专利名称：摩擦搅拌焊的搅拌头、其使用方法及其被焊物的制作方法
技术领域：
本发明提供一种摩擦搅拌焊的搅拌头及使用方法，尤指搅拌头中心偏离摩擦棒 中心，且搅拌头表面设呈锥状及锥状表面螺纹状沟槽，使其摩擦搅拌焊后无缺陷。
背景技术：
参阅图l所示，为现有习用摩擦搅拌焊接的示意图，摩擦搅拌焊接是利用摩擦 热作为焊接热源，摩擦搅拌焊接过程是由一个圆柱体的搅拌头l l伸入焊接工件12的接缝l 2 l处，透过摩擦棒l 3与搅拌头1 l的高速旋转，使摩擦棒l 3、 搅拌头l l与焊接工件l 2摩擦，进而使焊接工件l 2的材料温度升高而软化，同 时对工件l 2的材料进行搅拌摩擦而完成焊接。焊接过程中，摩擦棒l 3高速旋转 同时边沿工件1 2的接缝1 2 1与工件1 2相对移动。摩擦棒1 3的搅拌头1 1伸 进材料内部进行摩擦生热和搅拌，摩擦棒l 3的轴肩1 3 l与焊接工件l 2表面摩 擦生热，并用以防止塑性状态的材料的溢出。惟，其现有习用的摩擦搅拌焊接，仍存在有缺失为现有习用的摩擦搅拌焊， 藉由摩擦棒l 3的摩擦与搅拌头1 l的深入摩擦与搅拌，以达到焊接的目的，但因 摩擦棒1 3与搅拌头1 1垂直工件一边进行旋转摩擦且一边行进，如此造成现有习 用摩擦搅拌焊的焊后会有明显缺陷，当摩擦棒l 3旋转方向为逆时针旋转时，缺陷 1 4 0发生在搅拌头1 l行进轨迹的右侧(如图2所示)，而当摩擦棒l 3旋转方 向为顺时针旋转时，缺陷1 4 1发生在搅拌头1 1行进轨迹的左侧(如图3所示)。因为现有习用的摩擦搅拌焊接，有焊接品质不良的问题，于是后来有倾斜摩擦 棒的特殊加工机被开发出来提供使用，该倾斜摩擦棒的特殊加工机虽可消除焊接缺 陷，但倾斜角度在直线前进没有问题，而圆弧度或后退就必需利用特殊的夹治具与 加工机构以维持固定的倾斜角，方能避免焊后缺陷。为此，本发明的发明人开发出摩擦棒前端的搅拌头中心轴线偏离摩擦棒中心轴 线，如此施以高速旋转的摩擦搅拌焊后，虽然可以使工件搅拌接合区内的缺陷减少, 且前进后退或圆弧度的焊接都可以进行，得以不须再利用机构以维持固定的倾斜 角，但仍难免有部分缺陷的产生。是以，针对上述现有习知结构所存在的问题点，如何开发出一种更具理想实用 性的创新结构，实消费者所殷切企盼，亦系相关业者须努力研发突破的目标及方向。有鉴于此，发明人本于多年从事相关产品的制造开发与设计经验，针对上述的 目标，详加设计与审慎评估后，终得一确具实用性的本发明。发明内容欲解决的技术问题点虽现有习知的摩擦搅拌焊具有相当多的优点，但当摩擦 搅拌焊接所用的加工轴逆时针旋转时，会有缺陷发生于旋转加工轴的搅拌头行进轨 迹的右边。当旋转加工轴顺时针旋转时，会有缺陷发生于旋转加工轴的搅拌头行进 轨迹的左边。故现有习用的摩擦搅拌焊容易产生焊接品质不良或焊接缺陷的问题， 而利用倾斜角度克服，则因倾斜角度要固定的二度至五度，且倾斜方向与行进方向 相反，行进方向配合接合线的I形接合线，U形接合线、S形接合线、M形接合线、 圆形接合线、及螺旋接合线等多种形式与形状改变，造成圆弧度或后退就必需利用 特殊的夹治具与加工机构，以维持固定的倾斜角。即现有习用的倾斜摩擦搅拌焊， 主要将搅拌头与摩擦棒所构成的旋转加工轴，于旋转行进方向与倾斜方向相反，且 倾斜角度以二度至五度不等，以期能改善缺陷，但因接合线形状不一，可为直线、 曲线、U形、S形、M形、圆形及螺旋等多种形式与形状，随时保持旋转行进方向 与倾斜方向相反，且倾斜角度以二度至五度不等是有困难的或不容易的，也使得缺 陷仍会发生，除非使用特殊的夹治具与加工机构，维持角度固定，方能避免焊接缺 陷。本发明的目的在于提供一种摩擦搅拌焊的搅拌头，其无须采用特殊加工机、不 用倾斜加工轴，加工过程不用考虑焊接线形式变化的问题，也不会有缺陷产生，使 摩擦搅拌焊应用不会受限。本发明的另一 目的在于提供一种摩擦搅拌焊的搅拌头的使用方法，其无须采用 特殊加工机、不用倾斜加工轴，加工过程不用考虑焊接线形式变化的问题，也不会 有缺陷产生，使摩擦搅拌焊应用不会受限。本发明的摩擦搅拌焊的搅拌头，包含有搅拌头设于摩擦棒的前端；该搅拌头与 摩擦棒的中心轴线间，形成一设定偏心距离的偏心形态，且搅拌头设呈锥状，及锥 状搅拌头表面设螺纹状沟槽，使摩擦棒旋转时，具螺纹状沟槽的锥状搅拌头呈偏心 旋转。上述的摩擦搅拌焊的搅拌头，其中该螺纹状沟槽的设置为在6ram长度内至少三 条沟槽。本发明的使用于如摩擦搅拌焊的搅拌头的被焊物，该被焊物包括一工件本体及 一结合件，该结合件借着偏心的搅拌头，且该搅拌头为具螺纹状沟槽锥状搅拌头的 摩擦搅拌焊结合于所述工件本体。上述的使用于如摩擦搅拌焊的搅拌头的被焊物，其中该被焊物为塑胶、金属或合金材料。本发明的如前所述摩擦搅拌焊的搅拌头的使用方法，其包括如下步骤 a.设具垂直的加工轴摩擦棒设于垂直的加工轴；b .设具锥状搅拌头摩擦棒前端设锥状搅拌头，锥状搅拌头中心轴线偏离摩 擦棒中心轴线，锥状搅拌头表面设有螺纹状沟槽；C .摩擦搅拌焊的加压旋转并移动加工轴加压旋转并移动，使旋转的摩擦棒 与偏心旋转的具螺纹状沟槽的锥状搅拌头移动悍接。上述的摩擦搅拌焊的搅拌头的使用方法，其中该具锥状搅拌头的摩擦棒安装于非呈特定角度的摩擦搅拌焊加工机上。本发明的摩擦搅拌焊的搅拌头的使用方法，其中工件本体与结合件藉由摩擦棒 与偏心的具螺纹状沟槽的锥状搅拌头旋转插入的偏心摩擦搅拌焊接结合，该锥状搅拌头旋转方向是使塑性材料被螺纹状沟槽往下推的旋向。解决问题的技术特点本发明提供一种摩擦搅拌焊的搅拌头及使用方法，其中 该加工轴摩擦棒的前端设有搅拌头，加工轴、摩擦棒与搅拌头均垂直于工件本体， 且搅拌头中心轴线偏离摩擦棒中心轴线，搅拌头并设成锥状搅拌头，而锥状搅拌头 表面设有螺纹状沟槽，该螺纹状沟槽于6mm范围至少三条以上，沟槽深度浅，如此 在摩擦搅拌焊的使用上仅系摩擦棒与搅拌头的改变，无须采用特殊加工机、不用倾 斜加工轴，所以加工过程不用考虑焊接线形式变化的问题，也不会有缺陷产生，使 摩擦搅拌焊应用不会受限。对照先前技术，本发明的功效为1. 本发明摩擦搅拌焊的搅拌头及使用方法，其保有一般摩擦搅拌焊的摩擦接 合方式，但具有加工轴保持垂直的特性，使得加工焊接后无明显的悍接缺陷，且无 需使用特殊加工机。2. 本发明摩擦搅拌焊的搅拌头及使用方法，得以改善一般垂直加工轴摩擦搅拌焊会产生明显焊接缺陷的问题，使得焊后无缺陷。3. 本发明无需设定倾斜角度如二度至五度，所以也无需考虑焊接线的形式变化时，倾斜方向需要配合调整的问题，操作上较倾斜方式者节省了相当多的调校时 间，而现有习用倾斜角度加工轴，在加工圆弧度或后退加工，就必需利用特殊的夹 治具与加工机构，以维持固定的倾斜角。本发明则完全没有此一顾虑。4 .现有习用加工垂直的摩擦搅拌焊如果逆时针旋转会于搅拌头行进轨迹的右 侧产生缺陷，而如果顺时针旋转会于搅拌头行进轨迹的左侧产生缺陷，无法避免， 而本发明则得以有效改善此一 问题。有关本发明所采用的技术、手段及其功效，兹举一较佳实施例并配合图式详细 说明于后，相信本发明上述的目的、构造及特征，当可由之得一深入而具体的了解。
图l:是现有习用摩擦搅拌焊的实施状态示意图。 图2:是现有习用摩擦搅拌焊的逆时针旋转焊接示意图。 图3:是现有习用摩擦搅拌焊的顺时针旋转焊接示意图。 图4:是本发明摩擦搅拌焊的加工轴立体示意图。 图5:是本发明的摩擦搅拌焊搅拌头一例的平面图。 图6:是本发明的摩擦搅拌焊搅拌头另一例的平面图。 图7:是本发明的摩擦搅拌焊实施状态示意图。 图8:是本发明摩擦搅拌焊的流程示意图。
具体实施例方式
本发明提供一种摩擦搅拌焊的搅拌头及使用方法，参阅图4、图5、图6所示， 该摩擦搅拌焊的搅拌头为
一加工轴2垂直于工件本体3 (如图7所示)，加工轴2朝向工件本体3的端 部设成一摩擦棒2 1,并使该摩擦棒2 l与加工轴2形成同心，摩擦棒2 l的朝工 件本体3的端面形成轴肩2 2 ，该轴肩2 2上则凸设有一搅拌头2 3 ，并使摩擦棒 2 l与搅拌头2 3均垂直于工件本体3，而搅拌头2 3与摩擦棒2 1的中心轴线 间，形成一设定偏心距离s的偏心形态(如图4所示)，搅拌头2 3设成锥状搅拌 头2 3，使其阻力减小，而锥状搅拌头2 3的表面并设有螺纹状沟槽2 3 1 ，螺纹 状沟槽2 3 1以浅沟槽为佳，而且在6mm距离至少有三条沟槽，并以三条以上的沟 槽效果更佳。该螺纹状沟槽2 3 l为梯形沟槽2 3 1 a (如图5所示)，或近三角 形沟槽2 3 1 b (如图6所示)，而其沟槽均以浅沟槽为佳，且搅拌头2 3的旋向 与螺纹状沟槽2 3 l进给方向相反，藉此可将塑性状态材料往下推，以补充悍接底 部空洞部分，避免焊接底部缺陷的产生。
参阅图7所示，摩擦搅拌焊是锥状搅拌头2 3伸入工件本体3的接缝3 l处， 锥状搅拌头2 3 表面并形成有螺纹状沟槽2 3 1，如此透过摩擦棒2 1与锥状搅 拌头2 3的高速旋转，使摩擦棒2 1、锥状搅拌头2 3与焊接工件本体3摩擦，进
而使焊接部位的材料温度升高而软化，软化同时对材料进行搅拌摩擦而完成焊接。 焊接过程中，摩擦棒2 1高速旋转同时边沿工件本体3的接缝3 1与工件本体3相 对移动。摩擦棒2 l的锥状搅拌头2 3则伸进材料内部进行摩擦和搅拌，摩擦棒 21的轴肩2 2与工件本体3表面摩擦生热，并用以防止塑性状态的材料的溢出。 由于该锥状搅拌头2 3与摩擦棒2 1间呈偏心，且具螺纹状沟槽2 3 1 ，所以摩擦 搅拌并移动的过程中，其锥状搅拌头2 3高速旋转并行进时，阻力较小，且行进路 线类似螺旋，而使搅拌方式可在第一次经过时产生缺陷，但再次经过时可将之抹平，依序的抹平过程中，会留下最后一道缺陷，但该最后一道缺陷可以利用凸板方式处 理，即摩擦搅拌焊的停止位置设在凸板上，如此缺陷只会在凸板上产生，其后只要 加工去除多余的凸板，即可得一完美无缺陷的焊接成品，此部分解决了侧边的问题， 而底部的问题则可藉由螺纹状沟槽2 3 1可以将塑性状态的材料往下推，塑性材料
流动过程可以填满底部及底部与侧面交界的边角处最易产生缺陷处，使得缺陷问题 可以有效解决者。
参阅图8所示，该摩擦搅拌焊的搅拌头使用方法，其方法为 a.设具垂直的加工轴摩擦棒设于垂直的加工轴；
b .设具偏心锥状搅拌头摩擦棒前端设锥状搅拌头，锥状搅拌头中心轴线偏 离摩擦棒中心轴线，锥状搅拌头表面并设有螺纹状沟槽；
C .摩擦搅拌焊的加压旋转并移动加工轴加压旋转并移动，使旋转的摩擦棒 与偏心旋转的锥状搅拌头移动焊接；
藉此，锥状搅拌头的摩擦搅拌并移动的路径不是直线，且可推动塑性材料流动 填充空隙处，因此得以避免缺陷产生。
该a步骤更包括垂直于加工轴的摩擦棒提供使用，得以普及的摩擦搅拌焊加工 机更换偏心及具螺纹状沟槽的锥状搅拌头的摩擦棒，即可克服不同形式的焊接轨迹 与焊接路径，无需特别改变摩擦搅拌焊的加工机本身。
该a步骤更包括垂直于加工轴的摩擦棒提供使用，得配合普及的摩擦搅拌焊加 工机使用，无需使用呈特殊角度的特殊摩擦搅拌焊加工机。
该c步骤旋转的方向为螺纹状沟槽可将塑性材料往底部方向推动的旋向。
一摩擦棒，该摩擦棒的前端设一具螺纹状沟槽的锥状搅拌头，该搅拌头与摩擦 棒的中心轴线间，系形成一设定偏心距离的偏心形态，使摩擦棒旋转时，具螺纹状 沟槽的锥状搅拌头呈偏心旋转。
一被焊物，被焊物包括一工件本体3及一结合件3 a (如图7所示)，该结合 件3 a借着偏心搅拌头的摩擦搅拌焊结合于工件本体3 。
一被焊物，该被焊物为塑胶、金属或合金材料组成的群组，或任何可被摩擦加 热而塑化的物品。
该工件本体与结合件藉由摩擦棒与偏心的具螺纹状沟槽的锥状搅拌头旋转垂 直插入的偏心摩擦搅拌焊接结合，当该摩擦棒与偏心的具螺纹状沟槽的锥状搅拌头 焊接路径经过直线或曲线时，仍能随时保持垂直状态。
本发明功效增进之处如下
其一、本发明的摩擦搅拌焊的搅拌头及使用方法，其改变仅在摩擦棒与搅拌头， 完全不影响加工机本身，与现有习用作法藉由特殊专用机方能倾斜加工轴作摩擦搅 拌焊，显有不同，本发明更利于实施。其二、本发明的摩擦搅拌悍的搅拌头及使用方法，其具有偏心搅拌头消除焊接 左侧或焊接右侧的缺陷，锥状搅拌头可以减低阻力，而具螺纹状沟槽的锥状搅拌头 可以消除焊接底部及底部边角的缺陷。
前文系针对本发明的较佳实施例为本发明的技术特征进行具体的说明；惟，熟 悉此项技术的人士当可在不脱离本发明的精神与原则下对本发明进行变更与修改， 而该等变更与修改，皆应涵盖于如下申请专利范围所界定的范畴中。
权利要求
1.一种摩擦搅拌焊的搅拌头，包含有搅拌头设于摩擦棒的前端；其特征在于该搅拌头与摩擦棒的中心轴线间，形成一设定偏心距离的偏心形态，且搅拌头设呈锥状，及锥状搅拌头表面设螺纹状沟槽，使摩擦棒旋转时，具螺纹状沟槽的锥状搅拌头呈偏心旋转。
2 .如权利要求1所述的摩擦搅拌焊的搅拌头，其特征在于其中该螺纹状沟 槽的设置为在6mm长度内至少三条沟槽。
3. —种使用于如摩擦搅拌焊的搅拌头的被焊物，其特征在于该被焊物包括 一工件本体及一结合件，该结合件借着偏心的搅拌头，且该搅拌头为具螺纹状沟槽 锥状搅拌头的摩擦搅拌焊结合于所述工件本体。
4 .如权利要求3所述的使用于如摩擦搅拌焊的搅拌头的被悍物，其特征在于其中该被焊物为塑胶。
5 .如权利要求3所述的使用于如摩擦搅拌焊的搅拌头的被焊物，其特征在于其中该被焊物为金属。
6 .如权利要求3所述的使用于如摩擦搅拌焊的搅拌头的被焊物，其特征在于其中该被焊物为合金材料。
7. —种如权利要求1所述摩擦搅拌焊的搅拌头的使用方法，其特征在于其 包括如下步骤a.设具垂直的加工轴摩擦棒设于垂直的加工轴；b .设具锥状搅拌头摩擦棒前端设锥状搅拌头，锥状搅拌头中心轴线偏离摩 擦棒中心轴线，锥状搅拌头表面设有螺纹状沟槽；C .摩擦搅拌焊的加压旋转并移动加工轴加压旋转并移动，使旋转的摩擦棒 与偏心旋转的具螺纹状沟槽的锥状搅拌头移动焊接。
8. 如权利要求7所述的摩擦搅拌焊的搅拌头的使用方法，其特征在于其中 该具锥状搅拌头的摩擦棒安装于非呈特定角度的摩擦搅拌焊加工机上。
9 . 一种摩擦搅拌焊的搅拌头的使用方法，其特征在于工件本体与结合件藉 由摩擦棒与偏心的具螺纹状沟槽的锥状搅拌头旋转插入的偏心摩擦搅拌焊接结合， 该锥状搅拌头旋转方向是使塑性材料被螺纹状沟槽往下推的旋向。
全文摘要
一种摩擦搅拌焊的搅拌头、其使用方法及其被焊物，系先前研发的偏心搅拌头仍有未尽完善处，特研发出本发明，藉由摩擦棒前端的搅拌头中心点偏离摩擦棒中心点，且搅拌头为锥状搅拌头，锥状搅拌头表面设螺纹状沟槽，如此施以高速旋转的摩擦搅拌焊后，可确保焊后工件搅拌接合区内不会产生缺陷，且前进后退或圆弧度的焊接都可顺利达成，得以不须再利用机构以维持固定的倾斜角，以避免焊接缺陷。
文档编号F16B5/00GK101406987SQ20071016350
公开日2009年4月15日 申请日期2007年10月12日 优先权日2007年10月12日
发明者侯光华, 周继荣, 林文雄 申请人:和仪科技有限公司