或表面破壞缺陷。這是通過在焊接區周圍的工件材料的輔助下限制焊接區中的軟化材料來避免的，如果需要，工具肩部具有與工件相互作用的接觸表面以及適當的支撐件（比如支承桿），以便將塑性化材料保持在焊接區中。

例如，JP2007-253210，圖1-9示出了平的金屬工件的攪拌摩擦焊，其中軟化材料的限制是通過使用由銷相互連接的兩個肩部實現的。在除平的工件之外的其它工件結構情況下（例如具有有限入口和空間，用以從傾斜的內部三角形壁之間的焊接區的底部進行支撐的支撐件，如這里圖示的），已知的傳統FSW工具是不適用的。在這些情況下，通常需要熔焊技術，其產生低質量的焊縫并且生產力較低，尤其對于較厚部分的焊接。如JP2007-253210的圖9中圖示的一種替代方式提供了使用傳統的對稱平衡FSW工具的可能性，該工具具有尺寸相等的肩部。然而，對稱的三角形型材在焊接平面不能實現最佳的載荷力分布。

鋁板的完美的三角設計實現了較好的結構完整性以及所使用的結構材料的最佳的使用率。由施加的彎矩和力帶來的應力均勻地分布，意味著材料是被完全使用的，部分地是由于力的作用線在材料內匯合。通常，三角形型材腔相比于矩形腔顯著增加了剪切阻力，這是因為在三角形中不存在平行邊。三角形的固定邊長度的結構穩定性確保了在施加負載后形狀沒有變化，例如在結構工程中的桁架結構中使用。與在框架結構中相反，矩形形狀需要長度和角度固定以便在施加載荷時保持其形狀。

例如，這種問題出現在利用由鋁合金材料制成的多孔中空擠壓件或型材、通過FSW方法連接擠壓件來形成雙層面板而進行所謂的雙層面板的制造中，其具有有利的強度-重量比。這些面板可以用在建筑結構中（比如橋梁或類似物），或者用在物體運輸設備中（比如需要抗腐蝕的高強度輕重量結構的船舶、鐵路和汽車設備中）。這種由鋁合金擠壓的多孔中空型材通常包括稱作板材或殼板的第一平坦部、稱作板材或殼板的第二平坦部以及布置在所述第一與第二平坦部之間的相互連接的垂直或傾斜的內部壁或桁架，從而形成在垂直于擠壓成型方向基本是三角形的橫截面，如例如US7,665,651示出的。

US7,665,651B2涉及兩個多孔中空擠壓件通過FSW形成雙層面板的對接連接。每個雙層面板包括上板和下板。為了可以使用FSW，在上板和下板之間布置豎直板構件，以在實施攪拌摩擦焊的位置提供支撐。

雙層面板的傾斜內壁承載載荷并將載荷分布在為整個面板提供強度的整個型材上。型材的傾斜內壁理論上在垂直于擠壓成型方向的橫截面中形成規則的或者對稱的三角形中空部。由于使用該型材期間的載荷分布，型材橫截面的三角形越均勻越規則，焊接得到的最終面板的強度就越好越高。穿過相鄰傾斜內壁的載荷分布線將優選地在稱作板材或殼板的各平坦部內彼此相交，即在型材或最終的面板材料或面板本體內，以便避免加載產生彎矩或者將彎矩減到最小。這種設計減小了在使用中過多彎矩作用在面板上的風險，并因此增強了整個結構。

如上面所述的在FSW期間對于從下側支撐焊接區的需要可以通過放置在焊接區下面的單獨的支撐件（墊板）或者替代性地如在US7,665,651中圖示的可通過位于下面的工件延伸部形成（一體墊板）而以不同的方式解決。該技術方案具有在焊縫附近形成裂縫狀凹口的缺點，這不利地影響結構的疲勞性能。除此之外，濕氣會聚集在接合面之間的裂縫中，并導致焊接區中的加速腐蝕，并因此使結構變得更弱。此外，這種型材結構在擠壓型材的橫截面視圖中沒有提供用于焊接面板內載荷分布的最佳運用的規則的對稱三角形形狀，這使得所述面板在一些最終焊接好的面板區域內易于承受彎矩和剪切。