带非圆周肩部的摩擦搅拌工具及其可实施的摩擦搅拌方法
【专利摘要】为了能够以简单的过程可靠的方式借助于摩擦搅拌连接具有棱边偏移（18）的工件（10、12），本发明提出了用于摩擦搅拌的摩擦搅拌工具（30），其具有用于压到工件表面（14）上的肩部（34）以及突出超过肩部（34）的可旋转驱动的针（32）用于塑化地插入至少一个有待加工的工件（10、12）中，其中所述肩部（34）在圆周区域上具有中断开口（42），使得肩部（34）不是全圆周地围绕所述针（32）。此外，提出了设有该摩擦搅拌工具的摩擦搅拌装置（50）以及能够用该摩擦搅拌装置实施的摩擦搅拌方法。
【专利说明】带非圆周肩部的摩擦搅拌工具及其可实施的摩擦搅拌方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种用于摩擦搅拌的摩擦搅拌工具，具有用于压紧到工件表面的肩部以及伸出超过该肩部的可旋转驱动的针用来塑化地插入至少一个有待加工的工件中。本发明还涉及一种设有这种摩擦搅拌工具的摩擦搅拌装置。此外，本发明还涉及一种可用这种摩擦搅拌工具或者这种摩擦搅拌装置实施的摩擦搅拌方法。
【背景技术】
[0002]本发明基于摩擦搅拌的领域(英语:“Frict1n Stir Processing”),其用在工件的维修、加工以及改良并且尤其用在工件的连接之中。在摩擦搅拌中将针状的突起在旋转移动中插入至少一个工件中，从而至少在焊针的接触区域内改性工件材料。为了维修目的，将旋转的针例如插入工件的裂纹中。
[0003]摩擦搅拌的特殊情况是摩擦搅拌焊接或者“Frict1n Stir Welding”(FSW),这越来越多地用在航空和航天技术中、轨道交通技术中、娱乐电子设备以及汽车制造中。在此涉及简单的、干净的并且革新的联接方法，其突出之处在于较高的效率以及较高的自动化潜力，由此降低了制造成本并且降低了由此形成的结构的重量。
[0004]尤其在WO 93/10935中描述了一种摩擦搅拌焊接。在此，两个有待相互焊接的工件处于接触之中并且保持在该位置中。在所述工件的连接区域内，在旋转移动之下插入相应的工具的焊针或者针状的突起，直到在针上方布置在工具上的肩部靠在工件的表面上。在此，通过工具和工件之间的相对移动产生摩擦热量，使得相邻的材料区域在连接区域内处于塑化的状态。工具在针旋转期间与连接区域接触，沿着工件的连接线向前沿着进给方向移动，使得围绕针的材料塑化并且随后加固。在材料完全硬化之前，所述焊针从连接区域或者工件移开。
[0005]由DE 10 2005 030 800 B4公开了一种摩擦搅拌工具、设有该摩擦搅拌工具的摩擦搅拌装置以及用于借助于摩擦搅拌沿着连接线焊接至少两个相互靠着的工件的摩擦搅拌焊接方法形式的摩擦搅拌方法。由DE 10 2005 030 800 B4公开的摩擦搅拌焊接方法的突出之处在于，相对于前面公开的摩擦搅拌焊接方法，在焊接过程期间仅仅旋转地驱动所述针，而肩部以n=0的转速得到保持。该肩部以及针由此能够相互相对旋转地构造。由此能够实现大量艰难的焊接任务。
[0006]此外，更大的挑战是连接不同厚度的工件。沿着工件之间的阶梯或者棱边偏移的摩擦搅拌焊接尤其都不同于普通的。
[0007]为此，在DE 100 63 920 Al中提出，在棱边偏移上布置底座，该底座支持更薄的工件并且然后从背侧实施摩擦搅拌焊接方法，该背侧是两个工件以其上面的外侧面处于一个平面内的地方。然而这种焊接方法不能在所有焊接任务中实施，经常希望刚好从带有棱边偏移的一侧进行的焊接。尤其值得期望的是，代替棱边偏移产生相应削平或者倒斜面的过渡区域。然而这刚好像在DE 100 63 920 Al中所解释地与困难相联系。
[0008]在DE 102 96 452 T5 (W0 02/070186 的德语翻译)以及 DE 601 08 812 T2 (EPI 166 946 BI的德语翻译)中为了连接两个不同厚度的带有棱边偏移的工件，建议带有肩部以及从肩部突出的针的摩擦搅拌工具置于相对于有待连接的工件的迎角下并且用该迎角沿进给方向移动以形成焊缝。
[0009]为此，根据DE 102 96 452 T5，整个旋转的带有肩部以及整体与肩部构造的突出的针的摩擦搅拌工具以斜向于有待连接的工件的表面设置的旋转轴线沿进给方向在连接线上移动。这例如可以借助于带有多个关节的机器人臂实现。然而这种焊接方法的过程控制都不同于普通的。所述机器人必须设有至少五个关节并且相应精确地引导。因此设置了带有复杂的用于摩擦搅拌工具的保持机构的复杂的摩擦搅拌装置。
[0010]相反，在DE 601 08 812 T2中提出，有待连接的工件支撑在斜的平面上，以由此设置用于同样整个旋转的工具的倾斜的迎角。这也不普通，因为所述工件必须相应更困难地支承在斜的平面上。
[0011]通常设置摩擦搅拌工具的肩部用于避免塑化的材料排出。由此，所述肩部密封地起作用，从而将塑化的材料保持在焊接位置上。该肩部在整个现有技术中环绕所述针地设置在圆柱形的主体上，从而满足所述密封任务。所述旋转对称性以及肩部沿圆周方向完整地围绕针的旋转轴线根据现有技术是绝对必需的特征，用来满足肩部功能。这尤其适用于一体旋转的摩擦搅拌工具的肩部，其用于在工件的阶梯或者棱边偏移上进行焊接。然而，在棱边偏移上焊接刚好还是困难的。如在DE 100 63 920 Al中提出的，例如在焊接带有棱边偏移的工件时较厚的工件的上面的自由棱边变软并且从工具的-设置在肩部上的-摩擦面平压到较薄的板材的高度上或者用于形成过渡区域。然而在此，在工具旁边形成了不希望的突起。此外，只能补偿较小的厚度跃变。在更大的厚度跃变中，在厚度过渡部分上形成关于联接的部件的再加工方面危险的切口效应，该切口效应会引起部件失效。
[0012]因此，必须在至今为止的带有棱边偏移的摩擦搅拌焊接方法中选择合适倾斜的迎角并且在焊接过程中保持住。这在加工技术上很难操作。
【发明内容】
[0013]因此，本发明的任务是提出一种摩擦搅拌工具以及设有该摩擦搅拌工具的摩擦搅拌装置，通过该摩擦搅拌装置，在确保稳健的过程控制的情况下也在变化的边界条件下，仍以比至今为止更简单的方式以及更简单的机构可以尤其(但不排他地)实施带有棱边偏移的联接件的摩擦搅拌焊接。
[0014]该任务通过具有后附的权利要求1所述特征的摩擦搅拌工具得到解决。设有该摩擦搅拌工具的摩擦搅拌装置是并列权利要求的主题。可以用这种摩擦搅拌工具以及这种摩擦搅拌装置实施的摩擦搅拌方法是其它并列权利要求的主题。
[0015]本发明的有利的设计方案是从属权利要求的主题。
[0016]本发明根据一个方面提供了用于摩擦搅拌的摩擦搅拌工具，其具有用于压到工件表面上的肩部以及伸出超过肩部的可旋转驱动的针用于塑化地插入至少一个有待加工的工件中，其中该肩部在圆周区域上具有中断开口，使得肩部不是全圆周地围绕所述针。
[0017]换句话说，实现了带有非圆周的肩部的摩擦搅拌工具。
[0018]使用DE 102 96 452 T5或者DE 601 08 812 T2中所示类型的常规的摩擦搅拌工具在使用倾斜迎角的情况下虽然在焊接具有棱边偏移的联接件时实现了稳健性，但是也引起了复杂的操作技术，尤其在实施非线性的焊缝时。尤其在进给方向变化时，迎角必须跟踪。此外限制了工具迎角的用于相对于棱边偏移提高过程公差的正效应。
[0019]相应地在本发明中选择了另一方案。根据本发明不使用完全沿圆周方向环绕的肩部，反而该肩部在圆周区域上具有中断开口。优选该针没有完全被肩部包围。
[0020]如试验所证实的，用优选实施方式优选可以在使用非旋转的肩部时通过工具肩部的开口实现相对于棱边偏移的极度的过程公差，而不必调节迎角并且不必容忍其复杂性。
[0021]总之，可以用按本发明或者本发明的有利的设计方案的摩擦搅拌工具提高过程稳健性并且显著简化操作技术。
[0022]优选所述中断开口在相对于针的旋转轴线的轴向上看构造成圆扇段形的。
[0023]优选构造摩擦搅拌工具作为摩擦搅拌焊接工具用来通过摩擦搅拌焊接沿着焊缝连接两个工件。
[0024]优选所述针相对于肩部是可旋转的并且/或者构造该肩部使在摩擦搅拌期间旋转的针具有n=0的转速。
[0025]根据另一方面，本发明实现了具有前面所述类型的带有非环绕的肩部的摩擦搅拌工具的摩擦搅拌装置以及用于使摩擦搅拌工具例如在焊缝焊接时沿进给方向移动并且引导该摩擦搅拌工具的工具引导装置。如此构造所述摩擦搅拌装置，使得肩部的中断开口沿进给方向定向。
[0026]根据另一方面，本发明实现了一种用于借助于摩擦搅拌加工至少一个工件的摩擦搅拌方法，其包括以下步骤:
将旋转的针插入所述至少一个工件中并且通过摩擦搅拌使工件材料塑化，
防止由于将至少部分包围针的肩部压到所述至少一个工件的表面上造成塑化的材料排出，其中使用带有中断开口的肩部，该肩部不完全地包围所述针。
[0027]优选所述摩擦搅拌方法是用于借助于摩擦搅拌焊接来连接第一和第二工件的摩擦搅拌焊接方法。
[0028]这种摩擦搅拌焊接方法的优选设计方案具有以下步骤:
使所述针以及肩部沿进给方向移动从而形成焊缝，
在针旋转的焊接过程中固定肩部并使中断开口沿进给方向定向，使得该肩部不旋转地以沿着进给方向向前定向的中断开口在有待形成的焊缝上方移动。
[0029]进一步优选地设置以下步骤:沿着工件之间的阶梯或者棱边偏移焊接第一工件与第二工件。
[0030]试验证明，人们通过放弃至今为止出现的构思，据此肩部始终需要围绕针，并反而通过设置部分地在圆周上设有中断开口的肩部，可以实现工件的棱边偏移区域内更好的焊接。肩部的密封任务可以在中断开口的区域内通过向上突出的棱边实现。
[0031]为此，在实施摩擦搅拌焊接方法时优选向前沿着进给方向定向所述中断开口，使得所述棱边穿过中断开口朝旋转的针导入摩擦搅拌工具中。在那里通过摩擦热量对棱边进行塑化，该摩擦热量通过针的旋转产生。棱边的还没塑化的材料负责使已经塑化的材料不在中断开口处排出。优选如此构造所述肩部，使得该肩部在剩余的区域上完全包围所述针。例如所述肩部在整个圆周的一个扇段上以0°到90°的角度范围开口，优选以约5°到45°的角度范围开口。在整个圆周的剩余部分上还存在肩部。
[0032]所述肩部优选相对于有待加工的工件进行固定，使得其不与所述针一起旋转。为此可以涉及如在DE 10 2005 030 008 B4中描述并且示出的措施。在一种设计方案中所述肩部可以经由轴承套装到旋转驱动的具有针的旋转体上。这种肩部即使在所述针被旋转驱动时也通过套装到工件上进行固定。如果沿进给方向移动摩擦搅拌工具，那么中断开口可以跟随棱边走向。
[0033]在另一设计方案中所述肩部与针分开地固定在各自的支架上。这种支架也可以构造成受控制旋转的，使得肩部的定向匹配进给方向的变化。
[0034]另一方面不必一定固定不动地构造所述肩部，该肩部也可以在角度范围内保持来回振荡，从而在需要时产生额外的摩擦热量。为此，例如可以引用类似于EP I 021 270 BI的图3中的装置，具有以下调整方案:即所述肩部在圆周的部分区域上具有-例如相应延伸直到针的-中断开口。
[0035]本发明的有利的应用领域包括连接不同厚度的工件，例如连接不同厚度的板材-关键词:拼焊板。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]下面根据附图详细解释本发明的实施例。其中示出:
图1是第一工件和第二工件，其以棱边偏移相互抵靠并且在棱边偏移区域内待通过摩擦搅拌方法相互连接；
图2是一种用于实施摩擦搅拌方法的摩擦搅拌工具的实施方式的侧视图；
图3是图2的工具的俯视图；
图4是摩擦搅拌装置的一种实施方式的示意性的非常简化的视图；以及图5是示意性的草图，其说明了借助于在图2和3中示出的摩擦搅拌工具来实施用于焊接两个在图1中所示的工件的摩擦搅拌焊接方法。
[0037]附图标记列表 10 第一工件 12 第二工件
14工件表面 16 对接接头 18 棱边偏移 20 阶梯
30摩擦搅拌工具
32针
34肩部
36旋转轴线
38主体
40检测区域
42中断开口
50摩擦搅拌装置
52工具移动装置 54第一引导装置
56第二引导装置
58框架
60控制器
61旋转驱动器
62摆动驱动器 64齿轮
66齿环
70焊缝
W开口角度
Rl第一方向
R2第三方向
V进给方向。
【具体实施方式】
[0038]在图1中示出了在对接接头中并排放置的并且相互有待焊接的第一工件10和第二工件12。该第一工件10比该第二工件12更厚。由此在工件表面14上在对接接头16的区域内形成了棱边偏移18，该棱边偏移在还没焊接的工件10、12中以阶梯20形式存在。
[0039]所述两个工件10、12应该在对接接头16的区域内借助于摩擦搅拌焊接方法相互连接。
[0040]此外，图2示出了用于摩擦搅拌的摩擦搅拌工具30的实施例，其中该摩擦搅拌工具30具有可旋转驱动的针32 (也称作探头、焊针或焊接探头)，该针沿着关于针32的旋转轴线36的轴向上看从肩部34伸出。
[0041]所述肩部34构造在摩擦搅拌工具30的主体38上。优选该主体38相对于针32可旋转地构造。
[0042]图3示出了与图2类似构造的摩擦搅拌工具30的沿着在图2中从下面看的轴向的视图。
[0043]如在图2和3中所示，所述肩部34不是全圆周地围绕所述针32沿圆周方向，反而，该肩部3在构造用于摩擦作用到工件10、12上的检测区域40内具有中断开口 42。中断开口 42在检测区域40内从肩部34的外圆周连续地延伸直到针32。
[0044]所述中断开口 42尤其在沿轴向看的俯视图中(参见图3)构造成圆扇段形的并且以角度W开口，该角度优选构造成0°到90°区域内的锐角。特别优选所述角度W小于大约45°并且更优选地小于20°。该开口角度W以及中断开口 42沿轴向的延伸尺度可以根据焊接任务构造成不同的。
[0045]具有肩部34的主体38可以相对于针32旋转。带有肩部34的主体38尤其如此构造，使得其在摩擦搅拌时不旋转，而是具有n=0的转速。如在DE 10 2005 030 800 B4中公开的那样，例如在针32以及主体38的可相对运动性方面构造摩擦搅拌工具30。
[0046]图4示出了用于摩擦搅拌的摩擦搅拌装置50的例子，其具有在肩部34上带有中断开口 42的摩擦搅拌工具30以及用于使摩擦搅拌工具30移动以及引导该摩擦搅拌工具30的工具移动装置52。
[0047]所述工具移动装置52构造用于沿不同的方向引导和移动摩擦搅拌工具30。此外，在图4所示的说明一种工具移动装置52的简单的实施方式的例子中设置用于使摩擦搅拌工具30沿第一方向Rl (例如X方向)移动的第一引导装置54以及用于使摩擦搅拌工具30沿第二方向R2 (例如Y方向)移动的第二引导装置56。当然也还可以设置用于使摩擦搅拌工具30沿第三方向(例如高度方向，Z方向)移动的(未示出的)第三引导装置。
[0048]此外，所述摩擦搅拌装置50具有框架58或壳体，该框架或者壳体借助于工具移动装置52经由控制器60控制地移动到各个用于实施所希望的摩擦搅拌过程的方向上。
[0049]在框架58上(或者壳体上)设置了用于旋转所述针32的第一旋转驱动器61。
[0050]在摩擦搅拌装置50的在此示出的实施例中，还在框架58上(或者壳体上)设置通过控制器60控制的摆动驱动器62，借助于该摆动驱动器可以沿任意角度定向移动带有肩部34的主体38，然后主体38就固定在那里。所述摆动驱动器62例如经由齿轮64以及齿环66与主体38连接。所述摆动驱动器62例如具有步进马达。
[0051]优选如此构造所述控制器60，从而用摩擦搅拌装置50可以实施用于连接第一工件10和第二工件12的摩擦搅拌焊接。为此，所述针32用旋转驱动器61旋转地进行驱动并且插入工件10、12的对接接头16的区域(或者其它连接区域)内。通过针32与工件10、12之间的摩擦热量将工件10、12的材料塑化。为了进行摩擦搅拌,摩擦搅拌工具30经由控制器60控制地沿着进给方向V移动。在此，所述肩部34也通过摆动驱动器62如此定向，使得中断开口 42始终沿着进给方向V。
[0052]所述中断开口 42的定向可以通过摆动驱动器62根据对接接头16的走向并且根据进给方向V相应的变化而改变。这在图4中通过对接接头16的弯曲的走向以及棱边偏移18通过点线说明；沿着该弯曲的走向也可以如此形成弯曲的焊缝70。
[0053]图5示出了接触搅拌工具30在接触搅拌焊接过程中作用在第一工件10和第二工件12上的非常示意性的视图。
[0054]至今为止，始终认为摩擦搅拌工具的肩部必须全圆周地围绕针32，以此，以使其可以满足其在焊接位置上抑制塑化的材料的任务。如在图5中所示，对不是全圆周的肩部34设置了中断开口 42 ;然而在此还没焊接的工件10、12的棱边偏移18满足了抑制塑化的材料的任务。
[0055]试验证实了，用这种具有不是全圆周的肩部34的摩擦搅拌工具30可以以较大的过程可靠性实施工件10、12与棱边偏移18的摩擦搅拌，而不必设定摩擦搅拌工具30的倾斜的迎角。这种倾斜的迎角很难操作，尤其在焊缝70的弯曲的走向中，如其用图4中的点线所说明的。
[0056]摩擦搅拌工具30和摩擦搅拌装置50的不同的设计方案是可以的。如此能够使中断开口 42的形状不同于所示出的形状。
[0057]代替工具移动装置52的在图4中说明的简单的版本，也可以-如很好已知地-设置机器人臂作为工具移动装置52，在该机器人臂的端部上设置带有旋转驱动器61的框架58或者壳体。所述摆动驱动器62例如可以通过机器人臂的工具接口的相应的摆动方案形成。
[0058]尽管示出并且描述了所述摩擦搅拌工具30以及摩擦搅拌装置50用作用于沿着焊缝连接工件10、12的摩擦搅拌焊接工具或者用作用于沿着焊缝连接工件10、12的摩擦搅拌焊接装置，但摩擦搅拌工具30和摩擦搅拌装置50的使用方案不限制于该应用情况。也可以实施其它摩擦搅拌任务，例如在一体的工件(没有示出)上棱边偏移18的平滑或者在棱边偏移的区域内维修工件或者类似任务。
【权利要求】
1.用于摩擦搅拌的摩擦搅拌工具(30)，具有用于压到工件表面(14)上的肩部(34)以及突出超过肩部(34)的能旋转驱动的针(32)用于塑化地插入至少一个有待加工的工件(10,12)中，其中所述肩部(34)在圆周区域上具有中断开口(42)，使得该肩部(34)不是全圆周地围绕所述针(32)。
2.按权利要求1所述的摩擦搅拌工具(30)， 其特征在于， 所述中断开口(42)在相对于所述针(32)的旋转轴线(36)的轴向上看构造成圆扇段形的。
3.按上述权利要求中任一项所述的摩擦搅拌工具(30)， 其特征在于， 所述摩擦搅拌工具(30)构造成摩擦搅拌焊接工具用于通过摩擦搅拌焊接沿着焊缝(70)连接两个工件(10、12)。
4.按上述权利要求中任一项所述的摩擦搅拌工具(30)， 其特征在于， 所述针(32)能够相对于肩部(34)旋转，并且/或者构造该肩部(34)用于使在摩擦搅拌期间旋转的针(32)具有n=0的转速。
5.摩擦搅拌装置(50)，包括按上述权利要求中任一项所述的摩擦搅拌工具(30)以及用于在焊缝焊接期间沿着进给方向(V)移动并且引导摩擦搅拌工具(30)的工具引导装置(54、56)，其中所述中断开口(42)沿着进给方向(V)定向。
6.用于借助于摩擦搅拌加工至少一个工件(10、12)的摩擦搅拌方法，包括以下步骤: 将旋转的针(32)插入所述至少一个工件(10、12)中并且通过摩擦搅拌使工件材料塑化， 防止由于将包围所述针(32)的肩部(34)压到所述至少一个工件(10、12)的表面(14)上而造成塑化的材料排出，其中 使用带有中断开口(42)的肩部(34)，该肩部不完全包围所述针(32)。
7.按权利要求6所述的摩擦搅拌方法， 其特征在于， 该摩擦搅拌方法是一种借助于摩擦搅拌焊接连接在第一和第二工件(10、12)的摩擦搅拌焊接方法。
8.按权利要求7所述的摩擦搅拌方法， 其特征在于， 使所述针(32 )与肩部(34 )沿着进给方向(V)移动从而形成焊缝(70 )， 在针(32)旋转的焊接过程中固定肩部(34)并使中断开口(42)沿进给方向(V)定向，使得该肩部(34)不旋转地以向前沿着进给方向(V)定向的中断开口(42)在有待形成的焊缝(70)上方移动。
9.按权利要求7或8所述的摩擦搅拌方法， 其特征在于， 沿着工件(10、12)之间的阶梯(20)或者棱边偏移(18)焊接第一工件(10)和第二工件(12)。
【文档编号】B23K20/12GK104227222SQ201410245641
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年6月5日 优先权日:2013年6月5日
【发明者】西尔瓦努斯 J., 布伦策尔 T. 申请人:伊德斯德国股份有限公司